特斯拉4680电池何时起源?

本文来源：智车技术

12月，特斯拉Cybertruck的交付掀起了特斯拉技术的热潮。除了防弹车身和超过911的加速性能外，特斯拉4680电池技术也再次成为话题。

目前，主要制造商主要使用三种动力电池。欧洲和韩国汽车公司大多使用软包装电池，大多数国内汽车公司使用方形电池，然后是特斯拉大规模使用的圆柱形动力电池。4680电池是指直径 46 mm、高 80 mm 圆柱形电池。

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4680电池何时起源？

特斯拉与圆柱电池的连接起源于特斯拉推出的第一款Roadster跑车。当时，特斯拉使用了1991年日本索尼发明的18650电池，即直径18毫米、高度65毫米的圆柱形电池，这也是世界上最古老的锂离子电池。特斯拉将18650电池组装在一起，制成高电池寿命的电池组。Roadster跑车杀出重围，18650电池功不可没。

之后，特斯拉和松下成了密切的合作伙伴。双方共同开发了直径和高度为21mm和70mm的第二代圆形电池。这个电池帮助特斯拉model 三位居销量榜首。从表面上看，特斯拉与松下的合作非常顺利，各取所需。事实上，松下一直暗戳卡马老板的脖子，Model 订单层出不穷，但电池产能却像挤牙膏。

作为世界顶级工业强人，马斯克怎么会被别人控制呢？电池自主研发的必然道路早在规划中。自2018年以来，特斯拉成立了一个专门的项目团队，开始开发自己的电池，并努力掌握电车的核心技术之一。随后，为了支持低价电动汽车计划，摆脱供应商的约束，特斯拉加大了努力，以降低电池成本。在这些背景下，2020年出现了4680个圆柱形电池。

记得在4680电池新闻发布会上，马斯克称赞它，花了很多空间介绍电池：“4680电池是一个巨大的技术突破，预计只有三年，4680电池可以实现大规模生产，特斯拉可以创造一个非常有吸引力的，价格只有2.4万辆新电动汽车。”

为什么马斯克对4680电池如此乐观？从技术角度来看，它确实值得。据报道，4680电池可以将特斯拉汽车的电池寿命提高16%，输出功率提高6倍。它的电池容量是当时电池的5倍，成本降低了16%。4680电池的成功大规模生产是特斯拉的里程碑突破。

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大电芯 全极耳 干法工艺

与特斯拉之前使用的18650和21700圆柱形锂电池相比，4680电池在电池容量、生产成本和效率方面具有很大的优势。

第一个是大电池：

与方形电池相比，当圆柱形电池包装成电池组时，圆柱形和圆柱形之间会有间隙，空间利用率相对较低。圆柱形体积的增加可以减少间隙。一些研发人员指出，汽车圆柱形电池的直径控制在45- 50 经过多次实验，特斯拉遍历了所有关键指标，发现46毫米是最昂贵的电池外径小，直径小 46 mm、高 80 mm，圆柱电池的比例是最完美的。

随着外观的增加，电池组中的单个电池数量减少，壳体在单位电池容量中的比例减少，结构件和焊接数量也显著减少。与2170电池相比，成本降低了14%。同时，电池组中金属外壳的比例减少，正负材料的比例增加，能量密度增加。

此外，4680电池结构强度增加，与CTC技术完美结合。4680尺寸更大，结构强度更高。作为结构电池，它已成为汽车结构的一部分。它不仅提供能源，而且支持结构。它节省了空间，减轻了10%的重量，提高了里程14%。

全极耳：

在结构上，与上一代2710相比，4680电池革命性地引入了全极耳，除了体型的增加。（Full-tab）加集流盘（Current Collector）结构。

(特斯拉4680无极耳渲染图)

极耳是从电池中引出正负极的金属导电体，是电池充放电时的接触点。在电池工作中，电子从正极耳流向负极耳，其流经路径与电池内阻成正比，流经宽度与电池内阻成正比，电池内损耗功率与内阻平方成正比。因此，极耳接触面积越大，极耳间距越短，电池输出功率越高。

传统电池只有两个极耳，分别连接正极和负极，而4680电池去除了传统电池凸起的极耳结构，使整个电池底部和外壳充当极耳。

(双极耳，全极耳平面图 图片来源:逸飞激光)

这种改进的好处如下：由于电池电流通路较宽，内阻降低，内部损耗降低，输出功率大大提高，相当于2170电池的6倍；全极耳提高了电池安全性，热传输通道宽，增强了电池的热稳定性，更容易散热；由于全极耳结构，电子更容易在电池内移动，电流倍率增加，充放电速度更快。

干电池技术：

目前，电池制造技术主要有湿法和干法两种。

在过去的30年里，电池公司一直在使用湿法工艺。湿法工艺包括混合材料、涂层、干燥、NMP 在回收和辊压过程中，有毒溶剂和水分需要充分蒸发。工艺繁琐，制造成本高。设备、劳动力和工厂的成本约占整个电池的制造 22.76%。

为降低电池生产成本，2019年 年，特斯拉花 2.19 超级电容公司以1亿美元的价格购买超级电容 Maxwell，锂电池采用超级电容器干电极工艺，不使用液体粘合剂，节省昂贵的涂层机，跳过烘焙等传统步骤，工艺简单，节约成本，大大提高了生产效率。马斯克曾透露，特斯拉可以减少单位生产能力设备支出的三分之一，减少电极生产车间的占地面积和能源损失 90%。

此外，干燥过程还增加了电池的能量密度。在溶剂的情况下，锂和与锂金属混合的碳不能很好地相互融合，存在第一个循环容量损失问题。干电池技术将大大改善这一问题，从而提高电池的能量密度。

除了大电芯 全极耳 干电池技术、特斯拉4680电池中使用的硅碳负极等新材料和新技术也重新定义了圆柱形电池。其大规模生产和使用将推动正负极材料、包装技术和结构部件的全面突破，推动整个产业链的技术创新。

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难产的4680

4680电池的生产并非一帆风顺。4680电池整合了许多创新技术，也带来了大规模生产的困难。自2020年4680电池发布以来，特斯拉一直处于技术研究和产能攀升阶段。具体来说，影响4680批量生产进度的主要技术有三种：全极耳成型、集流盘焊接和激光密封。

全极耳成型。对于全极耳成型，锂电池行业主要有两种解决方案——切割和揉捏。揉捏过程是指将卷绕的极芯端面机械地揉成致密的平面。切割过程中的全极耳电解液注射时间较短。特斯拉采用切割全极耳技术，旨在提高生产效率。

该技术对电池绕组机的精度要求很高，表面平整度和精度偏差必须保持在很小的范围内。电池体积大，电池厚，容易导致极耳接触程度不一致，导致内阻一致性差，焊接后材料连接不稳定，良率难以保证。

集流盘焊接。激光焊接是4680生产过程中最重要的焊接工艺。4680的激流盘焊接工艺非常复杂，存在焊接加热导致隔膜热缩效应、焊接穿孔压力过大或焊接不牢固、部件脱落等问题。

激光密封。4680壳体密封的关键步骤是利用激光技术对芯壳盖和壳体进行圆周密封和焊接。4680壳采用不易焊接的钢壳镀镍材料，壳壁较薄，对激光焊接工艺要求较高。

这三个高精度的过程增加了特斯拉大规模生产的难度。此外，4680圆柱形电池的生产过程尚未标准化，各电池制造商在过程中存在许多差异。由于上述诸多因素，特斯拉能否大规模生产4680电池被许多业内人士打上了问号。

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曙光

在许多质疑中，特斯拉终于在今年10月正式宣布，其德州超级工厂在4680电池生产方面取得了重大突破，生产了第2000万电池。6月，特斯拉刚刚宣布，其德州工厂生产了4680万电池，四个月内翻了一番，这无疑是一个巨大的进步。

众所周知，德州工厂目前只生产一条生产线。到今年年底，其他三条生产线也可能启动。此外，一些韩国媒体透露，特斯拉弗洛蒙德工厂的大规模生产能力已达到每月800万台。根据韩国媒体流出的数据，到明年年中，加上弗洛蒙德的试验线和工厂对面的新场地线，特斯拉的月产能将达到6000万台。

别忘了，特斯拉在内华达还有四条线在建。这样的量产能力一旦建成，单位成本肯定会大幅下降。 

尽管经过几次延迟，特斯拉还是一步一步地把吹过的牛皮弄回来了。坚实的产量证明了4680电池的大规模产量可以实现。在设定目标之前，它有能力生产100 GWh4680电池，满足130万辆电动汽车需求的目标也近在咫尺，4680大规模商业化的曙光已经在天边。

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