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當(dāng)時(shí)，特斯拉推出一個(gè)像餅干盒一樣的4680圓柱電池，“無(wú)極耳”“干電極”成為新技術(shù)關(guān)鍵詞，動(dòng)力電池行業(yè)的大圓柱時(shí)代悄悄拉開了序幕。

4680指的是圓柱形電池直徑為46mm、高度80mm。大圓柱是相對(duì)于小圓柱而言。

特斯拉最初的動(dòng)力電池是松下生產(chǎn)的1865（直徑為18mm、高度65mm）圓柱電池。

二三十年過(guò)去，圓柱形電池尺寸從小變大，這并不僅僅意味著尺寸升級(jí)。

多位電池企業(yè)高管表示，人們對(duì)電動(dòng)車的關(guān)注點(diǎn)主要在安全性、續(xù)航里程、充電能力等方面上，一個(gè)解決方案和賽道就是大圓柱動(dòng)力電池。

大圓柱電池不局限于某一家企業(yè)，是由很多車企和電池廠一起劃下的一個(gè)賽道，該領(lǐng)域未來(lái)的可替代性和后續(xù)迭代范圍，會(huì)逐漸擴(kuò)大。

根據(jù)車企訂單需求，今年開始放量的大圓柱電池主要適配中高端車型，也即多采用三元高鎳型大圓柱電池。

華泰證券預(yù)計(jì)，46 系（直徑46mm）大圓柱電池的需求主要由特斯拉、寶馬等車企拉動(dòng)增長(zhǎng)，按照相關(guān)車企對(duì) 46 系大圓柱電池的需求規(guī)劃，預(yù)計(jì) 2027 年全球 46 系大圓柱電池裝機(jī)量有望達(dá)到 407.3GWh，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模 2036.6 億元。

深圳市比克動(dòng)力電池有限公司副總裁樊文光認(rèn)為，到2030年，大圓柱電池會(huì)占到全球動(dòng)力電池30%以上的市場(chǎng)份額。
 

從“小”到“大”

圓柱型電池的流行以及從小圓柱變?yōu)榇髨A柱，用了30多年，特斯拉是最重要的技術(shù)革新者和推動(dòng)者。

最早將圓柱型鋰電池進(jìn)行商用的是索尼公司。1991年，索尼發(fā)布了1865圓柱電池，開啟了鋰電池商用時(shí)代。

松下第一個(gè)為車企提供圓柱電池。1997年，全球首個(gè)混合動(dòng)力汽車豐田普銳斯搭載了松下產(chǎn)的圓柱型電池，成分是鎳氫電池。

一位熟悉內(nèi)情的電池業(yè)內(nèi)人士稱，2001年特斯拉覺得造電動(dòng)車可行之時(shí)，四處求人提供車載電池，當(dāng)時(shí)鮮有人看好電動(dòng)車的前景，特斯拉找不到電池供應(yīng)商。

最后，特斯拉找到松下，用松下做筆記本電腦的電池，自己組成pack裝到汽車?yán)铩?/span>

電動(dòng)車稍微起量之后，特斯拉邀請(qǐng)松下將電池產(chǎn)線移到自己的一個(gè)工廠里節(jié)省物流成本，幫著做電池。

2008年，特斯拉首款豪華轎跑車 Roadster 問世，“創(chuàng)造性”地用了 7000 多節(jié)松下制造的 1865 三元鋰電池，由此拉開了特斯拉與松下長(zhǎng)期的合作序幕。2016年，二者從采購(gòu)關(guān)系變?yōu)楹腺Y建廠，二者的合作開創(chuàng)了純電動(dòng)汽車圓柱電池時(shí)代。

2017年，特斯拉與松下共同研發(fā)的 2170 圓柱電池應(yīng)用于 Model 3 上，采用正極材料 NCA（鎳鈷鋁）+負(fù)極硅碳方案，單體容量較 1865 電池提升約 35%。

2020 年 9 月特斯拉召開“電池日”活動(dòng)，推出 4680 大圓柱電池，標(biāo)志著動(dòng)力電池行業(yè)進(jìn)入大圓柱時(shí)代。

自此，整車和電池領(lǐng)域內(nèi)各企業(yè)爭(zhēng)相布局大圓柱電池，希望在下一代車型和電池設(shè)計(jì)上爭(zhēng)取主動(dòng)權(quán)。

樊文光稱，一年前，處在新能源車企第一梯隊(duì)的只有特斯拉一家愿意使用或者有明確意向打造關(guān)于大圓柱電池的純電平臺(tái)，第二梯隊(duì)的有國(guó)內(nèi)少數(shù)車企以及寶馬集團(tuán)。

一年后，北美已經(jīng)有特斯拉、通用等至少4家車廠，歐洲有寶馬等至少3家，國(guó)內(nèi)有蔚來(lái)、江淮等至少6家車廠都有關(guān)于大圓柱純電平臺(tái)的明確意向，而且其中有不少是在高端產(chǎn)品線全部采用大圓柱。

鑒于發(fā)展初期遭遇到電池供應(yīng)短缺的不爽經(jīng)歷，特斯拉選擇自造電池，2022年在加州弗里蒙特試點(diǎn)工廠一周產(chǎn)出86.8萬(wàn)個(gè)4680電芯。

至少有10家以上的全球動(dòng)力電池企業(yè)，比如寧德時(shí)代、LG新能源、松下、三星SDI、中創(chuàng)新航、億緯鋰能、遠(yuǎn)景動(dòng)力、比克電池、航天鋰電等布局及放量，另外還有一些車廠也在研發(fā)大圓柱動(dòng)力電池。

樊文光科普道，大圓柱本身是一個(gè)壓力容器，行業(yè)里出現(xiàn)的所有電池化學(xué)體系，正極的全固態(tài)電池-半固態(tài)電池-高鎳三元-低鎳的NCM622、NCM532-磷酸鐵鋰-磷酸錳鐵鋰-鈉電池，負(fù)極的鋰金屬-石墨+硅-純石墨，都能裝載進(jìn)大圓柱里。

這很像不同口味的壽司，可以更換里面的餡。

“這個(gè)也是大圓柱電池另外一個(gè)非常核心的優(yōu)勢(shì)，就是比較好的適應(yīng)性，對(duì)應(yīng)不同的平臺(tái)都會(huì)有比較好的兼容性。”樊文光說(shuō)。

大圓柱可以向下兼容磷酸鐵鋰等經(jīng)濟(jì)型化學(xué)材料，但它的意義在于引爆滿足高能量密度需求的材料市場(chǎng)，對(duì)于三元鋰電池正極材料8系以上的（鎳占比超過(guò)80%）甚至9系，負(fù)極材料方面對(duì)于高性能石墨還有硅氧、硅碳都會(huì)有相當(dāng)大的需求。“它會(huì)引爆280Wh/kg以上的材料體系市場(chǎng)。”樊文光說(shuō)。

根據(jù)中汽數(shù)據(jù)，從不同材料來(lái)看，2022年已售新能源汽車中所搭載的三元電池平均能量密度約為154Wh/kg，所搭載的磷酸鐵鋰電池平均能量密度約為128Wh/kg。

也因此，根據(jù)車企訂單需求，今年開始放量的大圓柱電池主要適配中高端車型。

華泰證券預(yù)計(jì)，全球大圓柱動(dòng)力電池裝機(jī)量在2023年將達(dá)到15.6GWh,大圓柱戶儲(chǔ)電池裝機(jī)量為0.4GWh。

46mm突破了什么

圓柱形電池的直徑從最初的18mm、21mm，逐漸升級(jí)為26mm（2665）、32mm（3265）、34mm（3420），為何最后主流大圓柱電池的直徑定為46mm？

在動(dòng)力領(lǐng)域，圓柱電池尺寸增大雖然能夠減少整車使用的電芯節(jié)數(shù)，降低BMS的管理難度，但是會(huì)帶來(lái)性能和安全方面的問題。

根據(jù)華泰證券研究，電池容量每提升10%，其循環(huán)壽命大約會(huì)降低20%，充放電倍率會(huì)降低30%-40%，同時(shí)電池會(huì)有20%左右的溫升。如果持續(xù)增大電池尺寸，則會(huì)面臨犧牲安全性所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

從直徑46mm開始，整車?yán)m(xù)航開始下降，同時(shí)降本的邊際效益也逐步趨緩，因此從電池的整體性能和成本兩方面看，46mm 直徑是當(dāng)前生產(chǎn)工藝水平下的最優(yōu)解。

從1865到2170，電池單體容量提升35%，能量密度提升20%，系統(tǒng)售價(jià)下降約9%；從2170到4680，按照特斯拉的說(shuō)法，其4680電池能量密度提升5倍，充放電功率提升6倍，續(xù)航里程增加16%，每KWh系統(tǒng)成本下降約16%。

在特斯拉的主導(dǎo)下，目前相關(guān)車企、電池廠等均以 46 系大圓柱動(dòng)力電池體系為主要研發(fā)對(duì)象。

相較于傳統(tǒng)電池，大圓柱電池不僅僅在尺寸上進(jìn)行升級(jí)，也在單體和系統(tǒng)層面上進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。

4680電池最大的創(chuàng)新是新增無(wú)極耳技術(shù)，也稱全極耳技術(shù)。

無(wú)極耳技術(shù)去掉原有極耳，在電池的一端使用導(dǎo)電涂層進(jìn)行覆蓋，讓其與電池殼體直接接觸，使電子可以直接在集流體和電池殼體間進(jìn)行傳導(dǎo)，而無(wú)需集中在極耳處傳導(dǎo)。

相比于傳統(tǒng)電池技術(shù)，應(yīng)用無(wú)極耳可使電子移動(dòng)路徑縮短 5%-20%，使內(nèi)阻減小 5-10 倍；可避免電子偏移和過(guò)電位現(xiàn)象的產(chǎn)生，提升了電池壽命；導(dǎo)電涂層和電池殼體的接觸面積達(dá)到 100%，分散了發(fā)熱區(qū)域，有效解決了電池發(fā)熱問題。

無(wú)極耳的設(shè)計(jì)縮短了電子電流在電池中的移動(dòng)距離，解決大倍率充放電時(shí)溫度升高的問題，大幅提高了充電速度，突破了快充的瓶頸。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué) Hendrik Pegel 團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比克電池提供的真實(shí)商業(yè)化的全極耳大圓柱電池進(jìn)行參數(shù)化建模，數(shù)據(jù)顯示，在電芯不發(fā)生析鋰的前提下，在20℃溫度，4680 圓柱電池能夠在 12 分鐘內(nèi)完成從 10%— 80%SOC 的快充，快充性能相比常規(guī)單極耳電芯提升3倍。

大圓柱單體電池采用的單側(cè)出正、負(fù)極結(jié)構(gòu)，有利于電池系統(tǒng)層面的電氣互連。

特斯拉的無(wú)極耳設(shè)計(jì)只有頂殼中間的極柱是正極，極柱以下的表面殼體均為負(fù)極，電池的正、負(fù)極位于相同方向，9 個(gè)電芯并聯(lián)為一組，每組電芯的正極匯總后連接到下一組電芯的負(fù)極。

不同于傳統(tǒng)電池采用的鋁絲焊接，4680 電池的電芯和集流器采用激光焊接方式，消除了導(dǎo)線連接造成集流器失效的問題，減少了用于電連接的部件數(shù)量，降低了部件電阻，增加了電池的能量密度，有利于增加電池尺寸。

特斯拉設(shè)計(jì) 4680 電池時(shí)，創(chuàng)新引入了干電極技術(shù)，具體過(guò)程為不使用溶劑，直接將 5%-8% 的細(xì)粉狀 PTFE 粘合劑與正/負(fù)極粉末混合，通過(guò)擠壓機(jī)形成薄的電極材料帶，再將電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極，化簡(jiǎn)了濕法中的漿制、涂布烘干和溶劑回收過(guò)程， 提高了極片制備的效率，工藝簡(jiǎn)單、高度標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)約了制作成本。

目前干電極的能量密度超過(guò) 300Wh/kg，遠(yuǎn)期可達(dá)500Wh/kg。
 

量產(chǎn)瓶頸

特斯拉采用的無(wú)極耳解決方案是目前大圓柱的主流技術(shù)路線。

具體操作是，在極片卷繞、進(jìn)卷繞機(jī)之前，在極片上面切出一些小口，在卷起來(lái)的時(shí)候，一邊卷、一邊把切出來(lái)的極耳導(dǎo)向一個(gè)位置，最終全部導(dǎo)向一個(gè)位置，最后把極耳和回流盤焊接到一起。

各廠商設(shè)計(jì)的 4680 電池結(jié)構(gòu)件不同，屬于非標(biāo)準(zhǔn)件。

特斯拉 4680 電池的上、下表面均與電池側(cè)面殼體機(jī)械連接；而根據(jù) LG 新能源的 4680 電池專利說(shuō)明，電池的上表面獨(dú)立組裝，下表面與側(cè)面合為一體。

從卷芯-無(wú)極耳-工藝到設(shè)備，一些起步較早的電池企業(yè)也有自己的技術(shù)路線，各家擅長(zhǎng)的領(lǐng)域不同，有各自的壁壘。

從行業(yè)來(lái)看，大圓柱電池現(xiàn)階段的量產(chǎn)瓶頸主要來(lái)自工藝層面。

大圓柱電池的無(wú)極耳創(chuàng)新技術(shù)在極耳模切、揉平、無(wú)極耳與集流盤激光焊接等工藝環(huán)節(jié)增加了較多難點(diǎn)，直接影響電池良品率，導(dǎo)致電池規(guī)模量產(chǎn)困難。

實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)需達(dá)到90%以上的良率，這僅靠電芯企業(yè)開發(fā)設(shè)計(jì)大圓柱電池裝配段難以實(shí)現(xiàn)，還需要聯(lián)合鋰電設(shè)備企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)和工藝革新，從而實(shí)現(xiàn)良率突破，以達(dá)到規(guī)模量產(chǎn)要求。

“前端制片和傳統(tǒng)的圓柱、方殼（電池工藝程序）都差不多，后端的化成也差不多。”樊文光稱，如何把卷芯、殼蓋、里面的內(nèi)部元器件更高效高速、可靠地裝配起來(lái)，目前來(lái)說(shuō)還是挑戰(zhàn)比較大的環(huán)節(jié)，不過(guò)一些技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)解決了裝配不穩(wěn)定的問題。

樊文光介紹，目前行業(yè)里的頂尖水平可以達(dá)到300PPM（Pieces Per Minute縮寫,每分鐘產(chǎn)出數(shù)量）的生產(chǎn)效率，一分鐘可以生產(chǎn)300支電芯，一條單線的年產(chǎn)能可以達(dá)到10GWh以上，效率和成本都非常優(yōu)秀。

無(wú)極耳圓柱電池規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用的核心在于通過(guò)激光焊接實(shí)現(xiàn)集流體與集流盤、正負(fù)極蓋板的全面積焊接。

極耳數(shù)量的增加，對(duì)焊接的精度、質(zhì)量、一致性提出了更高的要求，促使激 光工藝設(shè)備從傳統(tǒng)電池的脈沖激光器點(diǎn)焊，轉(zhuǎn)變?yōu)?4680 的連續(xù)激光焊接設(shè)備，激光焊接工序從 5 道增加至 7 道。

單顆方形電池的電池容量約為 150-250Ah，而單顆 4680 電池的電池容量?jī)H為 25Ah，生產(chǎn)一臺(tái)特斯拉 Model Y 需要約 960 顆 4680 電池。

因此無(wú)論從單體電芯層面，還是從所需電池總數(shù)層面，4680 電池技術(shù)帶來(lái)的焊點(diǎn)數(shù)量，相較傳統(tǒng)電池均增加約 5 倍，即生產(chǎn)1 GWh 的 4680 電池，相較于 1865和 2170 電池產(chǎn)線，需要增加 5 臺(tái)焊接設(shè)備。

樊文光也對(duì)汽車商業(yè)評(píng)論記者表示，焊接工藝（包括激光焊接和超聲焊接）是目前最大的工藝挑戰(zhàn)，“焊接工藝聽起來(lái)是一個(gè)很傳統(tǒng)的工藝，其實(shí)是最近五年左右才被廣泛使用，穩(wěn)定性很高的激光焊接和超聲焊接設(shè)備供應(yīng)商較少。”

華泰證券的研究認(rèn)為，大圓柱電池現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)也是商機(jī)。

大圓柱電池在工藝、結(jié)構(gòu)層面的要求更加苛刻，為極耳激光切割、揉平、激光焊接等設(shè)備環(huán)節(jié)帶來(lái)了升級(jí)需求，并提高了結(jié)構(gòu)件的行業(yè)壁壘，具備全球競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)件龍頭企業(yè)將有望受益。

在電池化學(xué)材料方面，高鎳正極、硅基負(fù)極等更高能量密度的化學(xué)體系或?qū)⒂瓉?lái)新一輪增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，同時(shí)也將進(jìn)一步推動(dòng)大圓柱電池材料體系的更新，促進(jìn)單壁碳納米管、新型鋰鹽 LiFSI獲得更大的市場(chǎng)份額 。