從比亞迪的刀片電池，到蜂巢能源的無鈷電池，再到寧德時代的鈉離子電池，動力電池產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷著不斷地創(chuàng)新。

2020年9月23日——特斯拉電池日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克向全球展示了一款全新電池——4680電池。

此前，圓柱鋰電池的尺寸主要是18650和21700兩種，21700比18650的能量多50%。而4680電池的電芯容量是21700電池的五倍，新電池能將每千瓦時的成本降低約14%，續(xù)航里程提高16%。

馬斯克直言，這款電池將使 2.5 萬美元的電動車成為可能。

那么，這款來勢洶洶的電池究竟是何來頭？接下來我們一一解析。

一、什么是4680電池？

特斯拉對動力電池的命名方式非常簡單直白。4680電池，顧名思義就是單體電芯直徑為46mm、高度為80mm的圓柱形電池。

三種不同尺寸的鋰離子圓柱電池

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相比起特斯拉原來采用的18650電池和21700電池，4680電池的外觀就像是一個又高又壯的壯漢。

但是4680 電池并不只是尺寸變化，特斯拉融入了很多新技術來提升性能。

二、4680電池的新技術

1、無極耳設計

直觀上來看，4680最大的感受就是體積更大。那么為什么以前其他廠商不把電池做大呢。這是因為體積越大，能量越高，熱量就很難控制，燃燒和爆炸產(chǎn)生的安全威脅就更大。

特斯拉顯然也考慮到這個問題。

相比于以前的圓柱電池，4680電池最大的結構創(chuàng)新是無極耳，又稱全極耳。傳統(tǒng)的圓柱體電池，正負極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞，為了引出電極，會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個導引線叫極耳。

傳統(tǒng)的1860電池卷繞長度是800mm，以導電性更好的銅箔為例，極耳從銅箔上把電導出來長度就是800mm，相當于電流要通過800mm長的導線。

通過計算得到電阻大約是20mΩ，2170電池卷繞長度約是1000mm，電阻約23mΩ?？梢院唵螕Q算下，同樣厚度的薄膜要卷成4680電池，卷繞長度約是3800mm。

卷繞長度變長有很多壞處，電子需要走更長的距離才能到電池兩頭的極耳上面，電阻就會變大，電池更容易發(fā)熱。電池的性能會下降，甚至產(chǎn)生安全問題。為了縮短電子走的距離，4680電池采用了無極耳技術。

無極耳不是沒有極耳了，而是把整個集流體都變成極耳，導電路徑不再依賴極耳，電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸。

整個導電長度由1860或者2170銅箔長度的800～1000mm變成了80mm（電池高度）。電阻降到2mΩ，內(nèi)阻消耗由2W降到0.2W，直接降低一個數(shù)量級。

這種設計大幅降低了電池的阻抗，解決了圓柱電池的發(fā)熱問題。

無極耳技術一方面增大了電流傳導面積、縮短電流傳導距離，大幅降低電池內(nèi)阻；內(nèi)阻降低可以減小電流偏移現(xiàn)象，延長電池壽命；電阻減小還可降低熱量產(chǎn)生，電極導電涂層和電池端蓋的有效接觸面積可達到 100%，能提升散熱能力。

4680 電池在電芯結構方面采用新型無極耳技術，可實現(xiàn)降本增效。另外一方面，省去極耳焊接過程，提高了生產(chǎn)效率，同時還可降低因焊接產(chǎn)生的不良率。

單極耳和全極耳結構示意圖

2、結合CTC技術 

一般來說電池尺寸越大，同一輛車需要安裝的電池數(shù)量就越少。使用18650電池，一輛特斯拉需要7100顆電池。如果使用4680電池，只需要900顆電池。

電池越少組裝就越快，效率越高，中間環(huán)節(jié)出問題的概率就更小，并且價格更便宜。據(jù)特斯拉透漏，大體積的4680可以把電池生產(chǎn)價格減少14%。

為了提高電池包的能量密度，4680電池會和CTC（Cell to Chassis）技術結合。就是將電池單體直接集成到底盤中。通過完全移除模組和電池包，電池單體與單體間變得更為緊湊，電池零部件數(shù)量將大幅下降，底盤的空間利用率也會得到極大改進。

CTC對電池的結構強度有一定的要求，電池本身要承擔不小的機械強度，相比于18650和2170電池，4680 單體電池更大結構強度更高，并且一般方殼電池是鋁殼的，而4680外殼是不銹鋼的，天生結構強度就有保證。

相對比方殼電池，圓柱電池的布局會更靈活，能適應各種不同的底盤，可以與地盤更好的結合。

據(jù)《電動勢》研判，CTC技術是2022年新能源車的風口，同時也是岔口。

電池車身一體化會使車輛的維修變得異常復雜，電池很難獨立更換。售后維修服務價格會升高，而這些成本會直接轉移到消費者的頭上，比如保險費用會隨之上漲 。盡管馬斯克聲稱他們設計了可以切斷和更換的修復導軌，最后效果如何還需時間來檢驗。

很多車企都提出了自己的CTC技術方案，因為它不僅重新布局了電池，還同時需要改變車身結構。這就關系到相關產(chǎn)業(yè)供應鏈的重新分工。

CTC只是一種技術路線。它是電池車身一體化，不變拆卸。它對面還有另外一種技術-換電。換電技術方便拆卸，但是電池在電池強度上做很大貢獻。如何選擇這兩種路線，是電池供應商和主機廠的一場博弈。

CTC技術結合4680電池

3、電池生產(chǎn)工藝、正極、負極材料創(chuàng)新

特斯拉將使用干電池電極工藝，不使用溶劑，而是將少量（約5-8%）細粉狀PTFE粘合劑與正/負極粉末混合，通過擠壓機形成薄的電極材料帶，再將電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。

這樣生產(chǎn)的電池更環(huán)保。并且這項工藝將會提高電池的能量密度，并且使生產(chǎn)能耗降低10倍。干電極技術很可能會成為下一代的技術標桿。

特斯拉4680電池干電極技術

正極材料方面，特斯拉表示還會去掉正極里面的鈷元素。鈷不但貴而且稀少。只在世界上很少的國家可以開采，還是在剛果這樣局勢不穩(wěn)定的非洲國家。如果電池真能去掉鈷元素，可以說是個重大的技術革新。  

鈷元素

在負極材料方面，特斯拉將從硅材料入手，使用更多的硅來替代現(xiàn)在使用的石墨。硅基負極理論比容量高達 4200mAh/g，超過石墨負極十倍。但是硅基負極也存在硅易體積膨脹、導電性差、首次充放電損耗大等問題。

因此，材料的性能改善實際上是在能量密度和穩(wěn)定性之間尋找平衡，現(xiàn)在的硅基負極產(chǎn)品是將硅和石墨摻雜起來復合使用。 

特斯拉計劃從根本上改變硅表層的延展性，使其不容易破碎，這項技術不僅讓電池充電速度更快，還可以使電池的續(xù)航能力增加20%。特斯拉將研制的新材料命名為“特斯拉硅”，成本為1.2美元/KWh，僅為現(xiàn)有的結構化硅工藝的十分之一。

硅基負極被看作下一代鋰電池負極材料。

市面上已經(jīng)有少數(shù)車型開始應用硅基負極材料。特斯拉 Model3 等車型已在在負極中摻入少量的硅。近期廣汽埃安AION LX Plus 車型上市，千里版搭載了海綿硅負極片電池技術，能實現(xiàn)1000公里續(xù)航。

4680電池硅負極

總結一下4680電池技術的優(yōu)勢就是，它可以做到在降低成本的同時還提升性能。

三、4680電池的深遠影響

4680電池并不算是一場顛覆性的技術革命，并不是在能量密度方面做出了突破，更多的是工藝技術上的創(chuàng)新。

但是在特斯拉的帶動下，對當下新能源市場的格局而言，4680電池的投產(chǎn)將會改變現(xiàn)有的電池格局。行業(yè)必然會掀起一波大體積圓柱電池的潮流。

據(jù)報道，松下計劃 2023 年初開始為特斯拉量產(chǎn) 4680 大容量電池。新投資將高達 800 億日元（合約 7.04 億美元）。三星 SDI 和 LG 能源也加入了 4680 電池的開發(fā)行列。

國內(nèi)方面，億緯鋰能發(fā)布公告稱，子公司億緯動力擬在荊門高新區(qū)投建20GWh乘用車用大圓柱電池生產(chǎn)線。比克電池、蜂巢能源也將進入大圓柱電池領域。寶馬、寧德時代也在積極部署大圓柱電池，基本格局已定。

電池廠商圓柱電池布局情況

四、電動勢有話說

大圓柱電池的結構性創(chuàng)新，對動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無疑具有推動作用，絕不是僅僅由五號電池升級為一號電池那么簡單，它胖胖的身材里有大學問。

電池的成本接近整車成本的百分之四十，電池作為“心臟”，其重要性不言而喻。然而隨著新能源汽車的普及，對電池的需求與日俱增，材料的價格水漲船高，電池的創(chuàng)新成為了車企發(fā)展的重要途徑。

隨著電池相關技術的發(fā)展，平價電動車指日可待！