[汽車之家 新鮮技術解讀]  提到純電動車，我想續航里程一定是絕大多數消費者最關心的指標之一。目前提升續航里程的操作，無外乎都是從電池材料及電池容量大小等方面下手。在去年9月的電池日上，特斯拉首次推出了4680電池，曾一度引起了行業的騷動，但很快便由于良品率過低而沉寂，近期有報道稱4680電池的良品率已經有顯著提高，并有可能在2022年實現量產。說了這么多，我們就來剖析一下如此神秘的4680電池到底是“何方神圣”？它有可能再次對電池行業進行重新洗牌嗎？

◆ 行業廣泛使用的鋰電池

　　當下純電動汽車使用的電池可以依照兩個維度來劃分。按照電池的正極材料可以分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰以及磷酸鐵鋰等等；按照電池結構可以分為圓柱、方形（包括刀片電池）以及軟包等等。我們經常聽到的18650和21700電池，其實就是一種圓柱形電池。

　　3.7V的18650電池一般循環壽命可達500-1000次左右，3.2V的18650電池循環壽命可達2000以上。這種電池應用范圍廣、容量段多，一般從1000mAh到3500mAh容量段不等。但最為常見的容量還是2800mAh左右，3000mAh以上的只有極少的占有量。特斯拉Model S以及我們日常使用的筆記本電腦、工業醫療器械以及便攜式照明設備都在使用該電池。

　　那么4680電池與行業廣泛使用的兩種電池有什么不同呢？其實從18650到21700，電池企業都在試圖保持圓柱造型的基礎上盡可能提升電池的容量，而最直接的辦法就是擴大體積。因此隨著需求的不斷提高，21700也已經開始成為“普通”的選擇。同時體積更大，能量密度更高的4680電池應運而生。

　　其實4680電池的命名方式應該和18650與21700保持一致，寫為46800。但行業目前習慣省略末尾代表圓柱電池的0，所以下文以4680作為簡稱。它與18650和21700相比僅僅是體積的變化嗎？技術上又有什么不同特點呢？

◆ 4680電池第一個牛X之處：無極耳技術

　　近日國內鋰電企業億緯鋰能公告正在建設20GWh大圓柱電池生產線，據稱就包括4680電池，而特斯拉此前也被報道4680電池的良品率已經從20%提升到了80%，一時激起了產業圈的廣泛關注。

　　可能您不太清楚極耳是什么，這么說吧，我們日常生活中使用的5號電池您一定不陌生，正極上面突出的部分就是極耳。

　　極耳也是電池在充放電過程中最容易過熱的地方，無法控制熱量是電池廠商沒有將電池做大的根本原因，電池越大，出現燃燒和爆炸時的威力也更大。隨著新能源產業的飛速發展，使用鋰電池的電動汽車發生自燃或爆炸的事故也是屢見不鮮，如果更大體積的電池發生爆炸，事故想必會更加嚴重。

既然極耳不聽話，那么就扔掉它

　　為了讓您能更好地理解4680電池的無極耳設計，我想我們有必要講解一下目前廣泛使用的鋰電池工作原理。

　　那么采用無極耳設計的4680電池工作時是怎樣的呢？電子的流動就好比一群人過橋，橋就相當于極耳，當所有人都從一座橋過去時，橋要承受極大的載荷，載荷可以理解為電阻產生的熱量；而無極耳設計幾乎相當于把橋拆了，橋下也填平了，人們走到另一邊和正常走路沒兩樣。

　　通俗的理解就是由點對點傳輸變成了面對面傳輸，傳導面積變大，傳輸效率變高，這樣的設計有效避免了極耳處過電位的產生，自然可以降低熱量的聚集，其實極耳自身也具有電阻，去掉極耳相當于解決了一部分的發熱源。也正是由于4680電池的發熱量在可控范圍內，特斯拉才可以放開手腳將電池做大，同時提高充電電流來提高充電效率。

無極耳有兩種生產工藝

　　電池為了將能量和能量密度最大化，一般都采用卷繞工藝，以便最大程度利用單體電池內部的空間。

　　特斯拉在去年5月已經對無極耳技術申請了專利，并解釋了當下電池的局限性：當前的電池使用果凍卷式設計（將多層材料平面層壓成薄片后再卷起來，然后塞入殼體內），將陰極，陽極和隔膜卷在一起，通過陰極極耳和陽極極耳連接到電池容器的正極和負極端子。電流必須流經這些極耳才能到達電池單元外部的插接器。但是，當電流必須一直沿著陰極或陽極流到極耳并流出電池單元時，電阻也會隨著距離的增加而相應提高。此外，由于極耳是額外的零件，因此增加了成本并帶來了制造難度。

技術的進步也不一定全是優點，無極耳技術依然存在一些缺陷：

　　其實任何新技術或新產品多多少少都會有一些瑕疵或缺陷，只要利大于弊，我認為就具有一定的研究價值。

◆ 4680電池第二個牛X之處：干電極技術

　　目前傳統電池在制作過程中，是需要將材料粉末倒入帶有粘合劑的溶液中，干燥后壓成電極材料并安裝使用，并且溶劑具有一定的毒性，回收時也比較困難。因此特斯拉在對4680電池進行設計時，是通過使用干電極技術來解決這一問題的。

　　干電極技術相比起傳統技術，在正極達到相同使用需求時，材料可以多添加一些，因為粉的密度高于液體，因此電極材料厚度也從55微米增加至60微米，這樣可以增加電極的活躍度，并使能量密度提升約5%左右，進一步提升了電池循環壽命。當然，由于省了溶劑，它的制作成本也更低。特斯拉顯然在很早之前就意識到誰擁有更可靠的電池技術，那么誰就掌握了未來新能源汽車的核心，所以特斯拉早在2019年就收購了全球領先的電池技術公司Maxwell，并將其開發的干電極技術用于新一代4680電池的制造中。

◆ 4680電池第三個牛X之處：無模組設計

　　我們知道目前純電動車使用的電池組都是由多個模組組成的，而在每個模組里面則是由單體電池組合而成的串聯電池模塊。

特斯拉Model 3的21700電池組

　　小模組面積約0.6平方米，單體電池面積約0.366平方米，單體電池占模組的面積約為61%。大模組面積約0.629平方米，單體電池面積約為0.398平方米，單體電池占模組的面積約為63%。如果模組間的空隙按10%面積計算，那么4個電池模組占用的總面積約為2.7平方米，單體電池占總模組面積比約為56.6%，電池組能量密度為170Wh/kg。

　　整個電池系統總重約474公斤，其中電池重約312公斤，小模組約86公斤，大模組約93.5公斤，上殼體、電池管理器以及其他附件共重約53公斤，下殼體、結構件、冷卻管路以及線纜重約62公斤。

特斯拉4680電池組

　　4680電池組取消了模組設計，將單體電池和底盤集成在一起，將驅動電機、電控系統、逆變器和車載充電器等設備也集成在一起，并由重新優化過的電池管理器來分配動力。該集成技術被稱為CTC（Cell to Chassis）。

　　整個電池系統總重約438kg，冷卻系統與電池共重348kg，電池管理器、上下殼體及線纜經過優化共重約90kg。對比Model 3的電池布置形式，可以看出4680電池組的重量要輕了不少。

　　除了以上的技術進步外，CTC技術其實也存在一定的缺陷，那就是一旦發生事故或電池組損壞的情況將大大增加拆解維修的成本，主要因為電池組集成度較高無法選擇更換有故障的模塊。同時車企也要對底盤架構進行修改以匹配CTC技術，這將進一步增加整車的研發成本，而這部分成本最終會反饋到車輛價格上。

◆ 4680電池第四個牛X之處：電池一致性更好

　　我們先舉個例子以便您能更好地理解電池一致性這個概念。某品牌單體鋰電池的充電截止電壓為3.7V，放電截止電壓為2.6V，電池組內共有100節單體電池，在電池組工作時，要盡量保證每一節電池都處在相同的放電平臺上（也就是電壓一致），如果某一節電池率先達到了充電截止電壓或放電截止電壓，那么整個電池組就會顯示已充滿電或沒電的狀態（有時候在充電或放電時突然充滿或突然沒電就是這個原因），可以說單體電池的一致性越好，電池組的性能就越強。

　　當然這樣的情況并不多見，一般電池管理器會在每次充電時對單體電池進行一致性調整。那么問題來了，您覺得是21700電池組的4000余節電池一致性更好調整呢？還是4680電池的960節更好調整？換句話說，這兩種電池的布置形式哪一種出現不一致性的概率更高呢？答案想必您心里也有數吧。

◆ 未來展望

　　以上提到的4680電池技術還遠遠不是終點，比如特斯拉目前還處在測試階段的硅負極技術。

　　目前行業內普遍使用的石墨負極，在絕對理想狀態下的電池容量為372Wh/kg，而硅負極能達到石墨的十倍左右，可以說硅是非常理想的負極材料，那么硅負極技術普及的阻礙在哪里呢？

　　特斯拉經測試后稱通過增加具有彈性的離子聚合物涂層可以有效穩定硅表面結構，一旦有新進展會第一時間進行分享。

　　硅負極還有一個最重要的點就是電壓平臺比石墨高，當前廣泛使用的石墨負極電壓平臺接近鋰的析出電位。

　　未來如果硅負極技術可以搭載在4680電池上并實現量產，那么鋰電池的能量密度和安全性都會有質的飛躍。

　　在世界范圍內普遍頭疼充電時間和續航里程的階段，特斯拉的新技術又一次引領了行業的變革，搶占了全新電池市場的先機。面對特斯拉的步步緊逼，近日國內鋰電企業億緯鋰能也加入了4680電池的生產大戰中，面對電池產業的“新一杯羹”，相信很快就會有其他電池企業踏入到4680電池的市場中，利益是一方面，在引導潮流變革的機會面前，我想任何一家企業都不會放過。

　　對于4680電池是否會成為未來電池產業的趨勢和方向，業內也有不同聲音。有觀點認為4680電池量產仍需要一段時間，電池技術仍在朝著多元化方向發展；也有觀點認為，對于需要快充的車型以及系統設計能力強的企業來講，4680電池的需求較高，其成本和安全性都有明顯優勢；還有觀點認為根據車企的系統設計能力等因素，首先要考慮能否駕馭4680電池。

◆ 全文總結

　　明年，特斯拉計劃在德國柏林工廠大規模生產4680電池，希望通過新電池技術再度引領行業變革。在敢于發展新技術層面，我認為特斯拉的嘗試是值得期待的，目前電池技術還遠未發展到終局，未來多元化的發展仍然會不斷改變市場預期。新能源的未來是不存在躺贏的，只有不斷探索，才能把握住引領變革的機會。未來誰能在工藝、成本及良品率上有所突破，那么誰就能在新能源領域占有一席之地。（部分圖片來自網絡 文/汽車之家 鄭晨）

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