特斯拉电池设计解析：从21700到4680
本文解析了特斯拉电池设计。首先，根据网络资料解析了特斯拉Model 3所采用的21700电池设计参数，然后利用这些已知参数确定圆柱电池设计模型参数并对设计模型进行验证，制作了电池设计表。最后，采用电池设计表来分析电池尺寸对性能的影响，并尝试设计4680电池。主要内容包括：
一、21700电池设计解析
1、总体概述
2、电池关键材料化学体系
3、正极极片设计
4、负极极片设计
5、电池结构设计
6、电池总体性能
二、电池设计表制作及其参数确定与验证
1、正极材料及电极设计参数
2、负极材料及电极设计参数
3、圆柱电池卷芯卷绕模型
4、圆柱电池设计表详细参数
三、设计参数对电池性能的影响
1、极片设计参数等对电池性能的影响
2、电池尺寸型号对性能的影响
四、4680电池为什么要采用无极耳设计
一、21700电池设计解析
1、总体概述
特斯拉Model 3采用松下21700电池，根据网络公开资料2018 Tesla Model 3 Cell Report，详细的电池规格为：
表1 松下21700电池整体情况
图1 21700电池外观
单体电池总体概述
（1）正极材料为NCA，Ni：Co：Al=90:5:5，低钴材料提高了镍含量，从而提供高容量，并降低了材料的成本。
（2）负极材料为石墨，添加少量的Si（约3.5wt%），Si颗粒尺寸约为3μm。
（3）电解液方面：溶剂为EC:DMC:EMC，还包括改善性能的MPC，锂盐除LiPF6之外，还可能有添加剂LiFSI。
（4）隔膜为10μm湿法单层PE膜，正极一侧涂覆氧化铝陶瓷层，厚度约1μm。
（5）单体电池容量为4.78Ah，每个电池的能量为17.5Wh，平均电压（能量/容量）为17.5Wh/4.78Ah=3.66V
（6）单体电池总重量为68.6g，比能量（能量/质量）为254.8Wh/kg，电池直径21mm，高70mm，电池体积为24.23mL，体积能量密度（能量/体积）为722.3Wh/L。
下面对电池设计，特别是极片的详细参数进行解析。
2、电池关键材料化学体系
电池关键材料信息如下表2所示，正极材料为NCA，Ni：Co：Al=90:5:5，低钴材料提供高容量，并降低了成本。正极添加碳黑导电剂，粘结剂为PVDF，集流体为15μm的铝箔。负极材料为石墨，粒径16μm，添加少量的Si（约3.5wt%），Si颗粒尺寸约为3μm。负极集流体为8μm的铜箔。电解液方面：溶剂为EC:DMC:EMC，还包括改善性能的MPC，锂盐除LiPF6之外，还有添加剂LiFSI。隔膜为10μm湿法单层PE膜，正极一侧涂覆氧化铝陶瓷层，厚度约1μm。
表2 松下21700电池关键材料信息
2.1、正极材料
正极材料由类球形颗粒组成，二次颗粒内部包含很多一次颗粒，如图2所示。
图2 正极极片的SEM形貌
对正极极片的SEM照片进行图像处理，分析活性颗粒粒径分布，如下图3所示，粒径呈现三个峰值，分别为7μm、11μm和16μm。这种多粒径分布形成了高压实的极片涂层。
图3 NCA颗粒粒径分布
活性颗粒由大量一次颗粒组成，一次颗粒粒径分布如下图4所示，呈现两峰分布，峰值粒径分别为0.24μm和0.46μm。
图4 二次颗粒内部形貌以及一次颗粒的粒径分布
如图5所示，极片内部可以观察到碳黑导电剂颗粒。从SEM照片来看，碳黑导电剂含量很低。而且这种高压实的电极活性颗粒被压入集流体，增加了涂层/集流体的接触面积，形成了机械互锁，从而还可以减少粘结剂的用量。因此，高压实、高活性物质比例的电极设计提高了电池的比能量和体积能量密度。
图5 极片内部包含炭黑导电剂颗粒
对正极极片进行能谱分析，如图6所示。颗粒内部没有探测到碳黑导电剂和粘结剂成分，原子比Ni:Co:Al=1:0.06:0.05≈0.9:0.5:0.5，确定活性物质的化学式为LixNi0.90Co0.05Al0.05O1.57。电极整体的元素分布如图6中表格所示。
图6 正极极片能谱分析
2.2、负极材料
负极材料由非常致密的片状石墨和少量硅颗粒组成，形貌如图7所示，极片内可能还包括石墨烯导电剂。负极极片的压实密度也很高，保证了高的体积能量密度。同样通过图像分析负极极片得到，石墨颗粒的粒径D50为16μm，而硅颗粒粒径为3μm，如图8所示。
图7 负极极片SEM形貌，包含石墨和Si颗粒
图8 负极石墨和硅活性颗粒粒径分布
对负极极片进行能谱分析，如图9所示。硅颗粒的含量约为3.5wt%。
图9 负极极片能谱分析
2.3、隔膜
对隔膜进行分析，如图10和11所示。隔膜为10μm湿法单层PE膜，正极一侧涂覆氧化铝陶瓷层，厚度约0.5-1μm。
图10 隔膜照片和SEM截面形貌
图11 隔膜正极一侧表面形貌
2.4、电解液成分分析
电解液成分分析，结果如表2所示。电解液溶剂包括EC:EMC:DMC，这种混合溶剂低温性能比较好。另外，电解液还包含添加剂MPC，这是Jeff Dahn开发的添加剂，可以提高库伦效率，循环容量，降低放电曲线末端斜率和自放电率。
表2 电解液成分分析结果
