比亚迪刀片电池 vs. 特斯拉4680电池
标题：Contrasting a BYD Blade prismatic cell and Tesla 4680 cylindrical cell with a teardown analysis of design and performance
作者：Jonas Gorsch, Julius Schneiders, Moritz Frieges, Niklas Kisseler, Domenic Klohs, Heiner Heimes, Achim Kampker, Marina Muñoz Castro, Eleonore Siebecke
发表：Cell Reports Physical Science, 2025, 6: 102453
标签：电动汽车电池、锂离子电池、比亚迪刀片电池、特斯拉4680电池、电池设计、电池性能、材料分析、热管理、制造工艺
该研究通过拆解分析比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池，对比了两种电池在设计、材料、性能及制造工艺等方面的差异，为下一代锂离子电池的设计提供了参考。
电池总体信息如表1所示。
图1展示了两种电池的外观特征、尺寸和形状
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）：
形状：棱柱形。
尺寸：高度90mm，长度965mm，厚度14mm。
外观特点：具有螺纹端子，电池组装易于拆卸的连接。电池两侧还有销钉，可能用于在电池组组装时的机械定位。电池的铝外壳用粘合的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜绝缘。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）：
形状：圆柱形。
尺寸：直径46mm，高度80mm。
外观特点：电池盖/正极通过密封圈绝缘。电池的填充孔通过铜制盲铆钉封闭。电池的外壳是镀镍钢壳，没有直接的外壳绝缘。
图2通过简化示意图展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池的机械结构和内部组件布局
图3展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池内部电极配置和特征。
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
形状：棱柱形。
内部结构：电极堆叠采用Z形叠片设计，包含38片双面涂覆的正极片、39片双面涂覆的负极片和79层隔膜（一张连续折叠的隔膜）。隔膜的超出于电极的部分经过层压处理，以确保每个正极和负极片的固定。在层压的堆叠边缘上方，通过粘合胶带固定了一条塑料片。接触组件的两端也通过粘合胶带固定到叠片芯上。整个堆叠芯和接触组件的塑料支架被包裹在透明的绝缘袋中。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
形状：圆柱形。
内部结构：采用卷绕式（jelly roll）结构，电极和隔膜被卷绕在一起，然后通过顶部和底部的两条粘合胶带固定。卷绕结构的中心是空的，在生产过程中通过中心空腔将正极极耳与电池端子进行点焊连接。电池盖/正极通过密封圈绝缘。电池的注液孔通过铜制盲铆钉封闭。
对比与特点
泄压方向：比亚迪刀片电池向侧面泄压，特斯拉4680电池底部泄压。
外壳与绝缘：比亚迪刀片电池的铝制外壳用PET绝缘，而特斯拉4680电池的镀镍钢罐外壳没有直接的外壳绝缘。
电极连接：比亚迪刀片电池的电极有典型的极耳焊接突出箔材，从堆叠芯中延伸出来，通过超声波焊接和激光焊接连接到极柱，再连接到外部端子；特斯拉4680电池的电极边缘以一定角度切割并折叠在一起，形成箔材本身的极耳，通过激光焊接连接到极柱。
图4展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池内部的电气连接组件和接触技术
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
极耳：电池的电极有典型的突出箔材极耳，从堆叠芯中延伸出来。
焊接方式：采用超声波焊接和激光焊接相结合的方式连接电极。首先，电极层的箔材极耳通过超声波焊接连接和压实，然后将预连接的标志通过激光焊接连接到汇流排上。
空间效率：这种设计使得极耳只需要一个电极箔堆叠折叠的空间，实现了非常紧凑的接触设计。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
极耳设计：采用无极耳设计，电极的边缘以一定角度切割并折叠在一起，形成接触表面，用于连接极耳。
焊接方式：极耳通过激光焊接连接到卷绕式电极的六个三角形接触表面上。正极极耳通过点焊连接到电池端子，负极极耳通过激光焊接连接到电池外壳。
对比与特点
焊接技术：比亚迪刀片电池结合了超声波焊接和激光焊接，而特斯拉4680电池主要采用激光焊接。
极耳设计：比亚迪刀片电池的极耳设计更为紧凑，只需要一个电极箔堆叠折叠的空间；特斯拉4680电池的无极耳设计简化了电池结构，减少了材料使用，有助于降低 制造成本和提高生产效率。
图5展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池的电极尺寸和在电池内的相对位置
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
电极尺寸：正极的长度、宽度分别为899.5mm和82.5mm，负极的长度、宽度分别为904mm和85mm，隔膜的长度、宽度分别为915mm和87mm。
电极层数：电池包含38片双面涂覆的正极片和39片双面涂覆的负极片。
涂层厚度：正极单面涂层厚度为70微米，负极单面涂层厚度为65微米。
电极排列：电极采用Z形折叠设计，使得电极堆叠紧凑，减少空间占用。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
电极尺寸：正极的长度、涂层宽度分别为3215mm和72mm，涂层边缘涂胶2.5mm，侧面留白箔材5mm。负极的长度、涂层宽度分别为3305mm和73mm，隔膜的长度、宽度分别为915mm和87mm，涂层边缘涂胶2.5mm，侧面留白箔材7.5mm。隔膜长3550mm，宽75mm。
电极层数：电池包含1片双面涂覆的正极片和1片双面涂覆的负极片。
涂层厚度：正极单面涂层厚度为75微米，负极单面涂层厚度为125微米。
电极排列：电极采用卷绕式（jelly roll）结构，电极和隔膜被卷绕在一起。
对比与特点
电流路径：比亚迪刀片电池的电流通过电极箔的路径显著长于特斯拉4680电池的电极路径，这可能影响电池的内阻和发热性能。
隔膜盈余：两种电池的隔膜相对于电极的盈余重叠部分均为2mm，确保了电极之间的有效隔离。
电极对齐：正极和负极之间的对齐方式在两种电池中略有不同，特斯拉4680电池的正极和负极对齐更为紧凑，而比亚迪刀片电池则通过Z形折叠设计。
图6提出了特斯拉4680电池和比亚迪刀片电池的制造工艺，基于对两种电池机械拆解特征的分析。
特斯拉4680电池制造流程
电极生产：生产正极和负极电极片，包括涂覆、干燥和辊压等工序。负极可能使用干法电极工艺。
电极分切：将电极片分切成所需的尺寸和形状。
卷绕式电极组装：将正极片、隔膜和负极片进行卷绕，形成“果冻卷”（jelly roll）结构。
电极固定：使用两条粘合胶带将卷绕好的电极固定在顶部和底部。
极耳连接：通过激光焊接将极耳连接到卷绕式电极的六个三角形接触面上。正极极耳通过点焊连接到电池端子，负极极耳通过激光焊接连接到电池外壳。
电池组装：将固定的电极组件放入电池外壳中。
电池密封：通过边缘弯曲折边封装工艺将电池外壳密封。
电解液注入：通过电解液注液口注入电解液。
填充孔封闭：使用铜制盲铆钉封闭注液孔。
最终检测：对装配好的电池进行电气和机械性能的检测。
比亚迪刀片电池制造流程
电极生产：生产正极和负极电极片，包括涂覆、干燥和辊压等工序。
电极裁剪：将电极片裁剪成所需的尺寸和形状。
Z形折叠片：将正极片、隔膜和负极片进行Z形折叠，形成电极堆叠芯，包含38片双面涂覆的正极片、39片双面涂覆的负极片和79层隔膜。
塑料片安装：在层压的堆叠芯边缘上方，通过粘合胶带固定一条塑料片。
极耳连接：通过超声波焊接和激光焊接相结合的方式连接电极极耳。首先，电极层的箔材突出极耳通过超声波焊接连接和压实，然后将预连接的极耳通过激光焊接连接到极柱上。
绝缘处理：将整个堆叠芯和塑料支架包裹在透明的绝缘袋中。
电池组装：将处理好的电极组件放入电池外壳中。
电池密封：通过多次激光焊接步骤将电池外壳密封。
电解液注入：通过电解液注液孔注入电解液。
填充孔封闭：通过焊接封闭注液孔。
最终检测：对装配好的电池进行电气和机械性能的检测。
制造流程对比
电极组装方式：特斯拉4680电池采用卷绕式结构，而比亚迪刀片电池采用Z形折叠堆叠方式。卷绕式结构相对简单，但Z形折叠堆叠方式在空间利用上更为紧凑。
电极连接方式：特斯拉4680电池主要采用激光焊接，而比亚迪刀片电池结合了超声波焊接和激光焊接，确保了电极之间的紧密连接。
电池密封方式：特斯拉4680电池通过边缘弯曲工艺密封，而比亚迪刀片电池需要多次激光焊接步骤，尽管步骤更多，但密封效果更佳。
装配复杂度：比亚迪刀片电池的装配步骤相对更多，但其单体电池组装能量含量较高，意味着在相同生产输出下，组装单体数量更少。
图7展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池的组件重量分布和材料成本
组件重量分布
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
正极（Cathode）：重量占比约为20%。
负极（Anode）：重量占比约为25%。
隔膜（Separator）：重量占比约为10%。
外壳（Casing）：重量占比约为15%。
其他组件（包括汇流排、绝缘材料等）：重量占比约为30%。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
正极（Cathode）：重量占比约为25%。
负极（Anode）：重量占比约为20%。
隔膜（Separator）：重量占比约为10%。
外壳（Casing）：重量占比约为20%。
其他组件（包括汇流排、绝缘材料等）：重量占比约为25%。
材料成本
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
正极材料成本：主要为磷酸铁锂（LFP），成本相对较低。
负极材料成本：主要为石墨，成本较低。
隔膜材料成本：占总成本的比例较低。
外壳材料成本：铝制外壳，成本适中。
其他材料成本：包括汇流排、绝缘材料等，占总成本的比例适中。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
正极材料成本：主要为镍钴锰酸锂（NMC811），成本较高，尤其是镍和钴的价格较高。
负极材料成本：主要为石墨，成本较低。
隔膜材料成本：占总成本的比例较低。
外壳材料成本：镀镍钢罐，成本较高。
其他材料成本：包括汇流排、绝缘材料等，占总成本的比例适中。
对比与特点
重量分布对比
正极：比亚迪刀片电池的正极重量占比相对较低，而特斯拉4680电池的正极重量占比更高，这与其采用的高能量密度的NMC811材料有关。
负极：比亚迪刀片电池的负极重量占比相对较高，可能与其设计和材料选择有关。
外壳：特斯拉4680电池的外壳重量占比更高，因为其采用的镀镍钢罐较重。
其他组件：比亚迪刀片电池的其他组件重量占比相对较高，可能与其复杂的电极堆叠和连接设计有关。
材料成本对比
正极材料：特斯拉4680电池的正极材料成本显著高于比亚迪刀片电池，因为NMC811材料中的镍和钴价格较高。
外壳材料：特斯拉4680电池的外壳材料成本也较高，因为其采用的镀镍钢罐成本高于比亚迪刀片电池的铝制外壳。
总体成本：比亚迪刀片电池在正极材料成本上较低，在其他组件的成本控制上也具有优势，使得其总体材料成本低于特斯拉4680电池。
图8展示了两种电池（比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池）在1C充放电脉冲下的平均直流电阻以及两种电池的体积比发热量
平均直流电阻
测试条件：在20°C下，对两种电池进行1C的充放电脉冲测试，测量其直流电阻。
结果：
比亚迪刀片电池：在1C放电率下，其内部直流电阻相对较低，且在不同SOC（State of Charge，荷电状态）水平下，电阻变化趋势较为稳定，没有出现明显的异常波动，这表明该电池在不同电量状态下都能保持相对较低且稳定的内阻，有利于其在高倍率放电时维持较好的性能和效率。
特斯拉4680电池：在1C放电率下，其内部直流电阻高于比亚迪刀片电池，且随着SOC的增加，电阻呈现上升趋势，尤其是在低温条件下，这种电阻增加更为明显，这可能会导致电池在高SOC和低温环境下工作时，发热量增大，影响电池的性能和寿命。
体积比发热量
在1C负载下，特斯拉4680电池的体积比发热量约为比亚迪刀片电池的2.3倍。这意味着在相同的功率输出要求下，特斯拉4680电池每单位体积需要散发的热量远高于比亚迪刀片电池，因此其热管理系统需要具备更强的散热能力，以确保电池在安全温度范围内稳定工作，防止过热对电池性能和寿命造成负面影响。
对比与特点
内阻特性：比亚迪刀片电池在内阻稳定性和低电阻方面表现出优势，这与其电极设计、材料选择以及制造工艺等因素密切相关，使其在高倍率放电时能够更有效地减少能量损失和发热。
热管理需求：特斯拉4680电池由于其较高的体积比发热量，在热管理方面面临更大的挑战，需要设计更高效的冷却系统，如液冷或先进的风冷方案，以满足其散热需求，确保电池的可靠性和耐久性。
性能权衡：特斯拉4680电池虽然在能量密度和功率输出方面具有优势，但其较高的内阻和发热量需要在热管理设计上进行更多的投入；而比亚迪刀片电池则在热管理和效率方面表现出色，适合对散热要求相对较低的应用场景。
图9展示了比亚迪刀片电池和特斯拉4680电池的正极和负极的热重分析（TGA）结果
热重分析（TGA）
目的：通过TGA可以了解电池电极材料的热稳定性，观察材料在不同温度下的质量变化，从而推断其热分解行为和可能的化学反应。
方法：将电极样品加热至一定温度，并记录其质量变化。文中提到的测试条件为：在氦气氛围下，以5K/min的速率从30°C加热至500°C。
比亚迪刀片电池（BYD Blade cell）
负极 TGA 曲线
特征：比亚迪刀片电池的负极TGA曲线显示了两个明显的质量损失峰。
第一个峰（200°C至300°C）：对应于羧甲基纤维素（CMC）粘结剂的分解。CMC是一种常见的水性粘结剂，用于将活性材料固定在集流体上，其在200°C至300°C之间的分解是典型的。
第二个峰（300°C至450°C）：对应于丁苯橡胶（SBR）粘结剂的分解。SBR也是一种常用的粘结剂，用于增强电极的机械稳定性。
正极 TGA 曲线
特征：比亚迪刀片电池的正极TGA曲线在400°C至500°C之间出现了轻微的质量损失。
这一质量损失可归因于聚偏氟乙烯（PVdF）粘结剂的热分解。PVdF是一种常用于锂离子电池正极的粘结剂，在400°C至500°C范围内分解。
特斯拉4680电池（Tesla 4680 cell）
负极 TGA 曲线
特征：特斯拉4680电池的负极TGA曲线显示了两个不同的质量损失区域。
第一个区域（300°C至350°C）：可能对应于聚丙烯酸（PAA）聚合物链的链分裂反应。PAA是一种粘结剂，用于改善电极的机械性能和导电性。
第二个区域（450°C左右）：对应于PAA聚合物链进一步降解为单体。此外，在约380°C处有一个更显著的峰值，与聚乙烯氧化物（PEO）的降解一致，PEO也是一种粘结剂，用于增强电极的稳定性。
正极 TGA 曲线
特征：特斯拉4680电池的正极TGA曲线显示了两个主要的质量损失区域。
第一个区域（200°C至300°C）：可能对应于CMC和SBR粘结剂的分解反应，类似于比亚迪刀片电池的负极分解过程。
第二个区域（300°C至450°C）：进一步的质量损失可能与粘结剂的完全分解或其他添加剂的热分解有关。
对比与特点
粘结剂体系：比亚迪刀片电池的负极使用了CMC和SBR的组合，而特斯拉4680电池的负极则使用了PAA和PEO的组合。这些不同的粘结剂体系反映了两种电池在电极制造工艺和材料选择上的差异。
热稳定性：比亚迪刀片电池的正极粘结剂（PVdF）在较高温度下分解，而特斯拉4680电池的正极粘结剂分解温度相对较低。这表明特斯拉4680电池的正极在高温下的稳定性可能相对较弱，需要在热管理方面采取更严格的措施。
工艺差异：特斯拉4680电池的正极TGA曲线表明其可能采用了与传统PVdF-NMP（N-甲基吡咯烷酮）体系不同的制造工艺，这可能与其独特的电极设计和生产流程有关。
图10两种电池电极形貌
负极
比亚迪刀片电池：负极的SEM显微图显示其主要颗粒呈片状结构。这种结构通常意味着电极材料具有较大的比表面积，有助于提高电池的功率性能，但也可能增加对粘结剂的需求，以确保颗粒之间的稳定连接。
特斯拉4680电池：负极的SEM显微图显示其颗粒边缘更圆润且尺寸更大。这种结构可能意味着电极材料的结晶度较高，有助于提高电池的能量密度和循环稳定性。
正极
比亚迪刀片电池：正极的SEM显微图显示其由纳米级的磷酸铁锂（LFP）一次颗粒组成，部分颗粒聚集成微米级的二次颗粒。这种颗粒网络中还包含小尺寸的空隙（小于100纳米的孔隙）和大量的碳纳米管。碳纳米管的加入可以提高LFP材料的导电性，并在颗粒之间起到粘结作用。
特斯拉4680电池：正极的SEM显微图显示其由典型的镍钴锰酸锂（NMC）球形多晶二次颗粒组成，尺寸约为10微米。这些颗粒的堆积形成了微米级的空隙，这有助于电解液的渗透和离子的传输。
