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  • 2021-11-25

    4680電池資料——電池技術升級

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    4680電池為特斯拉推出的直徑為46mm,高度為80mm的新一代圓柱電池。

    圖:4680電池展示圖

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    對于電池來講,能量密度提升時,功率密度會下降,直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優選擇

    圖:圓柱電池尺寸與性能變化

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    1.2.  核心創新

    大電芯+全極耳+干電池技術


    1.3.  性能突破

    4680電池大幅提升了電池功率(6倍于2170電池),降低了電池成本(14%于2170電池),優化了散熱性能、生產效率、充電速度,能量密度、循環性能有進一步的提升空間。


    2. 結構改變

    2.1. 全極耳

    4680電池通過極耳結構的改變,大幅提升了電池功率、優化了散熱性能、生產效率、充電速度。

    2.1.1. 全極耳結構

    極耳:從電芯中將正負極引出來的金屬導電體,是電池充放電時的接觸點。在電池工作中,電子從正極極耳流向負極極耳,其流經路徑與電池內阻成正比,流經寬度與電池內阻成反比,而電池內部損耗功率與內阻的平方成正比,因此極耳接觸面積越大,極耳間距越短,電池輸出功率越高。

    傳統電池只有兩個極耳,分別連接正極與負極,而4680電池實現了全極耳(直接從正極/負極上剪出極耳),從而大大增加了電流通路,并縮短了極耳間距,進而大幅提升了電池功率

    4680電池資料——電池技術升級(圖3)


    2.1.2. 全極耳優勢

    1、提升了輸出功率:電池電流通路變寬,且內阻大幅減少,內部損耗隨之降低,進而大幅提升了電池功率(6倍于2170電池)。

    2、提升安全性:圓柱電池與片狀電池不同,其散熱為軸向居多,熱量從極耳出散出。傳統圓柱電池如2170只有兩個極耳,熱量傳輸通道窄,因此散熱效果不好。4680電池極耳面積大大增加,熱量傳輸通道寬闊,大大改善了散熱效果(只有傳統圓柱電池的20%),增強了電池的熱穩定性。

    3、快充性能大幅提升:由于全極耳結構,電子更容易在電池內部移動,電流倍率提高,因此充放電速度更快。

    4、提高生產效率:消除生產線添加極耳的流程和時間,節省設備空間,減少出現制造缺陷的可能。

    4680電池資料——電池技術升級(圖4)


    2.1.3. 全極耳工藝難點

    1、全極耳制作中,極耳的收集問題:通俗的理解就是把極耳折在一起的工藝,目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種:

    1)揉壓極耳的極耳形態不受控,容易發生短路,制造時兩段封閉,電解液滲入阻礙大;

    2)切跌極耳(Tesla)斜切成片卷起,比無規則擠壓好一些,占空間較小,但表面起伏度較大,制造時兩段仍封閉,注液不能連續生產;

    3)多極耳很難折疊整齊,極耳位置誤差在外圈易被放大。

    2、全極耳與集流盤或殼體連接中,對激光焊接技術要求較高:從點焊(傳統兩個極耳)到面焊(4680電池全極耳),焊接工序和焊接量都變多,激光強度和焦距不容易控制,易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊,目前電池良率較低(80%)。

    2.1.4. 全極耳帶來的機遇

    從以往2170電池的脈沖激光器點焊,到目前4680電池線或激光點陣,激光焊接工藝提升,可能會從原來的脈沖激光器變為連續激光器,整體造價增加。

    2.2. 大電芯

    2.2.1. 性能表現

    4680電池較之前2170電池在直徑和高度上具有提升,直徑從27mm變為46mm,高度從70mm變為80mm,電芯厚度增加,曲率降低,空心部分更大。

    2.2.2. 尺寸變大優勢

    1、降低電池成本:降低殼體在單位電池容量上的占比,結構件和焊接數量也顯著減少(成本相比2170電池降低14%)。

    2、提升能力密度:隨著電池尺寸增大,電池組中電池數量減少,金屬外殼占比減少,正極、負極等材料占比增加,能量密度提高。

    3、bms系統更加省心:電池組中電池數量減少,對于電池的監測和狀態分析更為簡單。

    4、結構強度增加,與CTC技術完美結合:4680尺寸更大結構強度更高,其作為結構電池成為車結構的一部分,既提供能源,也用作結構起支撐作用,節省了空間也減少了重量(10%),因此提升了續航里程(14%)。

    2.2.3. 尺寸變大劣勢

    增加發熱量:電池尺寸越大,發熱越多,散熱越難,因此熱量控制更困難,電池爆炸產生的威力越大,為之前電池廠商想增加電池尺寸的最大瓶頸,Tesla通過全極耳技術進行了熱穩定性能的突破。

    2.2.4. 實際性能表現

    隨著電池尺寸增大,電池組中電池數量減少,金屬外殼占比減少,正極、負極等材料占比增加,能量密度提高。與2170電池相比,4680電池能量方面提高了5倍,目前續航里程的提升(16%)主要來自CTC技術(14%),隨著材料體系的不斷升級,電池能量密度有進一步提升空間。


    3. 干電池技術

    干電極技術可同時用在正負極上。

    3.1. 傳統濕法工藝

    需要將材料放置溶液中,再進行干燥和壓成膜:使用有粘合劑材料的溶劑,其中NMP(N-甲基吡咯烷酮)是其中一種常見溶劑,將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后,將漿料涂在電極集電體上并干燥,其中溶劑有毒需回收,進行純化和再利用,中間需要巨大、昂貴且復雜的電極涂覆機器。

    3.2. 干電池工藝

    干電極工藝徹底跳過加入溶液步驟,可省略繁復的涂覆,烘干等工藝,大幅簡化生產流程:將活躍的正負極顆粒與聚四氟乙烯(PTFE)混合,使其纖維化,直接用粉末搟磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上,制備出正負極片。

    3.3. 干電池優勢

    1、工藝簡單,節省成本:不采用溶劑,省去了昂貴的涂覆機。

    2、提升生產效率:干電極技術使生產速度提升至以前的七倍。

    3、增加電池能量密度:有溶劑的情況下,鋰與混有鋰金屬的碳不能很好的彼此融合,有第一次循環容量損失問題,干電池技術會大大改善這種問題,從而提升電池能量密度。同時增加正極材料厚度,從55μm提升至60μm 提升活躍電極材料比,使能量密度提升5%同時,保證功率密度。

    3.4. 干電池工藝難點

    目前工藝不成熟,電池要做厚,圓柱要卷起來,容易開裂。


    4. 硅負極

    4.1. 優勢

    1、理論能量密度更高:石墨負極理論最大電池容量372Wh/kg,硅負極理論最大電池容量可達4200Wh/kg。

    2、安全性更好:硅的電壓平臺比石墨高,現在負極石墨都會產生鋰枝晶,是因為它們的電壓平臺接近鋰的析出電位,支晶刺破隔膜,正負極將發生短路,嚴重威脅電池安全。

    3、成本更低:硅材料來源廣,儲量豐富,制作成本較低,對環境友好 。采用硅負極材料的鋰離子電池的質量能量密度可以提升8%以上,體積能量密度可以提升10%以上,同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%。

    4.2. 劣勢

    1、循環性能差:嵌鋰后體積膨脹,石墨在鋰離子嵌入后體積無明顯膨脹情況,但硅在鋰離子嵌入后體積膨脹四倍以上,來回幾次膨脹收縮后電池就報廢了。

    2、導電性差:硅的低電導性限制其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能;體積變化使活性物質與導電劑粘結劑接觸差,導電性下降;硅表面的SEI膜厚且不均勻,影響導電性與電池整體比能量。

    4.3. 4680電池創新設計

    Tesla對原材料重新設計,采取高彈性材料,并通過增加彈性的離子聚合物涂層,可以穩定硅表面結構,并使成本降低5%。

    圖:Tesla硅負極工藝原理

    4680電池資料——電池技術升級(圖5)

    4.4. 硅碳負極為硅負極的發展方向

    電池企業積極應用硅碳負極:硅碳負極目前主要應用于圓柱電池,寧德時代、力神電池、國軒高科與普萊德等動力電池廠商高比容量電池方案中,硅碳負極為明確發展方向。

    硅碳負極研發生產提速:國外硅碳產業化較為領先,國內廠商正積極追趕,目前國內負極廠商已擴大硅碳負極投入,貝特瑞、杉杉、國軒高科、正拓能源可實現量產。其中貝特瑞硅碳負極供給松下動力電池,進入特斯拉產業鏈。部分電池企業如CATL、比亞迪、國軒高科、比克和天津力神等企業均在硅碳積極布局。

    硅碳電池是高能量密度發展的必然趨勢,隨技術瓶頸的克服與終端客戶接受度提升,硅碳將成本下降,實現大規模量產, CNCET預計23年我國硅碳負極材料產量及消費量將達到6萬噸,未來硅碳負極市場前景巨大。


    5. 正極

    不同的電極用在不同的產品上,鐵鋰版的4680會用在低續航的車型和能源儲蓄電池,主打更多循環次數;鎳錳鋰4680電池用在中等續航的車型和家用電池上;高鎳4680電池用在cybertruck和Semi上。

    Tesla正極材料主打高鎳無鈷化方向,但沒有提出與主流路線之外的創新:使用NCA單晶路線,通過提升電壓來提升能量密度,材料熱穩定性媲美磷酸鐵鋰。

    5.1. NCA

    三元正極材料路線一般分為兩條:

    1)Tesla采取的NCA(鎳鈷鋁);

    2)NCM(鎳鈷錳),比如寧德時代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

    圖:NCM與NCA區別

    4680電池資料——電池技術升級(圖6)

    正極材料中元素的作用為:

    鎳:提升電池能量密度,降低電池成本。是電池提升續航的關鍵。

    鈷:作為正極支架結構堅固,但價格昂貴,并對環境造成污染。

    錳、鋁:提高材料的導熱性,是熱穩定性,更安全的關鍵。

    鐵:鎳的替代材料,能量密度不高,但價格便宜,充放電次數更高。

    相比與NCM,NCA的能量密度更大,工藝要求也更高,但安全性差些。Tesla提高鎳的含量,降低鈷的含量,從而提升能量密度,降低成本。

    5.2. 單晶化

    與提高鎳元素來提高能量密度不同,單晶化是通過提高正極材料的電壓來提升能量密度:單晶材料相對于傳統的多晶材料更適合做高電壓,沒有晶界,可提升三元電池的熱穩定性和循環性能。

    以5系為代表高電壓單晶材料鎳55電池,只采用了和NCM523相同的鎳含量,就可實現NCM811的能量密度,并且有更突出的材料方面的熱穩定性,成本比NCM811更低。

    5.3. 4680電池正極趨勢

    4680電池實際有三種不同的正極材料:鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳。

    5.3.1. 4680電池目前以高鎳方向為主

    4680高鎳版為Tesla目前主要方向,未來用在高續航的Cybertruck和Semi上,同時長續航和高性能版本的Model3和ModelY也可使用。

    5.3.2. 4680電池鎳錳版將緊跟高鎳版

    在4680高鎳版技術成熟后,將研發4680鎳錳版,將應用在中等續航Model Y及家用電池等產品上。

    5.3.3. 4680電池未來也有可能使用鐵鋰正極

    4680電池也有可能使用鐵鋰正極:Tesla電池發布會中,并未提及其循環性能,因為硅基陽極體積膨脹降低充放電次數,在鎳錳版4680電池技術成熟后,鐵鋰版的4680電池大概率也可推出,應用于低價車型、能源儲蓄電池中,主打高循環性能。

    電池型號從高鎳版陸續到鎳錳版最后到鐵鋰版的4680電池逐漸發展,會拉動相關材料的需求。


    6. 產業化進度

    1、特斯拉在2020年率先發布,計劃在22年年底達100GWh的4680電池產能,2030年達3TWh。

    2、億緯鋰能在大圓柱電池方面布局較為領先,2021年已生產出4680和4695成品,并獲得下游車企認可。此次規劃的20GWh乘用車用大圓柱電池產能預計在2023年開始量產。

    3、松下計劃2022年3月在日本開始試生產4680電池,4680電池產品開發的技術目標已基本實現,但大規模量產仍存在技術門檻。

    4、LG、三星、寧德、比克、蜂巢等電池企業也在研發中,大圓柱電池的應用會進一步推動高鎳材料的發展。


    7. 結論

    4680電池核心創新工藝為:大電芯+全極耳+干電池技術,增強了電池功率與安全性,提升了生產效率、快充性能,降低了電池成本,能量密度、循環性能有進一步的提升空間。目前技術難點在于全極耳的制作和焊接、干電極工藝。4680電池率先應用于高鎳體系,預計22年上半年特斯拉及松下開始量產,將帶動高鎳正極+硅碳負極+碳納米管導電劑+大圓柱結構件+新型鋰鹽需求,對應龍頭將受益;國內大圓柱電池億緯布局領先,擬投20gwh產能,預計將于23年放量。


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