[汽車之家 新鮮技術(shù)解讀]  提到純電動(dòng)車，我想續(xù)航里程一定是絕大多數(shù)消費(fèi)者最關(guān)心的指標(biāo)之一。目前提升續(xù)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(yè)的騷動(dòng)，但很快便由于良品率過低而沉寂，近期有報(bào)道稱4680電池的良品率已經(jīng)有顯著提高，并有可能在2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。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(duì)電池行業(yè)進(jìn)行重新洗牌嗎？

◆ 行業(yè)廣泛使用的鋰電池

　　當(dāng)下純電動(dòng)汽車使用的電池可以依照兩個(gè)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(jié)構(gòu)可以分為圓柱、方形（包括刀片電池）以及軟包等等。我們經(jīng)常聽到的18650和21700電池，其實(shí)就是一種圓柱形電池。

　　3.7V的18650電池一般循環(huán)壽命可達(dá)500-1000次左右，3.2V的18650電池循環(huán)壽命可達(dá)2000以上。這種電池應(yīng)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?nèi)粘Ｊ褂玫墓P記本電腦、工業(yè)醫(yī)療器械以及便攜式照明設(shè)備都在使用該電池。

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

　　其實(shí)4680電池的命名方式應(yīng)該和18650與21700保持一致，寫為46800。但行業(yè)目前習(xí)慣省略末尾代表圓柱電池的0，所以下文以4680作為簡(jiǎn)稱。它與18650和21700相比僅僅是體積的變化嗎？技術(shù)上又有什么不同特點(diǎn)呢？

◆ 4680電池第一個(gè)牛X之處：無極耳技術(shù)

　　近日國內(nèi)鋰電企業(yè)億緯鋰能公告正在建設(shè)20GWh大圓柱電池生產(chǎn)線，據(jù)稱就包括4680電池，而特斯拉此前也被報(bào)道4680電池的良品率已經(jīng)從20%提升到了80%，一時(shí)激起了產(chǎn)業(yè)圈的廣泛關(guān)注。

　　可能您不太清楚極耳是什么，這么說吧，我們?nèi)粘Ｉ�活中使用�?號(hào)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(xiàn)燃燒和爆炸時(shí)的威力也更大。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使用鋰電池的電動(dòng)汽車發(fā)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(fā)生爆炸，事故想必會(huì)更加嚴(yán)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)的4680電池工作時(shí)是怎樣的呢？電子的流動(dòng)就好比一群人過橋，橋就相當(dāng)于極耳，當(dāng)所有人都從一座橋過去時(shí)，橋要承受極大的載荷，載荷可以理解為電阻產(chǎn)生的熱量；而無極耳設(shè)計(jì)幾乎相當(dāng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸變成了面對(duì)面?zhèn)鬏敚瑐鲗?dǎo)面積變大，傳輸效率變高，這樣的設(shè)計(jì)有效避免了極耳處過電位的產(chǎn)生，自然可以降低熱量的聚集，其實(shí)極耳自身也具有電阻，去掉極耳相當(dāng)于解決了一部分的發(fā)熱源。也正是由于4680電池的發(fā)熱量在可控范圍內(nèi)，特斯拉才可以放開手腳將電池做大，同時(shí)提高充電電流來提高充電效率。

無極耳有兩種生產(chǎn)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(nèi)部的空間。

　　特斯拉在去年5月已經(jīng)對(duì)無極耳技術(shù)申請(qǐng)了專利，并解釋了當(dāng)下電池的局限性：當(dāng)前的電池使用果凍卷式設(shè)計(jì)（將多層材料平面層壓成薄片后再卷起來，然后塞入殼體內(nèi)），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(fù)極端子。電流必須流經(jīng)這些極耳才能到達(dá)電池單元外部的插接器。但是，當(dāng)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(shí)，電阻也會(huì)隨著距離的增加而相應(yīng)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(shù)的進(jìn)步也不一定全是優(yōu)點(diǎn)，無極耳技術(shù)依然存在一些缺陷：

　　其實(shí)任何新技術(shù)或新產(chǎn)品多多少少都會(huì)有一些瑕疵或缺陷，只要利大于弊，我認(rèn)為就具有一定的研究?jī)r(jià)值。

◆ 4680電池第二個(gè)牛X之處：干電極技術(shù)

　　目前傳統(tǒng)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(shí)也比較困難。因此特斯拉在對(duì)4680電池進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是通過使用干電極技術(shù)來解決這一問題的。

　　干電極技術(shù)相比起傳統(tǒng)技術(shù)，在正極達(dá)到相同使用需求時(shí)，材料可以多添加一些，因?yàn)榉鄣拿芏雀哂谝后w，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(jìn)一步提升了電池循環(huán)壽命。當(dāng)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(shí)到誰擁有更可靠的電池技術(shù)，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(lǐng)先的電池技術(shù)公司Maxwell，并將其開發(fā)的干電極技術(shù)用于新一代4680電池的制造中。

◆ 4680電池第三個(gè)牛X之處：無模組設(shè)計(jì)

　　我們知道目前純電動(dòng)車使用的電池組都是由多個(gè)模組組成的，而在每個(gè)模組里面則是由單體電池組合而成的串聯(lián)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(jì)算，那么4個(gè)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(gè)電池系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，將單體電池和底盤集成在一起，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控系統(tǒng)、逆變器和車載充電器等設(shè)備也集成在一起，并由重新優(yōu)化過的電池管理器來分配動(dòng)力。該集成技術(shù)被稱為CTC（Cell to Chassis）。

　　整個(gè)電池系統(tǒng)總重約438kg，冷卻系統(tǒng)與電池共重348kg，電池管理器、上下殼體及線纜經(jīng)過優(yōu)化共重約90kg。對(duì)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(shù)進(jìn)步外，CTC技術(shù)其實(shí)也存在一定的缺陷，那就是一旦發(fā)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?yàn)殡姵亟M集成度較高無法選擇更換有故障的模塊。同時(shí)車企也要對(duì)底盤架構(gòu)進(jìn)行修改以匹配CTC技術(shù)，這將進(jìn)一步增加整車的研發(fā)成本，而這部分成本最終會(huì)反饋到車輛價(jià)格上。

◆ 4680電池第四個(gè)牛X之處：電池一致性更好

　　我們先舉個(gè)例子以便您能更好地理解電池一致性這個(gè)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(nèi)共有100節(jié)單體電池，在電池組工作時(shí)，要盡量保證每一節(jié)電池都處在相同的放電平臺(tái)上（也就是電壓一致），如果某一節(jié)電池率先達(dá)到了充電截止電壓或放電截止電壓，那么整個(gè)電池組就會(huì)顯示已充滿電或沒電的狀態(tài)（有時(shí)候在充電或放電時(shí)突然充滿或突然沒電就是這個(gè)原因），可以說單體電池的一致性越好，電池組的性能就越強(qiáng)。

　　當(dāng)然這樣的情況并不多見，一般電池管理器會(huì)在每次充電時(shí)對(duì)單體電池進(jìn)行一致性調(diào)整。那么問題來了，您覺得是21700電池組的4000余節(jié)電池一致性更好調(diào)整呢？還是4680電池的960節(jié)更好調(diào)整？換句話說，這兩種電池的布置形式哪一種出現(xiàn)不一致性的概率更高呢？答案想必您心里也有數(shù)吧。

◆ 未來展望

　　以上提到的4680電池技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是終點(diǎn)，比如特斯拉目前還處在測(cè)試階段的硅負(fù)極技術(shù)。

　　目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的石墨負(fù)極，在絕對(duì)理想狀態(tài)下的電池容量為372Wh/kg，而硅負(fù)極能達(dá)到石墨的十倍左右，可以說硅是非常理想的負(fù)極材料，那么硅負(fù)極技術(shù)普及的阻礙在哪里呢？

　　特斯拉經(jīng)測(cè)試后稱通過增加具有彈性的離子聚合物涂層可以有效穩(wěn)定硅表面結(jié)構(gòu)，一旦有新進(jìn)展會(huì)第一時(shí)間進(jìn)行分享。

　　硅負(fù)極還有一個(gè)最重要的點(diǎn)就是電壓平臺(tái)比石墨高，當(dāng)前廣泛使用的石墨負(fù)極電壓平臺(tái)接近鋰的析出電位。

　　未來如果硅負(fù)極技術(shù)可以搭載在4680電池上并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，那么鋰電池的能量密度和安全性都會(huì)有質(zhì)的飛躍。

　　在世界范圍內(nèi)普遍頭疼充電時(shí)間和續(xù)航里程的階段，特斯拉的新技術(shù)又一次引領(lǐng)了行業(yè)的變革，搶占了全新電池市場(chǎng)的先機(jī)。面對(duì)特斯拉的步步緊逼，近日國內(nèi)鋰電企業(yè)億緯鋰能也加入了4680電池的生產(chǎn)大戰(zhàn)中，面對(duì)電池產(chǎn)業(yè)的“新一杯羹”，相信很快就會(huì)有其他電池企業(yè)踏入到4680電池的市場(chǎng)中，利益是一方面，在引導(dǎo)潮流變革的機(jī)會(huì)面前，我想任何一家企業(yè)都不會(huì)放過。

　　對(duì)于4680電池是否會(huì)成為未來電池產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)和方向，業(yè)內(nèi)也有不同聲音。有觀點(diǎn)認(rèn)為4680電池量產(chǎn)仍需要一段時(shí)間，電池技術(shù)仍在朝著多元化方向發(fā)展；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，對(duì)于需要快充的車型以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的企業(yè)來講，4680電池的需求較高，其成本和安全性都有明顯優(yōu)勢(shì)；還有觀點(diǎn)認(rèn)為根據(jù)車企的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力等因素，首先要考慮能否駕馭4680電池。

◆ 全文總結(jié)

　　明年，特斯拉計(jì)劃在德國柏林工廠大規(guī)模生產(chǎn)4680電池，希望通過新電池技術(shù)再度引領(lǐng)行業(yè)變革。在敢于發(fā)展新技術(shù)層面，我認(rèn)為特斯拉的嘗試是值得期待的，目前電池技術(shù)還遠(yuǎn)未發(fā)展到終局，未來多元化的發(fā)展仍然會(huì)不斷改變市場(chǎng)預(yù)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(lǐng)變革的機(jī)會(huì)。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(lǐng)域占有一席之地。（部分圖片來自網(wǎng)絡(luò) 文/汽車之家 鄭晨）

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