4680电池有哪些创新?4680电池的制造难点在哪里?

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4680电池有哪些创新?4680电池的制造难点在哪里?-第1张图片-牧野网

近日,4680电池又热闹起来。

 

去年9月,特斯拉电池日推出4680电池,一度引起骚动,但此后沉寂,近期有报道称良品率已从去年的20%提高到了接近80%,预计明年具备量产可行性。

无独有偶,近日国内锂电企业亿纬锂能公告建设20GWh大圆柱电池生产线,据称包括4680电池。一时激起产业圈及资本圈的新一轮热情。

 

实际上,4680电池的量产并不容易,这是其本质决定的。4680总体上是方形电池的工艺思路,但套用了圆柱电池的外形结构。这样复合的产品背景,优点突出,难怪马斯克颇为赞赏,但问题也不可避免。

 

让我们看看这个新物种。

 

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4680电池本质是结构创新

 

4680电池,本质上是结构创新。

 

我们知道,锂电池一般可以按照两个维度来划分:一是电池材料,比如三元、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂、无钴电池等,这是电化学课题;另一个是电池结构,比如圆柱、方形、软包、刀片,这个更像是物理课题。

 

4680电池,是圆柱电池从较小的1865到2170之后,进一步做大的创新。1865的电池容量一般为2.6-3.5Ah,2170一般为4-5Ah,而4680可以做到20-30Ah,电池容量有了5倍左右的提升。

 

圆柱电池的大小型号较少,但方形电池基于结构优势,从小到大的型号则比较丰富,小方形可以50Ah,大方形可以到200Ah以上,市面上五花八门。

 

刀片电池,本质上也是电池结构从小到大的创新,比亚迪刀片电池为138.5Ah(磷酸铁锂),近期蜂巢能源推出的短刀片电池为184Ah(磷酸铁锂)。

 

电池结构创新,往往对工艺要求较高,甚至需要不同的生产设备。比如刀片电池因为较大,需要采用叠片的方式,而一般方形电池仍然可以采用卷绕的方式。

 

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优点突出,看起来很美

 

锂电池作为生产资料,主要性能指标包括安全性、能量密度、循环次数、成本等,有些跟电池材料有关,有些跟物理结构有关。

 

4680电池,既然是结构创新,那这种结构相对小圆柱、方形或软包结构,带来的主要好处是:

 

散热性及安全性:直径增加,卷绕变长,采用无极耳设计并使用铜箔,有助于降低内阻、减少发热。轴向散热,底部面积较大,也可以提高散热性。系统集成之后,圆柱相对于方形或软包的散热性也更好。此外,一致性也比较好。

 

能量密度提升:电池容量更高,单体能量密度可以更高。同时,圆柱电池的系统集成度更高,甚至可以直接CTC,系统能量密度也可以大幅提高。

 

直接生产成本降低:制造设备成本比方型电池低40%以上,制造速度比相同容量的方型电池快2倍以上,五金件成本比方型电池便宜20%以上,集成比较简单特别是外部连结器焊接比较简单。

 

4680电池,在电芯层面具有方形电池的技术特点,可以做到更高的电池容量和能量密度,同时基于大圆柱背景的无极耳设计及铜箔使用可以大幅提高电芯的散热性,而圆柱型外形结构的系统集成度更高,可以直接CTC,系统散热性也很好。这样的特点,对安全性更加敏感的三元材料更有吸引力。

 

难怪特斯拉对4680电池如此青睐。作为圆柱电池的拥趸,在满足系统集成度高的前提下,迫切需要一款能够提高能量密度并满足三元材料安全性要求的电池,4680似乎是最优解。

 

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制造方案完全创新,量产不易

 

4680电池看起来确实很美,尤其是三元4680对于中高档乘用车而言,更是好鞍配好马,这也是为什么特斯拉、宝马等都对4680情有独钟。

 

但是,4680电池目前的关键问题是制造,也就是如何达到规模化量产效率。

 

过去一年,特斯拉把良品率从20%提升到接近80%,这个过程也反映了4680电池的制造工艺几乎是从零起步。

 

4680大圆柱电池,作为完全创新的技术,工艺思路类似方形,物理结构是圆柱,制造工艺既不能基于现有方形,也不能基于现有小圆柱,需要整个产业从零做起,这就不难理解特斯拉2020年时的良品率只有20%。

 

那么,4680电池的制造难点到底在哪里?

 

4680大圆柱电池的生产工艺,完全不同于小圆柱电池,需要重新匹配生产设备,对焊接及密封可靠性的要求更高,对原材料及结构件的精度要求和光洁度要求更高,仅这几项要求对锂电生产而言都是宏大课题。

 

虽然都是圆柱,但从小圆柱到大圆柱,已经完全不在同一个技术层次,小圆柱的经验不可用,创新难度已经大幅提高,远高于从方形到刀片的创新力度。

 

量产效率,也直接决定最终成本。如果量产成本太高,不管产品性能优势多突出,作为2B产品如果没有合理性价比都是徒劳。

 

概言之,4680电池具有方形电池的技术特点,可以做到更高的电池容量和能量密度,同时大圆柱结构可以做到更好的散热性,系统集成度也更高,安全性要求较高的三元材料颇为喜欢,因此受到特斯拉的青睐。

 

4680电池主要是结构创新,难度远大于刀片电池的创新,对生产工艺及设备提出了更高的要求,而这对整个锂电产业都是新鲜课题,也就是说4680电池是完全创新,几乎从零做起。

 

新物种4680,作为新一轮锂电创新的代表,值得长期跟踪观察,谁能在工艺、设备及良品率上有所突破,谁就能在中高档乘用车动力电池上占有一席之地。

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