【工艺】锂电三国，数封流路线，还看4680！

一、4680：吹响圆柱电池升级的号角

（一）发展历史复盘：技术路线三分天下，胜负难分

1、圆柱电池发展历史复盘

索尼：最早发明者，最终退出行业。1992 年发明锂离子电池，一经推出就以超高的能量 密度碾压传统镍氢电池，1994 年索尼成为最大笔记本生产商戴尔的电池供应商，2006 年某会议上戴尔笔记本着火，索尼召回 1000 万块电池，而后韩国和中国电池生产商崛起， 索尼深陷亏损泥潭，2016 年出售锂电业务。松下：与特斯拉相互成就。1994 年研发锂离子电池，1997 年丰田 Prius 采用松下圆柱 18650 电池，2008 年收购三洋电机，并供应特斯拉 Roasder，2010 年押注等离子电视巨亏，转 型动力电池并入股特斯拉，2014 年美国建厂，与特斯拉相互成就。LG：牵手特斯拉迎来高光时刻。1999 年就量产了 18650 电池，但直到 2019 年才进入特 斯拉供应链。SDI：大公司小业务。1999 年量产业内最大容量 1.8Ah 电池，曾经在笔记本电脑市场中 占有优势地位，但在动力电池中一直踌躇不前。

2、方形电池发展历史复盘

SDI：昔日方形电池的龙头老大。1999 年开发出方形动力电池，2009 年成为宝马动力电 池供应商，2016 年因中国白名单政策，转向欧洲布局，锂电池业务在公司营收占比较低。CATL：补贴政策的最大受益者，崛起的万亿龙头。2011 年因被宝马相中，独立出来专 做动力电池。2014 年因补贴政策出货量剧增，2014 年转向研发高能量密度三元材料，2016 年白名单政策以及补贴政策倾向高能量密度材料，出货量得到突破。BYD：1995 年公司成立，1997 年手机电池全球出货量第 4，2003 年进入汽车领域，2006 年研制 F3e 纯电动轿车，2009 年量产纯电动客车，2010 年纯电动乘用车 e6 量产，受益 于补贴政策，成为国内龙头，2016 年补贴政策倾向三元材料，叠加 BYD 不外供电池， 出货量占比日益降低，2020 年发布刀片电池和 DMI 车型，市占率持续走高。

3、软包电池发展历史复盘

AESC：早期的王者，点错了科技树。2007 年成立，专注于锰酸锂技术路线，2010 年搭 载 AESC 的经典车型日产 Leaf 上市，创造了 9 年零电池安全事故的质量佳话。2017 年 因锰酸锂优势不再，AESC 不再是 Leaf 独家供应商，2019 年被远景收购。LG：软包电池集大成者。LG 在手机电池中沉淀多年，2009 进入动力电池市场，首款车 型为现代混动车型，2010 年配套雪佛兰 Volt，2017 年雪佛兰 Volt 和 Bolt 销量突破 5 万 辆，2018 年和大众合作开发 MEB，LG 软包电池达到鼎盛，2021 年现代和通用因电池安 全问题召回，大众电池日宣布选择方形标准电芯，软包电池遭遇挫折。

（二）发展历史复盘：技术路线三分天下，胜负难分

评判技术路线一定要在系统/整车的角度评估，不能将单体电芯的优劣推演至系统：电芯能量密度高≠系统能量密度高，软包电芯的能量密度高，但在系统级别软 包电池的结构件重量远高于硬壳电池，使得系统级的能量密度差异不大。电芯安全性好≠电池系统安全性好，在电池包内电芯的散热路径、紧固状态、 高压连接等都会影响热失控防护效果，软包电池在电芯级安全性能优于硬壳电 池，但系统级防护难度和成本也很高，整体上并无明显优势。

（三）圆柱电池生产工艺，全极耳工艺不成熟影响良率

圆柱电池生产工艺在三种封装方式中最为简单，生产效率最高。主要的生产工艺包括：配料、涂布、碾压、模切、卷绕、焊接、等工艺。

4680 全极耳电池生产工艺的难在于：模切：全极耳电池在进行极片涂布时，会在集流体边缘预留空箔区，经过辊压 和分切后，将集流体边缘的空箔区切割成多个极耳，再进行卷绕。激光切割极 耳存在以下问题：①极片在切割时容易抖动；②切割后废料不能有效排出问题；③模切长度和次数远高于常规极耳。揉平：在 4680 圆柱电池制造工艺中，需要对电池卷芯的全极耳进行揉平，待电 池卷芯的断面平整后再与极板焊接。揉平过程中难点极多：①揉平速度过快时， 极片外翻；②揉平速度过慢时，生产效率低；③揉平时产生金属屑较多，导致 内部短路；④活材料脱落等问题；⑤摩擦产生大量粉尘；⑥产生极耳褶皱。焊接：4680 电池极耳焊接由于极耳数量增多使得焊接量增大。电芯焊接中道工 艺一般有极耳的焊接(包括预焊接)、极带的点焊接、电芯入壳的预焊、外壳顶盖 密封焊接、注液口密封焊接等。焊接周长和时间增加了，全极耳和集流体的留 白空间有限，有热堆积效应，会影响一致性，焊接过程中容易产生热堆积。模切：通过分切机，将碾压后的极片卷料按照实际需求，分切成制作电池所需 的宽度。4680 电池是直接在空箔上切割极耳成型，对高速制片设备提出了更高 的激光切割精度、速度、质量要求。

4680 全极耳电池部分解决方案：模切：将正负极全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，不仅能够在揉平过 程中杜绝极片外翻，在与电池外壳组装时，不易刮伤电池外壳的内壁；且能够 减少金属屑的产生，避免短路；同时，这种平行四边形结构能够有效减少揉平 时的辊压力，从而避免活性材料的脱落，大大提高良品率。揉平：各厂家揉平工艺差别极大。CN 11356039 A 的专利显示，在全极耳外套 上揉平套，揉平头一边自转一边接近揉平套，待接触揉平套后直接碾转作用在 揉平套上，并带动揉平套弹性变形而将碾转力传导作用于全极耳上完成揉平；由于揉平头不再直接接触全极耳，故能有效防止将全极耳部分揉碎，从而消除 对产品质量的影响，也更好的提高了良品率。CN 110518184 B 的专利显示：超 声波揉平对电芯的端面进行超声波的预处理揉平，然后进行机械揉平。超声波 揉平包括设置在电芯两端的超声波揉平头，超声波揉平头上有凹槽，电芯两端 插入对应的超声波揉平头的凹槽中。电芯输送入超声波揉平单元，超声波揉平 头对电芯两个端面进行振动揉平，可以实现平整效果，提高电芯端面紧实度， 为后续机械揉平做好准备。机械揉平头为陶瓷揉平头。机械揉平头对电芯进行 旋转挤压揉平。只利用超声波揉平会导致揉平端面不够平整的缺陷。CN 213878154 U 专利则选择在涂布之后再边缘空白处涂抹绝缘材料，绝缘材料与 活性物质水平高度一致，使得卷绕后集流体形成完整平面，无需进行揉平处理；焊接：极耳焊接当前通常采用激光器进行焊接。精确调整焊接速度、焊接深度、 焊接宽度等优势，适应不同材质及产品的焊接，达到精准焊接，质量更可靠， 外观更整洁。

（四）众多因素影响圆柱电池发展，4680 专为动力电池设计，克服多种缺陷

圆柱电池发展缓慢的原因分析：1) 优质供给少：国内一线企业比亚迪和宁德时代都是方形电池技术路线，二线电池企 业技术不成熟，市场占有率低。2) 下游车企少：18650 电池本身是为消费电子设计的，最初并未考虑运用在汽车中， 电芯尺寸很小，系统集成难度极高。Model S 集成 7000+个 18650 电池的难度超高， 即使放在今天，大多数车企也无法成熟运用 7000+节电池，导致车企望而却步。3) 成本高昂：由于圆柱电池单颗电芯容量小，非活性物质占比高，降本速度低于方形 电池。4) 路径依赖：2014-2016 年中国补贴政策推动商用新能源车飞速发展，而商用车电池空 间大，如果使用圆柱电池，则需要至少上万节电池，商用车企业自身技术实力薄弱， 无法驾驭如此庞大数量的电池，补贴政策时间窗口有限，抢装潮下自然选择集成难 度最低的方形电池，2016 年的动力电池出货量前 2 名为 BYD、CATL，从那时起就 是双强局面。

以上问题有望得到缓解，我们认为 4680 将加速圆柱份额提升：1) 优质供给增加：白名单放开，万亿龙头入场。2019 年 6 月 21 日《汽车动力蓄电池 行业规范条件》正式废止，意味着中国动力电池市场正式向国外电池企业开放，LG、松下等可以为中国市场提供优质的圆柱电池。国内宁德时代、亿纬锂能已经投入 4680 圆柱电池研发，目前已经公开表示投入 4680 电池研发的企业包括：特斯拉、LG、 三星 SDI、CATL、亿纬锂能等。2) 电池数量降低，集成难度降低：特斯拉现在使用的是 4416 节 21700 电池，将来会使 用 960 节 4680 电池，系统集成门槛大幅降低。3) 容量增加，成本差距缩小：4680 圆柱电池容量是 21700 电池的 5 倍，叠加圆柱电池 生产效率高、良率高，采用更高镍含量的正极材料和更多的硅负极，4680 电池的成 本与方形电池的成本差距缩小。4) 宝马率先切换圆柱电池：在 BMW Gen6 的电池系统中将会采用圆柱电芯。作为 CATL 的伯乐，宝马曾坚定不移的选择方形电池技术路线，现在带头切换至圆柱电池技术 路线，必定也将深刻影响其他车企。

二、安全性能：圆柱电池具有天然优势，Model 3 极限工况实测

（一）滥用工况：相同化学体系下，圆柱电池系统最安全

《前瞻新技术之一：动力电池无热蔓延技术》中详细分析了热失控防护的主要设计 包括：热、冲击、气体、电压、液体和固体等。

热：圆柱电池显著优于方壳及软包电芯

圆柱电池的单体电芯容量远远低于方形和软包电池。1865/2170/4680 的单体电 芯容量约为 2.5/4.8/26Ah，而同时期方形铝壳电池基本在 50-300Ah，软包电池 基本在 30-100Ah。圆柱电芯的接触面积为零，与方形、软包电池差异很大。同时由于圆柱电芯之 间存在缝隙，电芯间填充隔热灌封胶，电芯的接触面积是零，若某个电芯发生 热失控，热量必须经过灌封胶再传递至周边电芯。但方形电池和软包电池是大 面接触，传热面积很大，对隔热的要求很高。

冲击：泄压阀朝下设计，安全性显著高于泄压阀朝上的普通方形电池

电芯开阀后气、液、固混合物高温高速冲击，特斯拉圆柱电池的泄压阀朝下设 计，完美避开电池包上盖无法承受冲击力的问题。

气体：底部悬空形成天然烟道，实现高效泄压。电池包内部形成高压，设计应该考虑良好的烟道、泄压阀，否则内部压力过大 会造成结构件撕裂。而高温烟气的路径只经过电池包底部，电池托盘的结构强 度远远高于上盖，风险较低。电压：热电分离。所有高压零件均超上方，泄压阀朝下方，在热失控时高温烟 气不会威胁到电芯上方的高压零件，短路风险低。液体和固体：在热失控时朝下喷发的导电材料不会威胁到上方的高压零件，仅 需要考虑堵塞泄压阀的风险。

（二）极限工况：Model 3 实车 90min 激烈驾驶+快充，仅小幅触发降温措施

1、特斯拉电池热管理优势明显

特斯拉 Model 3 采用圆柱电池在极限工况保持电池热安全具有天然优势：1）单个电 芯很小，保证电芯内部温度场均匀性极佳；2）冷却管路覆盖面积极大，保证电池 pack 内不同电芯的温度均匀性；3）通过优秀的热管理措施，能够在极短的时间内将热量迅速 排出。特斯拉整车热管理设计理念领先：通过制冷模式下冷却液在 Superbottle 智能冷却液 储罐的管路切换阀和水泵驱动下，分别分两路进入电池和功率电子进行冷却，最后经 Superbottle 集成的散热器将热量释放至空调系统。电池液冷回路包括两条散热途径：1） 换热器+散热器+风扇回路，实现间接风冷+能耗低；2）换热器+空调系统，实现空调强 制快速冷却。

Model Y 比 Model 3 热管理系统进一步升级。Model 3 采用四通阀，将电池和电驱 电控的热管理系统整合，甚至利用电机堵转降低效率的方式来加热电池，但座舱依然需 要 PTC 加热。Model Y 把两个四通阀叠加组成八通阀，将空调和三电整合起来，实现 十二种制热和三种制冷模式。前舱散热器从两个减少到一个，完全依靠复杂的控制策略 来实现热量的合理分配。Model Y 取消 PTC， 加热改用热泵，同时还加入了一个压缩 机，它也可以直接产生热量，功率与主流 PTC 相当（5-6 kw），所以可提供足够的制热 功率。

2、Model 3 连续极限工况测试电池未开启强制冷却

采用双电机版本 Model 3 进行实车极限工况测试，探索 Model 3 在极限工况下的热 安全措施，按照冷却系统措施可区分以下等级。

Model 3 实车极限工况测试表现优异，电池未出现过温、限流情况。Model 3 是运动 型车型，对车辆在激烈驾驶中的表现有严格的要求，通过实车测试发现，在长达 90min 的极限工况下，电池 SOC 从 90%降低至 39%，电池温度从 29℃上升至 52℃，电池始终 未出现过温、限流等情况，说明该工况未探测到 Model 3 的极限工况下热安全性能极高。

在工况 1~4 连续 60min 的激烈驾驶条件下，空调压缩机全程未开启，说明 Model 3 的热管理能力极强，完全不需要空调介入。取工况 4 中的数据进行分析，电池 SOC 由 61.2%降低至 55.5%，电池温度由 38.5℃上升至 41℃，冷却液流速未发生变化，空调压缩 机全程未开启。

连续激烈驾驶 65min 后，工况 5（连续 60~100kpm 急加减速）中才勉强触发热管理 动作，压缩机未满功率运行，说明连续 90min 的激烈驾驶完全未触及 Model 3 性能上限。工况 5 可区分为 4 个阶段：1）电芯温度缓慢提升，冷却液维持低流速，压缩机未开启；2）电芯温度提升至 45℃，冷却液间歇性高流速，压缩机间歇性开启；3）电芯温度提升 至 48℃，冷却液维持高流速，压缩机连续性小功率（~0.3kw）开启，4）驾驶工况趋缓， 电芯温度维持 47~48℃，冷却液流速逐渐降低，压缩机关闭。

连续激烈驾驶后进行快充，电池最高温度 49.5℃，空调压缩机未开启，完全未触及 Model 3 性能上限。快充可分为 4 个阶段：1）电芯温度缓慢提升，冷却液维持低流速 6L/min， 压缩机未开启；2）充电至 53.7%，电池温度提升至 43℃，冷却液流速提升至 8L/min， 维持一段时间后继续提升至 14.5L/min，之后缓慢降低至 6.5L/min，压缩机未开启；3） 45A 恒流充电，电芯温度维持在 49.5℃，冷却液维持低流速，压缩机未开启，4）乘客舱 开启空调，电池涓流充电，冷却液与入水口温度动态调整，电池温度缓慢降低至 45.5℃。

圆柱电池在极限工况中的热性能优势：1）整车上限极高，充分利用圆柱电池冷却面 积大的特点，普通工况根本不需要空调为电池降温，只在极端工况下开启空调压缩机为 电池降温；2）有助于降低整车能耗，提高乘客舒适度；3）电池温度场分布均匀，有助 于提升电池寿命。总结：圆柱电池安全性能更优。1) 滥用工况：圆柱电池单体释放能量最低，单位散热能力、与周边电芯的隔热能 力最强，热失控防护难度和成本最低。2) 极限工况：Model 3 实车测试，连续 90min 激烈驾驶+快充，电池最高温度 49.5℃， 空调仅短暂小功率开启，Model 3 电池热安全性能上限极高。

三、快充性能：大电流+高电压是快充终极路线，4680 更有优势

（一）手机快充复盘：高电压+大电流快充是趋势

充电速度慢曾经也是手机的痛点，复盘手机快充的发展历史有助于理解汽车快充的发展 方向。根据 P=U*I，提升快充有三种方式：1）电流不变，提升电压；2）电压不变，提 升电流；3）电压、电流二者都提升。1) 第一阶段（2007-2013）：5W 慢充时代，电池可拆卸。2007 年 iPhone 4 的发布标志 着移动设备进入智能机时代，但随着智能手机功率越来越高，手机电池的发展速度明显 无法满足需求。2) 第二阶段（2013-2016）：快充萌芽时代，高电压和大电流两条技术路线。小米、华 为、高通都尝试增加电压来提升充电功率，功率基本都在 10W 左右，主要原因是 Micro USB 2.0 只能承受最大电流 2A。2014 年 OPPO 选择特立独行，直接彻底改造充电头和 数据线，将 Micro USB 的针脚从 5pin 增加到 7pin，使用能承受 4A 的特制线材，充电头 也整合了 IC 电路，实现大电流快充，最大功率 22.5W（5V-4.5A），“充电五分钟，通话 两小时”的广告词家喻户晓。3) 第三阶段（2016 年至今）：快充起飞时代，技术路线：高电压+大电流。接头、线材、 电池、充电器全方位进化，充电时长也从 3 小时缩短至 30 分钟以内。所有的厂商都不约 而同的选择同时提升电压和电流，OPPO 125W（10V-12.5A），小米 120W（20V-5A），华 为 66W（11V-6A）。

（二）新能源车快充：仅靠 800V 快充不尽人意，800V 搭配大电流才最快

首款 800V 车型保时捷 Taycan 快充能力不尽人意。实际快充测试结果显示：Taycan 最大 快充功率 262kw，与特斯拉 Model 3 的最大快充功率 250kw 并未拉开差距，其中 特斯拉 的快充电流受限于充电桩，而非电池本身。充电至 30%SOC 后 Model 3 的充电功率开始 急剧下降，保时捷 Taycan 在后段显现优势。Taycan 的补能速度低于 Model 3。Model 3 最高补能速度 900km/h，优于 Taycan 的 600km/h。Taycan 车身重量和电池容量均远高于 Model 3，但续航却低于 Model 3，Taycan Turbo S 电池 93.4kw，车身重量 2370kg，NEDC 续航 412km。Model 3 performance 电池 76.5kwh， 车身重量 1836kg，NEDC 续航 605km。

整车平台电压提升到 800V 已经成为共识。受限于硅基 IGBT 功率元器件的耐压能力，之 前电动车高压系统普遍采用的是 400V 电压平台。基于该电压平台的充电桩中，充电功 率最大的是特斯拉第三代超级充电桩，达到了 250kW，工作电流的峰值接近 600A。如果 想要进一步提高充电功率、缩短充电时间，就需要将电压平台从 400V 提升到 800V、1000V 甚至更高的水平，来实现高压系统的扩容。800V+大电流才是最强快充。根据 P=U*I ,同时提高电压和电流才是最佳解决方案，参考 手机快充复盘，我们预估汽车快充的最终方案也是高电压+大电流技术路线。8 月 30 日， 广汽埃安发布了“充电 5 分钟，续航 200 公里”的快充技术以及 480kw 超充桩，实车测试 结果显示，800V 车型最高充电功率 476.7kw，对应电压和电流分别为 851.8V 和 560A。400V 车型最高充电功率 240kw，对应电压和电流分别为 457V 和 525A，800V+大电流方 案显示出明显优势。

大电流快充电池发热严重，全极耳圆柱电池更适合大电流超充。根据基本定律 Q=I2*R， 500A 充电的发热量是 100A 充电的 25 倍，如何快速将热量传递出去，是实现大电流快充 的瓶颈。相比于圆柱电池，方形电池具有以下缺点：1）方形电芯散热路径长，方形电池 体积和容量远大于圆柱电池，极柱热量和内部中心热量传递到水冷板的传热路径远大于 圆柱电池；2）电芯内部温差大，进而影响电池一致性、安全性能、电化学性能。50Ah-LFP 方形电芯经过 3C 快充后极柱温度 64℃，电芯壳体最低温度 39℃，电芯内部最高温度 54℃， 最大温差达到了 25℃，而 18650 圆柱电芯 2C 放电后内部温差仅 1℃；3）电芯内部曲率 差异较大，方形电池内部存在多个卷绕，卷绕折角处与中心为的曲率半径不一致，导致 材料界面不一致，不同位置的材料快充能力不一致。

（三）全极耳：集流体内阻下降 3 个数量级，解决大电流快充发热问题

18650 电芯设计之初并未考虑到应用于电动车领域，电芯过流能力有限。根据电芯 实物拆解信息， 18650 电芯仅依靠一根焊接极耳汇集电流。正负极紧靠正极极片中间有 一根焊接的极耳，而负极极片最侧边有一根焊接的极耳，所有电流均汇集到极耳处，然后再导出到电池外部。这也造成了焊接极耳位置电流最大。

全极耳方案提高导电/热面积，降低内阻，实现更大的充电电流。全极耳简化了电池生产 过程中的绕制和涂料流程，提高导电面积，降低电芯内阻及发热，提升充电速度。

大倍率充放电时正负极极耳温度最高，是快充的瓶颈。根据电池热仿真数据显示，18650 电池在常温开放环境中进行 2C 放电，正极极耳与负极极耳的温度最高，达到了 308.7 K。而特斯拉 V4 功率达到了 350kW，最高充电倍率约 5C，发热更为严重，现有的极耳设计 无法满足大倍率充电的热管理要求。

全极耳铜箔内阻为常规极耳铜箔内阻的 1/3602。集流体内阻的计算公式为 R=ρL/3S，常 规极耳和全极耳的电子传输距离 L 分别为：4506/75mm，集流体横截面积分别 S 为：8μm*75mm 和 8μm*4506mm，等效内阻分别为：2.5E6*ρ 和 6.94E2*ρ。全极耳铝箔内阻为常规极耳铝箔内阻的 1/825。常规极耳和全极耳的集流体内阻计算公式 分别为R=ρL/12S 和 R=ρL/3S，正极常规极耳和全极耳的电子传输距离分别为：4319/73mm， 集流体横截面积分别为：15μm*73mm 和 15μm*4319mm，等效内阻分别为：3.29E5*ρ 和 3.76E2*ρ。

全极耳设计的产热速率、局部温度分布、电流密度分布等均优于单极耳。在单极耳电池 中，集流体极耳区域的初始产热速率明显高于集流体其余部分，温度和电流密度分布不 均匀。全极耳设计中，1C 放电 60 秒后，由于电子传输路径短，较小的局部电阻，温度 和电流密度分布更加均匀。由于温度和电流之间的正反馈，随着放电的进行，初始的不 均匀性进一步加剧。因此，单极耳的温度和电流密度标准偏差迅速增加并高于其他设计。

对于全极耳设计，产热速率比单极耳低两个数量级，从而减轻不均匀性。尽管电池核心 和电池表面之间存在轻微的温度梯度，但整个电池的温度大多是均匀的。

总结：1) 手机快充复盘：初期有大电流和高电压两条路线，但最终路线均为高电压+大电流。2) 预计汽车快充最终路线：高电压+大电流，全极耳为大电流快充而生。Model 3 电压 350V，最大功率 250kw，保时捷 Taycan 电压 800V，最大功率 262kw，单纯提高电压无 优势。各车企密集发布高电压+大电流快充技术，最大功率 480kw。全极耳圆柱电池更适 合大电流快充。3) 全极耳集流体内阻降低 3 个数量级，解决大电流快充发热问题。铜/铝箔内阻为常规 极耳铜/铝箔内阻的 1/3602 和 1/825。