4680大圆柱电池技术合集
2020年9月的电池日上，特斯拉发布4680无极耳大圆柱电池技术。4680电池外壳直径为46 mm，高度为80 mm，相比特斯拉此前采用的2170电池，4680电池体积更大，据官方数据，4680电池的能量密度将提升5倍、输出功率提升6倍，每千瓦时的成本会降低14%，搭载该电池的车型续航里程可提高16%。其主要创新点为：
综合考虑电池能量密度、散热特性和电池成组性能，优化电池的外壳直径为46 mm，高度为80 mm，根据自己的经验估算，21700和4680电池主要参数对比如表1所示。
特斯拉4680电池采用无极耳设计结构，具体的电池设计说明如下：电池卷绕时，极片和隔膜的布置方式如图1所示，卷芯两侧分别漏出正、负极集流体，直接通过集流体与电池正负极连接。从极耳角度提高了电池功率特性，在大倍率下电流密度分布均匀。正极极片在涂敷正极材料时一侧边缘不涂布的侧面和负极极片涂覆负极材料时留白的一侧面都作为极耳分别焊接在电池正、负极上，正、负极极片之间通过隔膜隔离开，这样电流在集流体流经的距离短，可以实现高功率密度，极片发热量也小。电池极耳设计和极片涂布、卷绕加工过程如图2所示，正负极极片制造时，采用连续涂布工艺，在极片两侧留出不涂布的留白区域。4680电池在能量密度和功率输出方面具有一定优势，但由于卷芯中电极更长，可能会加剧内部电流和温度分布的不均匀性。圆柱直径增加时，由于电池的表面积/体积比降低，可能会导致有效热管理出现问题。为解决这些问题，特斯拉提出了一种“无极耳”集流方式，通过使用集流体箔本身（箔边缘）来实现电流收集，电池内部的电流分布更加均匀。文献报道，通过模拟研究发现采用传统极耳设计的电池以大约1C的倍率放电时，由于沿集流体长度方向的高欧姆损耗，会导致局部电流密度分布非常宽。随着温度的升高，电池电压也存在一定的温度依赖性，集流体中的高欧姆损耗会产生大量热量。若电池没有主动冷却时，在环境热损失最小情况下会导致温度升高80℃。而采用无极耳设计时，电流密度分布相对均匀，沿集流体长度方向的欧姆损耗减少，从而使得电池运行过程中温度仅比环境温度高20℃，比传统极耳设计低60℃。当采用传统的极耳设计时，集流体的欧姆损耗导致的热量损失是无极耳设计时的5倍。特斯拉的干法电极技术包括三个步骤：（i）干粉末混合，（ii）从粉末到薄涂层成型，（iii）薄涂层与集流体压合到，这三个步骤都没有溶剂。干法电极工艺具有可扩展性，能够适应当前的锂离子电池化学体系以及先进的新型电池电极材料。大量商用负极材料（如硅基材料和钛酸锂（LTO））以及正极材料（如层状三元NMC、NCA、LFP、硫），证明了干电极工艺的稳定性和普适性。（4）CTC 技术（Cell to Chassis，电芯直接集成到车辆底盘上）4680 电芯以 CTC 的方式直接铺设到了底盘之中，进一步减少电池包的零部件数量和重量，从而增加车辆的续航。马斯克表示采用了CTC技术后，可以节省370个零部件，为车身减重10%，可以将每千瓦时的电池成本降低7%。
