【taycan中控拆解】4680详细信息：回归的圆柱电池

Fake it till you make it。

2020特斯拉电池日提出马斯克TWh级电池生产目标

很多情况下，工作的第一步是“吹牛”。2020年特斯拉在电池日推出了划时代的4680电池。那时，4680电池概念提出后才过了一年。2019年，松下和欧洲的一家化学实验室以电极耳理论为基础，对圆柱形电池进行了优化和改进，最终认为4680电池是一个好方案。

以松下的风格，至少要在2022年之前开始对外宣传，2025年以后才能开始大量生产。毕竟实验室做的和大规模生产完全没有区别，但是特斯拉敢“吹”，这次好像又吹了。(大卫亚设)。

祝贺特斯拉加州工厂试产了100万块4680电池，可安装约1000台型号Y

在刚刚结束不久的电动汽车百人会2022上，松下、比克电池、亿威锂能源几大电池巨头均表示看好46系大型圆柱电池，1月份特斯拉宣布加州工厂已试产了100万颗4680电池。4680电池的正式负载量已近在咫尺。

下面重点讨论特斯拉4680电池的核心技术创新及其对未来市场的影响。

了解4680电池

在介绍特斯拉4680电池的核心技术之前，我先通过一些问题和回答简单了解一下4680电池。

什么是4680电池？

与 7号电池、5号电池、18650、2170、4680电池头相比，4680要大得多

4680电池是直径46毫米、高度80毫米的圆柱电池，目前特斯拉使用的18650和2170电池也遵循这一命名惯例。其中，18650电池的最后一个“0”表示圆柱体。但省略了2170、4680电池。

为什么4680电池不更大或更小？

根据特斯拉PPT的数据，圆柱电池直径46毫米是续航上升和下降的最佳解决方案。

首先，从直径“46 mm”的指标来看，从安全性上看，车辆电池节数减少可以减少BMS管理的困难，但大单元的发热是个难题，46 mm是平衡范围内的亮点。从续航上升和成本下降的角度来看，特斯拉在46 mm以后车辆的续航开始下降，同时降低成本的边际效益非常低，认为46 mm是最优解。另外，从内部应力和角度来看，46 mm也是比较重要的一点，在化学性能、生产工艺没有本质突破之前，46 mm是黄金尺寸。

另一个参数高度“80 mm”在目前业界还没有定论

，主要因各家底盘设计而异，比如宝马采用的是 4695 方案，还有的厂商规划了 46105 的方案，即高度为 105 mm。但这个高度也不能太高，一方面是径向散热会成问题，另一方面这样会明显增加底盘厚度，从而影响设计美感和风阻。

为什么特斯拉钟情于圆柱电池？

简单来说就是路径依赖，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款车型 Roadster，当时市面上还没有非常成熟的动力电池方案可选，而松下的 18650 电池在民用领域已经非常成熟稳定，安全性和一致性都达到了非常高的水准，特斯拉于是选择了用几千个单体电池组装的方案，虽然对 BMS 的考验比较大，但在当时确实也比其他动力电池方案更为靠谱。

特斯拉 Model S 电池包，由数千个 18650 电池组成

随着动力电池的发展，18650 电池逐步升级为 2170 电池，特斯拉以及它的供应商松下、LG 化学等就越来越专精于圆柱电池，不过这次 4680 电池对圆柱电池来说也是一次挤爆牙膏的升级。

牙膏挤爆，特斯拉 4680 电池的核心技术创新点

特斯拉电池日 PPT，4680 电池要比 2170 电池提高 54% 的续航并降低 56% 的成本

从 18650 到 21700 的升级从数字就可以看出来颇有点挤牙膏的味道，有点像最近两年的高通骁龙芯片，而 4680 电池相比 2170 电池，不仅是体积增加了 448%，更多的是与全极耳、高硅负极、与 CTC 结合等革命性的技术相结合，最终才有了续航增加 54%，成本下降 56%，单位产能设备投资额下降 69% 的挤爆牙膏式的提升（当然特斯拉的 PPT 向来有些水分，这应该 4680 电池迭代两三次后达成的效果）。

全极耳：开得远，还要充得快

传统的电池有一个非常大的限制：能量密度和功率密度不能兼顾，举个例子，本田雅阁混动的三元电池能量密度只有 82 Wh/kg，而纯电车型的三元锂电池能量密度一般在 150—180 Wh/kg，这是因为 HEV 锂电池核心参数是功率密度，毕竟电池小（雅阁混动的电池容量仅为 1.3 kWh）又要带动大功率的电机，只能牺牲一些质量能量密度。

全极耳方案下，电子流通的路径明显缩短

而特斯拉 4680 电池通过采用全极耳（特斯拉宣传是无极耳）的方案来让二者兼顾，极耳简单来说就是正负极充放电时的接触点，传统电池在正负极各有一个极耳，这样就带来一个问题，电流从正极流向负极时，如上图左边所示，要穿越很长的横向路径，这样内阻自然上来了，不仅损耗电池的能量，而且发热问题难以解决。

而根据特斯拉专利可以看到 4680 电池的结构中正负极上分布着均匀的极耳，这样大大缩短了极耳间距，比如 2170 电池电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约 900 mm，而 4680 的正负极薄膜是 2170 电池的 4—5 倍，如果依然采用单极耳，那么电子的路径会长达 3.8 米，内阻也会相应增加 4 倍，而全极耳的方案能让这一路径缩短为电池的高度，即 80 mm，根据特斯拉的介绍，4680 电池内阻发热只有 2170 电池的五分之一。再加上全极耳大大增加了电流通路，这样电子更容易在电池内部移动。

V3 超充下，4680 电池的预估充电速度要快于 2170 电池，在 V4 超充下预计差距将更明显

因此全极耳的 4680 电池就具备了大功率放电和超充的天赋，根据 Insideevs 的研究报告，400 V 的 4680 电池系统充 70% 电量需要 15 分钟，而采用 800 V 电池系统的保时捷 Taycan 和现代汽车的 IONIQ 分别需要 18 分钟和 22 分钟。未来如果 4680 电池采用 800 V 电压系统，充电速度还会更快。

高镍正极 + 高硅负极：单体能量密度达到 300 Wh/kg 的关键

目前特斯拉的 4680 电池正极采用的仍是 NCM 811 高镍方案，这个大家已经比较熟悉了，未来 4680 正极还会向更高比例的镍（如 NCM 9) 以及「无钴」和「四元」方面演化。

正极方面的变化不大，要实现更高的能量密度，负极也十分关键。目前绝大多数电池都是石墨负极，但石墨的理论比容量为 372 mAh/g，实际上已经达到了约 330—370 mAh/g，已经触及天花板。而硅的比容量能达到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在负极掺入一定比例的硅一直是电池能量密度突破的方向。

2020 NIO DAY 上，蔚来 150 度电池的 PPT 上显示了硅碳负极以及高镍正极，实现高能量密度大家殊途同归

实际上早在 2017 年搭载 2170 电池（来自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已经引入了「掺硅」的技术，只是比例还比较小（大约掺了 5—6% 的硅合金），对能量密度的提升还不太明显。国内也有一些厂商已经采用「掺硅」的负极，比如 CLTC 续航能达到 1,000 km 的广汽埃安 LX 144.4 度的大电池的负极就掺了一定比例的硅，另外智己汽车还有蔚来即将在第四季度量产的 150 kWh 的「固态」电池也用了这一技术。

虽然说「掺硅」能立竿见影地提升能量密度，但硅先天不如石墨稳定容易膨胀，一般碳基负极在嵌锂反应中体积的膨胀不超过 10%，而硅基则能膨胀 360%，从而引发 SEI 膜破损等副反应，导致电池容量衰减。

相对来说，圆柱内部的应力在各个方向上都很均匀

相对来说 4680 电池的结构更适合「掺硅」，首先圆柱电池极片卷绕的特点可以尽量使极片各个位置膨胀力均匀， 减少破损和褶皱的出现，方型和软包电池在 R 角处易出现应力集中而导致的破损和褶皱，另外 4680 电池的不锈钢壳体机械强度大，可充分吸收负极的膨胀力。因此理论上 4680 电池负极中能掺入更多的硅，预计能达到 10% 以上，能量密度从而有显著提升。

CTC 技术：天生好搭档

从第一性原理出发，要提高电池包的能量密度，「中间件」肯定越少越好，打个比方想让一个盒子里装最多的鸡蛋，最好是把鸡蛋托盘去掉，也就相当于把模组件去掉，更极端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技术了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。

4680 电池与 CTC 技术相结合，座椅直接装在电池上方

而 4680 电池天生就有这个潜质，首先 CTC 对电池的结构强度有一定的要求，电池本身要承担不小的机械强度，相比于 18650 和 2170 电池，4680 单体电池更大结构强度更高，并且一般方壳电池是铝壳的，而 4680 外壳是不锈钢的，天生结构强度就有保证 。另外采用 CTC 技术基本意味着告别维修和更换了，如果发生激烈的碰撞或电池的一致性出现问题，那么可能就只能换车了，而圆柱电池的一致性一直是优势所在。最后相对比方壳电池，圆柱电池的布局会更灵活，能适应各种不同的底盘，再结合全极耳高能量密度高充放功率的优势，未来在 HEV 和 PHEV 领域的潜力也非常大。

除了全极耳电池、高镍 + 高硅以及 CTC 技术外，特斯拉 4680 电池还有其他一些技术的应用，比如在隔膜上涂抹 PVDF 防止硅负极膨胀，负极添加硅纳米管提升导电性，另外特斯拉第二代 4680 电池还可能用上干电极的工艺，总之这次特斯拉是要把牙膏挤爆了，就看对手们如何接招了。

4680 圆柱电池 VS CTP 方形电池，宁德时代危矣？

中国市场方形电池一枝独秀，海外市场圆柱、方形、软包三足鼎立

数据显示 2019 以来，中国动力电池市场方形电池一直占据着 80% 左右的份额，宁德时代占据了其中的一半以上，4680 电池首先冲击的自然也是宁德时代。

这里先抛开国内主要围绕奔驰等欧洲客户展开的软包电池，重点对比下 CTP 方形电池和 4680 圆柱电池的优劣势以及发展趋势。

4680 电池的排布形式

首先从结构上方形电池的成组效率是明显优于高于圆柱电池的，预计优秀的 CTP 方形电池能达到 80%—90%，4680 + CTC 能达到 70% 以上，这点也不难理解，4680 电池虽然比之前大了不少，但跟大的方形电池比还是很小的，一辆 Model Y 上大约需要 960 颗 4680 电池，换成方壳可能只需要 6 到 10 块，数量越少，与化学物质无关的其他部件占比就越低。

大众的 CTP 三元方形电池包

不过由于方形电池单体电芯大，并且是面接触，这样就给方形电池的散热和热失控防护带了很大的难度，因此方形电池三元电池正极并不太适合往超高镍的方向发展，同时上面说到方形电池的负极不适合添加太多「硅」，因此方形电池的单体能量密度无法做得太高。

而圆柱电池因为单体电芯小，本身比较容易散热，再加上全极耳的应用让热量集中在下面更容易针对性散热，因此可以采用比较激进的高镍方案，再配合高硅负极，单体能量密度能达到 300 Wh/kg，未来如果采用超 90% 比例镍的正极，单体能量密度能达到 350—400 Wh/kg 。

这样下来，虽然方形电池的集成效率高，但 4680 圆柱电池的单体能量密度高，综合下来，二者的系统能量密度差不多。

而圆柱电池作为已经商业化超过 30 年的品种，工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资成本等方面都有一定优势。比如良品率方面，松下的 2170 电池能达到 99% 以上，相比方形电池能达到 90% 就已经是非常优秀的水平了。

另外在生产效率方面，同样采用卷绕工艺的话，圆柱电池同心圆卷绕的特性先天效率就高出不少，比如按照亿纬锂能最新的产线，每分钟可以生产 200 颗 2170 电池，而类似产线的方形电池 200 Ah 以内的一般一分钟能生产 10—12 个、200 Ah 以上的大方形一分钟产量不足 10 个。如果是一台搭载 80 度电的新车，圆柱电池的生产大约需要 20 分钟，而方形电池则需要 30 分钟。

如果 4680 电池大规模量产顺利，预计 2024 年后每 kWh 的 4680 电池成本比三元方形电池便宜 50—100 元，一辆 100 度电池的电动汽车成本能低出 5,000—10,000 元。

因此从三元电池体系（包含无钴电池、四元电池）的角度来看，如果 4680 电池的良品率能快速提升，将凭借一定的成本优势，同时超高的充放电功率，在中高端市场将逐步对方形三元锂电池形成替代效应。

而在中低端市场仍以磷酸铁锂电池为主，而磷酸铁锂先天就比较稳定不容易热失控，因此就更适合集成效率高但不容易散热的方形电池。因此未来的局面很可能是一些高端车型开始逐步使用 4680 三元电池，中低端则以 CTP 方形磷酸铁锂电池为主。

比亚迪刀片电池，汉 EV 上的刀片电池还采用了叠片工艺

那么宁德时代就要面对 4680 电池和比亚迪刀片电池两面的夹击了，比亚迪本身就是以电池起家的，再加上多年来一直专攻磷酸铁锂电池，随着弗迪电池的产能开始大幅扩张，这里可以参考文章《收下蔚来、小米，弗迪的进攻才刚开始》，势必要吃掉一部分宁德时代的份额。

宁德时代 CTP 3.0 麒麟电池，宣传三元锂和磷酸铁锂的系统能量密度分别能达到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能实现无热扩散的最高安全要求

不过在刚刚过去的电动汽车百人会 2022 上，宁德时代也给出了反击——CTP 3.0 版本的麒麟电池，能不能守住目前绝对的龙头地位，具体就看 CTP 3.0 的落地效果与降本增效的速度了。

哪些车企、电池厂在跟进布局大圆柱电池？

目前从车企端来看，主要推动者还是特斯拉，2022Q1 特斯拉已经开始试生产，年底前能交付部分 4680 的 Model Y 给消费者。真正的爆发期还是在 2023 年后，跳票已久的 Cybertruck 、Roadster 2 以及重卡 Semi 也将全部来到我们身边。宝马的 4695 电池给出的量产时间则是 2024 年以后，或许会成为宝马未来的纯电平台「Neue Klasse」的主力电池。

美国造车新势力 Lucid 也采用 2170 圆柱电池

另外目前海外已经有不少采用圆柱电池的厂商，比如美国的新势力 Lucid 和 Rivian 目前采用的是 2170 电池，未来过渡到 4680 电池也是非常自然的。

LG化学，在动力电池领域全球的份额仅次于宁德时代

而在电池厂商这端，海外主要是特斯拉和日韩的电池厂商，包括松下、LG 化学、三星 SDI，松下和 LG 化学计划 2023 年量产，三星 SDI 计划 2024 年量产，另外还有一家以色列公司 Storedot 同样计划 2024 年量产 4680 电池。

国内宁德时代目前规划了 12 GWh 的 4680 电池产能，研发节奏正在加快，预计 2024 年开始量产，客户可能是特斯拉和宝马；比克电池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出过大圆柱产品，预计 2023 年量产；亿纬锂能预计 2024 年可实现 4680 电池的量产，规划产能 20 GWh，同时还有去欧洲匈牙利建厂的计划。

综合来看，相比于从 18650 到 2170 的升级，4680 电池这次是把牙膏挤爆了，基本确定了圆柱电池的发展方向，也有望引领圆柱电池的市场份额对方形电池实现快速追赶。不过 4680 电池仍然面临诸多工艺难题，比如全极耳电池激光焊点至少是 2170 的五倍以上，对精度要求非常高，同时全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度要求也更高，未来对 4680 电池的发展重点关注特斯拉、松下、LG 化学等企业的良品率什么时候能稳定在 90% 以上。