无极耳、干电极 4680电池是怎样炼成的？

 提到纯电动车，我想续航里程一定是绝大多数消费者最关心的指标之一。目前提升续航里程的操作，无外乎都是从电池材料及电池容量大小等方面下手。在去年9月的电池日上，特斯拉首次推出了4680电池，曾一度引起了行业的骚动，但很快便由于良品率过低而沉寂，近期有报道称4680电池的良品率已经有显著提高，并有可能在2022年实现量产。说了这么多，我们就来剖析一下如此神秘的4680电池到底是“何方神圣”？它有可能再次对电池行业进行重新洗牌吗？

     
   

   

◆ 行业广泛使用的锂电池    

   

　　当下纯电动汽车使用的电池可以依照两个维度来划分。按照电池的正极材料可以分为钴酸锂、锰酸锂、三元锂以及磷酸铁锂等等；按照电池结构可以分为圆柱、方形（包括刀片电池）以及软包等等。我们经常听到的18650和21700电池，其实就是一种圆柱形电池。    

   

     
   

   

　　3.7V的18650电池一般循环寿命可达500-1000次左右，3.2V的18650电池循环寿命可达2000以上。这种电池应用范围广、容量段多，一般从1000mAh到3500mAh容量段不等。但最为常见的容量还是2800mAh左右，3000mAh以上的只有极少的占有量。特斯拉Model S以及我们日常使用的笔记本电脑、工业医疗器械以及便携式照明设备都在使用该电池。
   

   

     
   

   

　　那么4680电池与行业广泛使用的两种电池有什么不同呢？其实从18650到21700，电池企业都在试图保持圆柱造型的基础上尽可能提升电池的容量，而最直接的办法就是扩大体积。因此随着需求的不断提高，21700也已经开始成为“普通”的选择。同时体积更大，能量密度更高的4680电池应运而生。    

   

　　其实4680电池的命名方式应该和18650与21700保持一致，写为46800。但行业目前习惯省略末尾代表圆柱电池的0，所以下文以4680作为简称。它与18650和21700相比仅仅是体积的变化吗？技术上又有什么不同特点呢？
   

   

◆ 4680电池第一个牛X之处：无极耳技术
   

   

　　近日国内锂电企业亿纬锂能公告正在建设20GWh大圆柱电池生产线，据称就包括4680电池，而特斯拉此前也被报道4680电池的良品率已经从20%提升到了80%，一时激起了产业圈的广泛关注。
   

   

     
   

   

     
   

   

　　可能您不太清楚极耳是什么，这么说吧，我们日常生活中使用的5号电池您一定不陌生，正极上面突出的部分就是极耳。
   

   

　　极耳也是电池在充放电过程中最容易过热的地方，无法控制热量是电池厂商没有将电池做大的根本原因，电池越大，出现燃烧和爆炸时的威力也更大。随着新能源产业的飞速发展，使用锂电池的电动汽车发生自燃或爆炸的事故也是屡见不鲜，如果更大体积的电池发生爆炸，事故想必会更加严重。    

   

既然极耳不听话，那么就扔掉它    

   

　　为了让您能更好地理解4680电池的无极耳设计，我想我们有必要讲解一下目前广泛使用的锂电池工作原理。    

   

     
   

   

     
   

   

　　那么采用无极耳设计的4680电池工作时是怎样的呢？电子的流动就好比一群人过桥，桥就相当于极耳，当所有人都从一座桥过去时，桥要承受极大的载荷，载荷可以理解为电阻产生的热量；而无极耳设计几乎相当于把桥拆了，桥下也填平了，人们走到另一边和正常走路没两样。
   

   

     
   

   

　　通俗的理解就是由点对点传输变成了面对面传输，传导面积变大，传输效率变高，这样的设计有效避免了极耳处过电位的产生，自然可以降低热量的聚集，其实极耳自身也具有电阻，去掉极耳相当于解决了一部分的发热源。也正是由于4680电池的发热量在可控范围内，特斯拉才可以放开手脚将电池做大，同时提高充电电流来提高充电效率。    

   

无极耳有两种生产工艺    

   

　　电池为了将能量和能量密度最大化，一般都采用卷绕工艺，以便最大程度利用单体电池内部的空间。    

   

     
   

   

   

   

　　特斯拉在去年5月已经对无极耳技术申请了专利，并解释了当下电池的局限性：当前的电池使用果冻卷式设计（将多层材料平面层压成薄片后再卷起来，然后塞入壳体内），将阴极，阳极和隔膜卷在一起，通过阴极极耳和阳极极耳连接到电池容器的正极和负极端子。电流必须流经这些极耳才能到达电池单元外部的插接器。但是，当电流必须一直沿着阴极或阳极流到极耳并流出电池单元时，电阻也会随着距离的增加而相应提高。此外，由于极耳是额外的零件，因此增加了成本并带来了制造难度。    

   

技术的进步也不一定全是优点，无极耳技术依然存在一些缺陷：    

   

     
   

   

　　其实任何新技术或新产品多多少少都会有一些瑕疵或缺陷，只要利大于弊，我认为就具有一定的研究价值。
   

   

◆ 4680电池第二个牛X之处：干电极技术
   

   

　　目前传统电池在制作过程中，是需要将材料粉末倒入带有粘合剂的溶液中，干燥后压成电极材料并安装使用，并且溶剂具有一定的毒性，回收时也比较困难。因此特斯拉在对4680电池进行设计时，是通过使用干电极技术来解决这一问题的。
   

   

     
   

   

　　干电极技术相比起传统技术，在正极达到相同使用需求时，材料可以多添加一些，因为粉的密度高于液体，因此电极材料厚度也从55微米增加至60微米，这样可以增加电极的活跃度，并使能量密度提升约5%左右，进一步提升了电池循环寿命。当然，由于省了溶剂，它的制作成本也更低。特斯拉显然在很早之前就意识到谁拥有更可靠的电池技术，那么谁就掌握了未来新能源汽车的核心，所以特斯拉早在2019年就收购了全球领先的电池技术公司Maxwell，并将其开发的干电极技术用于新一代4680电池的制造中。
   

   

◆ 4680电池第三个牛X之处：无模组设计    

   

　　我们知道目前纯电动车使用的电池组都是由多个模组组成的，而在每个模组里面则是由单体电池组合而成的串联电池模块。    

   

特斯拉Model 3的21700电池组    

   

     
   

   

　　小模组面积约0.6平方米，单体电池面积约0.366平方米，单体电池占模组的面积约为61%。大模组面积约0.629平方米，单体电池面积约为0.398平方米，单体电池占模组的面积约为63%。如果模组间的空隙按10%面积计算，那么4个电池模组占用的总面积约为2.7平方米，单体电池占总模组面积比约为56.6%，电池组能量密度为170Wh/kg。
   

   

　　整个电池系统总重约474公斤，其中电池重约312公斤，小模组约86公斤，大模组约93.5公斤，上壳体、电池管理器以及其他附件共重约53公斤，下壳体、结构件、冷却管路以及线缆重约62公斤。    

   

特斯拉4680电池组    

   

　　4680电池组取消了模组设计，将单体电池和底盘集成在一起，将驱动电机、电控系统、逆变器和车载充电器等设备也集成在一起，并由重新优化过的电池管理器来分配动力。该集成技术被称为CTC（Cell to Chassis）。
   

   

     
   

   

     
   

   

　　整个电池系统总重约438kg，冷却系统与电池共重348kg，电池管理器、上下壳体及线缆经过优化共重约90kg。对比Model 3的电池布置形式，可以看出4680电池组的重量要轻了不少。
   

   

   

   

　　除了以上的技术进步外，CTC技术其实也存在一定的缺陷，那就是一旦发生事故或电池组损坏的情况将大大增加拆解维修的成本，主要因为电池组集成度较高无法选择更换有故障的模块。同时车企也要对底盘架构进行修改以匹配CTC技术，这将进一步增加整车的研发成本，而这部分成本最终会反馈到车辆价格上。
   

   

◆ 4680电池第四个牛X之处：电池一致性更好
   

   

　　我们先举个例子以便您能更好地理解电池一致性这个概念。某品牌单体锂电池的充电截止电压为3.7V，放电截止电压为2.6V，电池组内共有100节单体电池，在电池组工作时，要尽量保证每一节电池都处在相同的放电平台上（也就是电压一致），如果某一节电池率先达到了充电截止电压或放电截止电压，那么整个电池组就会显示已充满电或没电的状态（有时候在充电或放电时突然充满或突然没电就是这个原因），可以说单体电池的一致性越好，电池组的性能就越强。
   

   

   

   

　　当然这样的情况并不多见，一般电池管理器会在每次充电时对单体电池进行一致性调整。那么问题来了，您觉得是21700电池组的4000余节电池一致性更好调整呢？还是4680电池的960节更好调整？换句话说，这两种电池的布置形式哪一种出现不一致性的概率更高呢？答案想必您心里也有数吧。
   

   

◆ 未来展望    

   

　　以上提到的4680电池技术还远远不是终点，比如特斯拉目前还处在测试阶段的硅负极技术。    

   

　　目前行业内普遍使用的石墨负极，在绝对理想状态下的电池容量为372Wh/kg，而硅负极能达到石墨的十倍左右，可以说硅是非常理想的负极材料，那么硅负极技术普及的阻碍在哪里呢？
   

   

     
   

   

　　特斯拉经测试后称通过增加具有弹性的离子聚合物涂层可以有效稳定硅表面结构，一旦有新进展会第一时间进行分享。
   

　　硅负极还有一个最重要的点就是电压平台比石墨高，当前广泛使用的石墨负极电压平台接近锂的析出电位。    

     
   

     
   

   

　　未来如果硅负极技术可以搭载在4680电池上并实现量产，那么锂电池的能量密度和安全性都会有质的飞跃。    

   

     
   

   

　　在世界范围内普遍头疼充电时间和续航里程的阶段，特斯拉的新技术又一次引领了行业的变革，抢占了全新电池市场的先机。面对特斯拉的步步紧逼，近日国内锂电企业亿纬锂能也加入了4680电池的生产大战中，面对电池产业的“新一杯羹”，相信很快就会有其他电池企业踏入到4680电池的市场中，利益是一方面，在引导潮流变革的机会面前，我想任何一家企业都不会放过。
   

   

　　对于4680电池是否会成为未来电池产业的趋势和方向，业内也有不同声音。有观点认为4680电池量产仍需要一段时间，电池技术仍在朝着多元化方向发展；也有观点认为，对于需要快充的车型以及系统设计能力强的企业来讲，4680电池的需求较高，其成本和安全性都有明显优势；还有观点认为根据车企的系统设计能力等因素，首先要考虑能否驾驭4680电池。    

   

◆ 全文总结    

   

　　明年，特斯拉计划在德国柏林工厂大规模生产4680电池，希望通过新电池技术再度引领行业变革。在敢于发展新技术层面，我认为特斯拉的尝试是值得期待的，目前电池技术还远未发展到终局，未来多元化的发展仍然会不断改变市场预期。新能源的未来是不存在躺赢的，只有不断探索，才能把握住引领变革的机会。未来谁能在工艺、成本及良品率上有所突破，那么谁就能在新能源领域占有一席之地。    

来源：锂电那些事