4680 详解：卷土重来的圆柱电池

  很多时候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在电池日上亮相了划时代的 4680 电池，而那时距离 4680 电池概念的提出仅仅才过去了 1 年，2019 年由松下和欧洲的一个化学实验室基于全极耳的理论对圆柱电池来优化和改进，最后觉得 4680 电池是个不错的方案。

  如果以松下的风格，至少得等到 2022 年才开始对外宣传，到 2025 年后才可能开始大规模量产，毕竟实验室里做出来跟大规模量产完全不是一回事，但特斯拉就是敢「吹出去」，而且这次似乎又吹成了。

  庆祝特斯拉加州工厂试点生产了 100 万个 4680 电池，大概能装 1,000 台 Model Y

  在刚结束不久的电动汽车百人会 2022 上，松下、比克电池、亿纬锂能几大电池巨头都表示了对 46 系大圆柱电池的看好，同时在 1 月份特斯拉宣布在加州的工厂内已经试点生产了 100 万个 4680 电池，距离 4680 电池的正式装车已经近在咫尺了。

  下面就重点聊聊特斯拉 4680 电池的核心技术创新以及未来对市场的影响。

  在介绍特斯拉 4680 电池的核心技术之前，先通过几个问答简单了解一下 4680 电池。

  7 号电池、5 号电池、18650、2170 和 4680 电池个头对比，4680 明显要大不少

  4680 电池即直径 46 mm、高 80 mm 的圆柱电池，目前特斯拉使用的 18650 和 2170 电池也符合这一命名规则，其中 18650 电池最后一个「0」的含义是圆柱，只不过 2170、4680 电池省略了。

  特斯拉 PPT 显示，圆柱电池直径 46 mm 是续航提升和降本的最优解

  首先来看直径「46 mm」这个指标，从安全性来看，虽然整车电池节数减少能够更好的降低 BMS 的管理难度，但是大电芯的散热是个难题，46 mm 是个平衡范围内的点。从提升续航和降本的角度来看，特斯拉认为 46 mm 以后整车的续航开始下降，同时降本的边际效益变得很低，因此 46 mm 是最优解。另外从内部应力和角度来看，46 mm 也是一个比较临界的点，在化学性能、生产的基本工艺没有本质上的突破前，46 mm 是一个黄金尺寸。

  另一个参数高度「80 mm」，其实目前业界还没有定论，主要因各家底盘设计而异，比如宝马采用的是 4695 方案，还有的厂商规划了 46105 的方案，即高度为 105 mm。但这个高度也不能太高，一种原因是径向散热会成问题，另一方面这样会显著增加底盘厚度，从而影响设计美感和风阻。

  简单来说就是路径依赖，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款车型 Roadster，当时市面上还没有非常成熟的动力电池方案可选，而松下的 18650 电池在民用领域已经很成熟稳定，安全性和一致性都达到了非常高的水准，特斯拉于是选择了用几千个单体电池组装的方案，虽然对 BMS 的考验比较大，但在当时确实也比其他动力电池方案更为靠谱。

  随着动力电池的发展，18650 电池逐步升级为 2170 电池，特斯拉以及它的供应商松下、LG 化学等就越来越专精于圆柱电池，不过这次 4680 电池对圆柱电池来说也是一次挤爆牙膏的升级。

  特斯拉电池日 PPT，4680 电池要比 2170 电池提高 54% 的续航并降低 56% 的成本

  从 18650 到 21700 的升级从数字就可以看出来颇有点挤牙膏的味道，有点像最近两年的高通骁龙芯片，而 4680 电池相比 2170 电池，不仅是体积增加了 448%，更多的是与全极耳、高硅负极、与 CTC 结合等革命性的技术相结合，最终才有了续航增加 54%，成本下降 56%，单位产能设备投资额下降 69% 的挤爆牙膏式的提升（当然特斯拉的 PPT 向来有些水分，这应该 4680 电池迭代两三次后达成的效果）。

  传统的电池有一个非常大的限制：单位体积内的包含的能量和功率密度不能兼顾，举个例子，本田雅阁混动的三元电池单位体积内的包含的能量只有 82 Wh/kg，而纯电车型的三元锂电池单位体积内的包含的能量一般在 150—180 Wh/kg，是因为 HEV 锂电池核心参数是功率密度，毕竟电池小（雅阁混动的电池容量仅为 1.3 kWh）又要带动大功率的电机，只能牺牲一些质量能量密度。

  而特斯拉 4680 电池通过采用全极耳（特斯拉宣传是无极耳）的方案来让二者兼顾，极耳简单来说就是正负极充放电时的接触点，传统电池在正负极各有一个极耳，这样就带来一个问题，电流从正极流向负极时，如上图左边所示，要穿越很长的横向路径，这样内阻自然上来了，不仅损耗电池的能量，而且发热问题难以解决。

  而根据特斯拉专利能够正常的看到 4680 电池的结构中正负极上分布着均匀的极耳，这样快速缩短了极耳间距，比如 2170 电池电子在集流体里流过整个卷绕极片的展向长度，路径约 900 mm，而 4680 的正负极薄膜是 2170 电池的 4—5 倍，如果依然采用单极耳，那么电子的路径会长达 3.8 米，内阻也会相应增加 4 倍，而全极耳的方案能让这一路径缩短为电池的高度，即 80 mm，根据特斯拉的介绍，4680 电池内阻发热只有 2170 电池的五分之一。再加上全极耳大幅度提升了电流通路，这样电子更容易在电池里面移动。

  V3 超充下，4680 电池的预估充电速度要快于 2170 电池，在 V4 超充下预计差距将更明显

  因此全极耳的 4680 电池就具备了大功率放电和超充的天赋，根据 Insideevs 的研究报告，400 V 的 4680 电池系统充 70% 电量需要 15 分钟，而采用 800 V 电池系统的保时捷 Taycan 和现代汽车的 IONIQ 分别需要 18 分钟和 22 分钟。未来如果 4680 电池采用 800 V 电压系统，充电速度还会更快。

  目前特斯拉的 4680 电池正极采用的仍是 NCM 811高镍方案，这个大家已经比较熟悉了，未来 4680 正极还会向更高比例的镍（如 NCM 9/0.5/0.5) 以及「无钴」和「四元」方面演化。

  正极方面的变化不大，要实现更高的单位体积内的包含的能量，负极也十分关键。目前绝大多数电池都是石墨负极，但石墨的理论比容量为 372 mAh/g，实际上已达到了约 330—370 mAh/g，已经触及天花板。而硅的比容量能达到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在负极掺入特殊的比例的硅一直是电池单位体积内的包含的能量突破的方向。

  2020 NIO DAY 上，蔚来 150 度电池的 PPT 上显示了硅碳负极以及高镍正极，实现高单位体积内的包含的能量大家殊途同归

  实际上早在 2017 年搭载 2170 电池（来自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已经引入了「掺硅」的技术，只是比例还比较小（大约掺了 5—6% 的硅合金），对能量密度的提升还不太明显。国内也有一些厂商已经采用「掺硅」的负极，比如 CLTC 续航能达到 1,000 km 的广汽埃安 LX 144.4 度的大电池的负极就掺了特殊的比例的硅，另外智己汽车还有蔚来即将在第四季度量产的 150 kWh 的「固态」电池也用了这一技术。

  虽然说「掺硅」能立竿见影地提升单位体积内的包含的能量，但硅先天不如石墨稳定容易膨胀，一般碳基负极在嵌锂反应中体积的膨胀不超过 10%，而硅基则能膨胀 360%，从而引发 SEI 膜破损等副反应，导致电池容量衰减。

  相对来说 4680 电池的结构更适合「掺硅」，首先圆柱电池极片卷绕的特点可以尽量使极片各个位置膨胀力均匀， 减少破损和褶皱的出现，方型和软包电池在 R 角处易出现应力集中而导致的破损和褶皱，另外 4680 电池的不锈钢壳体机械强度大，可充分吸收负极的膨胀力。因此理论上 4680 电池负极中能掺入更多的硅，预计能达到 10% 以上，单位体积内的包含的能量从而有显著提升。

  从第一性原理出发，要提高电池包的单位体积内的包含的能量，「中间件」肯定越少越好，打个比方想让一个盒子里装最多的鸡蛋，最好是把鸡蛋托盘去掉，也就等于把模组件去掉，更极端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技术了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。

  而 4680 电池天生就有这个潜质，首先 CTC 对电池的结构强度有一定的要求，电池本身要承担不小的机械强度，相比于 18650 和 2170 电池，4680 单体电池更大结构强度更高，并且一般方壳电池是铝壳的，而 4680 外壳是不锈钢的，天生结构强度就有保证 。另外采用 CTC 技术基本意味着告别维修和更换了，如果发生激烈的碰撞或电池的一致性出现一些明显的异常问题，那么可能就只能换车了，而圆柱电池的一致性一直是优势所在。最后相对比方壳电池，圆柱电池的布局会更灵活，能适应任何不同的底盘，再结合全极耳高单位体积内的包含的能量高充放功率的优势，未来在 HEV 和 PHEV 领域的潜力也非常大。

  除了全极耳电池、高镍 + 高硅以及 CTC 技术外，特斯拉 4680 电池还有别的一些技术的应用，比如在隔膜上涂抹 PVDF 防止硅负极膨胀，负极添加硅纳米管提升导电性，另外特斯拉第二代 4680 电池还可能用上干电极的工艺，总之这次特斯拉是要把牙膏挤爆了，就看对手们如何接招了。

  数据显示 2019 以来，中国动力电池市场方形电池一直占据着 80% 左右的份额，宁德时代占据了其中的一半以上，4680 电池首先冲击的自然也是宁德时代。

  这里先抛开国内主要围绕奔驰等欧洲客户展开的软包电池，重点对比下 CTP方形电池和 4680圆柱电池的优劣势以及发展趋势。

  首先从结构上方形电池的成组效率是明显优于高于圆柱电池的，预计优秀的 CTP 方形电池能达到 80%—90%，4680 + CTC 能达到 70% 以上，这点也不难理解，4680 电池虽然比之前大了不少，但跟大的方形电池比还是很小的，一辆 Model Y 上大约需要 960 颗 4680 电池，换成方壳可能只需要 6 到 10 块，数量越少，与化学物质无关的其他部件占比就越低。

  不过由于方形电池单体电芯大，并且是面接触，这样就给方形电池的散热和热失控防护带了很大的难度，因此方形电池三元电池正极并不太适合往超高镍的方向发展，同时上面说到方形电池的负极不适合添加太多「硅」，因此方形电池的单体单位体积内的包含的能量无法做得太高。

  而圆柱电池因为单体电芯小，本身非常容易散热，再加上全极耳的应用让热量集中在下面更容易针对性散热，因此能采用比较激进的高镍方案，再配合高硅负极，单体单位体积内的包含的能量能达到 300 Wh/kg，未来如果采用超 90% 比例镍的正极，单体单位体积内的包含的能量能达到 350—400 Wh/kg 。

  这样下来，虽然方形电池的集成效率高，但 4680 圆柱电池的单体单位体积内的包含的能量高，综合下来，二者的系统单位体积内的包含的能量差不多。

  而圆柱电池作为已经商业化超过 30 年的品种，工艺最为成熟，在生产效率、良品率、投资所需成本等方面都有一定优势。比如良品率方面，松下的 2170 电池能达到 99% 以上，相比方形电池能达到 90% 就已经是很优秀的水平了。

  另外在生产效率方面，同样采用卷绕工艺的话，圆柱电池同心圆卷绕的特性先天效率就高出不少，比如按照亿纬锂能最新的产线 电池，而类似产线 Ah 以内的一般一分钟能生产 10—12 个、200 Ah 以上的大方形一分钟产量不足 10 个。如果是一台搭载 80 度电的新车，圆柱电池的生产大约需要 20 分钟，而方形电池则需要 30 分钟。

  如果 4680 电池大规模量产顺利，预计 2024 年后每 kWh 的 4680 电池成本比三元方形电池便宜 50—100 元，一辆 100 度电池的电动汽车成本能低出 5,000—10,000 元。

  因此从三元电池体系（包含无钴电池、四元电池）的角度来看，如果 4680 电池的良品率能快速提升，将凭借一定的成本优势，同时超高的充放电功率，在中高端市场将逐步对方形三元锂电池形成替代效应。

  而在中低端市场仍以磷酸铁锂电池为主，而磷酸铁锂先天就较为稳定不容易热失控，因此就更适合集成效率高但不容易散热的方形电池。因此未来的局面很可能是一些高端车型开始慢慢地使用4680 三元电池，中低端则以CTP 方形磷酸铁锂电池为主。

  那么宁德时代就要面对 4680 电池和比亚迪刀片电池两面的夹击了，比亚迪本身就是以电池起家的，再加上多年来一直专攻磷酸铁锂电池，随着弗迪电池的产能开始大幅扩张，这里可以借鉴文章《收下蔚来、小米，弗迪的进攻才刚开始》，势必要吃掉一部分宁德时代的份额。

  宁德时代 CTP 3.0 麒麟电池，宣传三元锂和磷酸铁锂的系统单位体积内的包含的能量分别能达到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，并能实现无热扩散的最高安全要求

  不过在刚刚过去的电动汽车百人会 2022 上，宁德时代也给出了反击——CTP 3.0 版本的麒麟电池，能不能守住目前绝对的龙头地位，具体就看 CTP 3.0 的落地效果与降本增效的速度了。

  目前从车企端来看，主要推动者还是特斯拉，2022Q1 特斯拉慢慢的开始试生产，年底前能交付部分 4680 的 Model Y 给消费者。线 年后，跳票已久的 Cybertruck 、Roadster 2 以及重卡 Semi 也将全部来到我们身边。宝马的 4695 电池给出的量产时间则是 2024 年以后，或许会成为宝马未来的纯电平台「Neue Klasse」的主力电池。

  另外目前海外已经有不少采用圆柱电池的厂商，比如美国的新势力 Lucid 和 Rivian 目前采用的是 2170 电池，未来过渡到 4680 电池也是非常自然的。

  而在电池厂商这端，海外主要是特斯拉和日韩的电池厂商，包括松下、LG 化学、三星 SDI，松下和 LG 化学计划 2023 年量产，三星 SDI 计划 2024 年量产，其他的还有一家以色列公司 Storedot 同样计划 2024 年量产 4680 电池。

  国内宁德时代目前规划了 12 GWh 的 4680 电池产能，研发节奏正在加快，预计 2024 年开始量产，客户可能是特斯拉和宝马；比克电池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出过大圆柱产品，预计 2023 年量产；亿纬锂能预计 2024 年可实现 4680 电池的量产，规划产能 20 GWh，同时还有去欧洲匈牙利建厂的计划。

  综合来看，相比于从 18650 到 2170 的升级，4680 电池这次是把牙膏挤爆了，基本确定了圆柱电池的发展趋势，也有望引领圆柱电池的市场占有率对方形电池实现快速追赶。不过 4680 电池仍然面临诸多工艺难题，比如全极耳电池激光焊点至少是 2170 的五倍以上，对精度要求非常高，同时全极耳涂布的弧形边缘对设备的精密度要求也更高，未来对 4680 电池的发展着重关注特斯拉、松下、LG 化学等企业的良品率何时能稳定在 90% 以上。

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