与传统的标准电极相比，全极耳电极的制造成本能降低吗？
特斯拉在2020年提取了4680大圆柱电池的概念，并成功将其应用于2022年的Model Y电动车上。其中，该电池的一个创新点就是极片全极耳设计，这种设计方法可以大幅度降低集流体的电子传输内阻，从而提高电池功率性能，降低热量的产生。
传统电极与全极耳电极设计
传统电极设计如图1所示，一般18650和21700等圆柱电池的极片采用中间区留白，间隙涂层的形式，中间留白区焊接极耳。
图1 18650圆柱电池电极设计
全极耳电极设计如图2所示，特斯拉4680等圆柱电池的极片采用这种设计，连续涂层，极片一侧留白，留白区采用激光切割成小凸起，卷绕之后折弯和激流盘焊接在一起，无需额外焊接极耳。
图2 特斯拉4680电池极片
为了比较这两种极片的制造成本，基于三星的21700电池的极片设计，假定如图3所示长度相同的两种的极片，具体的极片尺寸如图中所示，两个电池的能量为18Wh。考虑到集流体箔的成本仅占电池材料成本的一小部分，而且所假设的两种电极的箔重量和面积差异约小于10%，箔材成本方面的差异忽略不计。假设两种电极类型采用相同的湿浆料涂布工艺。
图3 成本模型中所假设的全极耳和传统电极示意图
为了比较两种电极类型的制造成本，考虑制造工艺的变化点主要包括：
（1）涂布机的操作模式不同，全极耳电极采用连续涂布工艺，而传统电极采用间歇涂布工艺。据锂离子电池生产设备商无锡先导智能指出，大型双面串联涂布机在间歇涂布模式下的最大涂布速度为60 m/min，而在连续涂布模式下可以达到100 m/min。
（2）涂布之后辊压和分切，辊压机和分切机可以匹配100 m/min的连续涂布工艺的速度，不会使全极耳电极制造带来额外的成本。
（3）在涂覆、干燥、压延和分切之后，全极耳电极需要额外的激光切割工艺以形成凸起。特斯拉的专利描述了在卷绕之前留白凸起可以使用一对辊轻松弯折。尽管是一个额外的步骤，但它可以集成到卷绕机中，也无需显著的额外成本。
因此，两者制造成本差异主要集中在涂布和干燥，如图4所示。
图4 两种类型电极的制造工艺流程
除了原材料成本外，生产设施的主要成本因素可分为三类：建筑和机械的基础设施投资成本、制造能源成本和劳动力成本。本文模型主要考虑这三个方面的成本。
假设涂布机在连续模式下可以以100 m/min的最大速度运行，在间歇模式下可以以60 m/min的最大速度运行，机器的最大涂层宽度假定为700 mm。为了保持恒定的干燥时间，假设全极耳电极的干燥炉长度为100 m，传统标准电极的干燥炉长度为60 m。考虑到涂布头尾装置，两种操作模式的机器长度再增加了相同的15 m。因此，全极耳设计的电极涂布机的总长度为115 m，标准电极涂布机的总长度为75 m。假设机器的宽度为7 m，全极耳设计的涂布机占地面积为805 m2，标准电极涂布机的占地面积为525 m2。
采用由阿贡国家实验室开发的BatPaC 5.0电池成本模型，假设工厂规模为50 GWh/a，那么两种类型电极的投资成本如下表所示。
在干燥过程中，大部分能量用于加热烘箱中的空气。因此，能耗几乎与干燥机的长度成线性关系。根据UKBIC研究中的Gigafactory Scale分析，30 m干燥箱的耗电量为529 kW，我们假设60 m和100 m烘箱的阳极分别消耗1058 kW和1763 kW。对于阴极侧，我们添加30%用于溶剂回收，导致60 m和100 m烘箱的耗电量分别为1375 kW和2292 kW。
关于劳动力需求，根据BatPaC 5.0，操作一台机器需要1.5名工人。考虑到物流任务，假设每台机器增加0.5名工人，使每台机器的总工人数达到2名。
如图4所述，为了制造全极耳电极，必须考虑附加的工艺：侧边留白的切割。假设采用激光切割，其可以实现4-6 m/s或240-360 m/min的箔切割速度。如图3所示，留白每4 mm进行一次切割，电极最后150 mm全部切除。激光切割集成在卷绕机上，不需要额外的时间，只考虑激光切割机的成本，估计为50.000欧元。假设激光切割机的耗电量低于0.5 kW，因此与干燥装置的能耗相比可忽略不计。由于激光切割机的集成在卷绕机上，机器占地面积的增加可以忽略不计。此外，不需要额外的机器操作员，也不需要手动装载或卸载，因此不需要额外的物流工人。
考虑到产量、设备折旧等各个方面，最终核算两种类型的电极制造成本如下表所示。总的来说，在保持所有其他因素不变的情况下，全极耳电极的生产成本比标准电极低0.331 欧元/kWh。
总结如图5所示，当标准电极改变为全极耳电极时，全极耳设计使涂布机能够连续涂布，从而涂布速度可以显著提高，可以从60m/min提升到100m/min；年产量从4.54GWh提升到7.57GWh；电极制造成本从每千瓦时2.029欧元降至1.698欧，制造成本下降0.331 欧元/kWh。这种涂布速度提高降本效果超过了激光切割极片留白箔材的额外成本。
该研究中有很多因素没有考虑，比如极耳弯折的工艺难度，焊接难度，辊压的复杂性等，实际工业生产过程中，如果采用湿法涂布工艺，全极耳电极的制造成本又能降低多少呢？或者是否还会增加呢？
参考文献：Martin F. Börner, Ahmad M. Mohsseni, Nilava De, Matthias Faber, Florian Krause, Weihan Li, Stephan Bihn, Florian Ringbeck, Dirk Uwe Sauer, Manufacturing cost comparison of tabless vs. standard electrodes for cylindrical lithium-ion batteries, Journal of Energy Storage, Volume 77, 2024, 109941
