2021-11-25

4680电池资料——电池技术升级

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4680电池为特斯拉推出的直径为46mm,高度为80mm的新一代圆柱电池。

图:4680电池展示图

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对于电池来讲,能量密度提升时,功率密度会下降,直径46mm是圆柱电池兼顾高能量密度和高功率密度的最优选择

图:圆柱电池尺寸与性能变化

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1.2.  核心创新

大电芯+全极耳+干电池技术


1.3.  性能突破

4680电池大幅提升了电池功率(6倍于2170电池),降低了电池成本(14%于2170电池),优化了散热性能、生产效率、充电速度,能量密度、循环性能有进一步的提升空间。


2. 结构改变

2.1. 全极耳

4680电池通过极耳结构的改变,大幅提升了电池功率、优化了散热性能、生产效率、充电速度。

2.1.1. 全极耳结构

极耳:从电芯中将正负极引出来的金属导电体,是电池充放电时的接触点。在电池工作中,电子从正极极耳流向负极极耳,其流经路径与电池内阻成正比,流经宽度与电池内阻成反比,而电池内部损耗功率与内阻的平方成正比,因此极耳接触面积越大,极耳间距越短,电池输出功率越高。

传统电池只有两个极耳,分别连接正极与负极,而4680电池实现了全极耳(直接从正极/负极上剪出极耳),从而大大增加了电流通路,并缩短了极耳间距,进而大幅提升了电池功率

4680电池资料——电池技术升级(图3)


2.1.2. 全极耳优势

1、提升了输出功率:电池电流通路变宽,且内阻大幅减少,内部损耗随之降低,进而大幅提升了电池功率(6倍于2170电池)。

2、提升安全性:圆柱电池与片状电池不同,其散热为轴向居多,热量从极耳出散出。传统圆柱电池如2170只有两个极耳,热量传输通道窄,因此散热效果不好。4680电池极耳面积大大增加,热量传输通道宽阔,大大改善了散热效果(只有传统圆柱电池的20%),增强了电池的热稳定性。

3、快充性能大幅提升:由于全极耳结构,电子更容易在电池内部移动,电流倍率提高,因此充放电速度更快。

4、提高生产效率:消除生产线添加极耳的流程和时间,节省设备空间,减少出现制造缺陷的可能。

4680电池资料——电池技术升级(图4)


2.1.3. 全极耳工艺难点

1、全极耳制作中,极耳的收集问题:通俗的理解就是把极耳折在一起的工艺,目前有揉压极耳、切跌极耳、多极耳三种:

1)揉压极耳的极耳形态不受控,容易发生短路,制造时两段封闭,电解液渗入阻碍大;

2)切跌极耳(Tesla)斜切成片卷起,比无规则挤压好一些,占空间较小,但表面起伏度较大,制造时两段仍封闭,注液不能连续生产;

3)多极耳很难折叠整齐,极耳位置误差在外圈易被放大。

2、全极耳与集流盘或壳体连接中,对激光焊接技术要求较高:从点焊(传统两个极耳)到面焊(4680电池全极耳),焊接工序和焊接量都变多,激光强度和焦距不容易控制,易焊穿烧到电芯内部或者没有焊,目前电池良率较低(80%)。

2.1.4. 全极耳带来的机遇

从以往2170电池的脉冲激光器点焊,到目前4680电池线或激光点阵,激光焊接工艺提升,可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器,整体造价增加。

2.2. 大电芯

2.2.1. 性能表现

4680电池较之前2170电池在直径和高度上具有提升,直径从27mm变为46mm,高度从70mm变为80mm,电芯厚度增加,曲率降低,空心部分更大。

2.2.2. 尺寸变大优势

1、降低电池成本:降低壳体在单位电池容量上的占比,结构件和焊接数量也显著减少(成本相比2170电池降低14%)。

2、提升能力密度:随着电池尺寸增大,电池组中电池数量减少,金属外壳占比减少,正极、负极等材料占比增加,能量密度提高。

3、bms系统更加省心:电池组中电池数量减少,对于电池的监测和状态分析更为简单。

4、结构强度增加,与CTC技术完美结合:4680尺寸更大结构强度更高,其作为结构电池成为车结构的一部分,既提供能源,也用作结构起支撑作用,节省了空间也减少了重量(10%),因此提升了续航里程(14%)。

2.2.3. 尺寸变大劣势

增加发热量:电池尺寸越大,发热越多,散热越难,因此热量控制更困难,电池爆炸产生的威力越大,为之前电池厂商想增加电池尺寸的最大瓶颈,Tesla通过全极耳技术进行了热稳定性能的突破。

2.2.4. 实际性能表现

随着电池尺寸增大,电池组中电池数量减少,金属外壳占比减少,正极、负极等材料占比增加,能量密度提高。与2170电池相比,4680电池能量方面提高了5倍,目前续航里程的提升(16%)主要来自CTC技术(14%),随着材料体系的不断升级,电池能量密度有进一步提升空间。


3. 干电池技术

干电极技术可同时用在正负极上。

3.1. 传统湿法工艺

需要将材料放置溶液中,再进行干燥和压成膜:使用有粘合剂材料的溶剂,其中NMP(N-甲基吡咯烷酮)是其中一种常见溶剂,将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后,将浆料涂在电极集电体上并干燥,其中溶剂有毒需回收,进行纯化和再利用,中间需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机器。

3.2. 干电池工艺

干电极工艺彻底跳过加入溶液步骤,可省略繁复的涂覆,烘干等工艺,大幅简化生产流程:将活跃的正负极颗粒与聚四氟乙烯(PTFE)混合,使其纤维化,直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上,制备出正负极片。

3.3. 干电池优势

1、工艺简单,节省成本:不采用溶剂,省去了昂贵的涂覆机。

2、提升生产效率:干电极技术使生产速度提升至以前的七倍。

3、增加电池能量密度:有溶剂的情况下,锂与混有锂金属的碳不能很好的彼此融合,有第一次循环容量损失问题,干电池技术会大大改善这种问题,从而提升电池能量密度。同时增加正极材料厚度,从55μm提升至60μm 提升活跃电极材料比,使能量密度提升5%同时,保证功率密度。

3.4. 干电池工艺难点

目前工艺不成熟,电池要做厚,圆柱要卷起来,容易开裂。


4. 硅负极

4.1. 优势

1、理论能量密度更高:石墨负极理论最大电池容量372Wh/kg,硅负极理论最大电池容量可达4200Wh/kg。

2、安全性更好:硅的电压平台比石墨高,现在负极石墨都会产生锂枝晶,是因为它们的电压平台接近锂的析出电位,支晶刺破隔膜,正负极将发生短路,严重威胁电池安全。

3、成本更低:硅材料来源广,储量丰富,制作成本较低,对环境友好 。采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8%以上,体积能量密度可以提升10%以上,同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%。

4.2. 劣势

1、循环性能差:嵌锂后体积膨胀,石墨在锂离子嵌入后体积无明显膨胀情况,但硅在锂离子嵌入后体积膨胀四倍以上,来回几次膨胀收缩后电池就报废了。

2、导电性差:硅的低电导性限制其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能;体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差,导电性下降;硅表面的SEI膜厚且不均匀,影响导电性与电池整体比能量。

4.3. 4680电池创新设计

Tesla对原材料重新设计,采取高弹性材料,并通过增加弹性的离子聚合物涂层,可以稳定硅表面结构,并使成本降低5%。

图:Tesla硅负极工艺原理

4680电池资料——电池技术升级(图5)

4.4. 硅碳负极为硅负极的发展方向

电池企业积极应用硅碳负极:硅碳负极目前主要应用于圆柱电池,宁德时代、力神电池、国轩高科与普莱德等动力电池厂商高比容量电池方案中,硅碳负极为明确发展方向。

硅碳负极研发生产提速:国外硅碳产业化较为领先,国内厂商正积极追赶,目前国内负极厂商已扩大硅碳负极投入,贝特瑞、杉杉、国轩高科、正拓能源可实现量产。其中贝特瑞硅碳负极供给松下动力电池,进入特斯拉产业链。部分电池企业如CATL、比亚迪、国轩高科、比克和天津力神等企业均在硅碳积极布局。

硅碳电池是高能量密度发展的必然趋势,随技术瓶颈的克服与终端客户接受度提升,硅碳将成本下降,实现大规模量产, CNCET预计23年我国硅碳负极材料产量及消费量将达到6万吨,未来硅碳负极市场前景巨大。


5. 正极

不同的电极用在不同的产品上,铁锂版的4680会用在低续航的车型和能源储蓄电池,主打更多循环次数;镍锰锂4680电池用在中等续航的车型和家用电池上;高镍4680电池用在cybertruck和Semi上。

Tesla正极材料主打高镍无钴化方向,但没有提出与主流路线之外的创新:使用NCA单晶路线,通过提升电压来提升能量密度,材料热稳定性媲美磷酸铁锂。

5.1. NCA

三元正极材料路线一般分为两条:

1)Tesla采取的NCA(镍钴铝);

2)NCM(镍钴锰),比如宁德时代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

图:NCM与NCA区别

4680电池资料——电池技术升级(图6)

正极材料中元素的作用为:

镍:提升电池能量密度,降低电池成本。是电池提升续航的关键。

钴:作为正极支架结构坚固,但价格昂贵,并对环境造成污染。

锰、铝:提高材料的导热性,是热稳定性,更安全的关键。

铁:镍的替代材料,能量密度不高,但价格便宜,充放电次数更高。

相比与NCM,NCA的能量密度更大,工艺要求也更高,但安全性差些。Tesla提高镍的含量,降低钴的含量,从而提升能量密度,降低成本。

5.2. 单晶化

与提高镍元素来提高能量密度不同,单晶化是通过提高正极材料的电压来提升能量密度:单晶材料相对于传统的多晶材料更适合做高电压,没有晶界,可提升三元电池的热稳定性和循环性能。

以5系为代表高电压单晶材料镍55电池,只采用了和NCM523相同的镍含量,就可实现NCM811的能量密度,并且有更突出的材料方面的热稳定性,成本比NCM811更低。

5.3. 4680电池正极趋势

4680电池实际有三种不同的正极材料:铁锂、镍锰铝、高镍。

5.3.1. 4680电池目前以高镍方向为主

4680高镍版为Tesla目前主要方向,未来用在高续航的Cybertruck和Semi上,同时长续航和高性能版本的Model3和ModelY也可使用。

5.3.2. 4680电池镍锰版将紧跟高镍版

在4680高镍版技术成熟后,将研发4680镍锰版,将应用在中等续航Model Y及家用电池等产品上。

5.3.3. 4680电池未来也有可能使用铁锂正极

4680电池也有可能使用铁锂正极:Tesla电池发布会中,并未提及其循环性能,因为硅基阳极体积膨胀降低充放电次数,在镍锰版4680电池技术成熟后,铁锂版的4680电池大概率也可推出,应用于低价车型、能源储蓄电池中,主打高循环性能。

电池型号从高镍版陆续到镍锰版最后到铁锂版的4680电池逐渐发展,会拉动相关材料的需求。


6. 产业化进度

1、特斯拉在2020年率先发布,计划在22年年底达100GWh的4680电池产能,2030年达3TWh。

2、亿纬锂能在大圆柱电池方面布局较为领先,2021年已生产出4680和4695成品,并获得下游车企认可。此次规划的20GWh乘用车用大圆柱电池产能预计在2023年开始量产。

3、松下计划2022年3月在日本开始试生产4680电池,4680电池产品开发的技术目标已基本实现,但大规模量产仍存在技术门槛。

4、LG、三星、宁德、比克、蜂巢等电池企业也在研发中,大圆柱电池的应用会进一步推动高镍材料的发展。


7. 结论

4680电池核心创新工艺为:大电芯+全极耳+干电池技术,增强了电池功率与安全性,提升了生产效率、快充性能,降低了电池成本,能量密度、循环性能有进一步的提升空间。目前技术难点在于全极耳的制作和焊接、干电极工艺。4680电池率先应用于高镍体系,预计22年上半年特斯拉及松下开始量产,将带动高镍正极+硅碳负极+碳纳米管导电剂+大圆柱结构件+新型锂盐需求,对应龙头将受益;国内大圆柱电池亿纬布局领先,拟投20gwh产能,预计将于23年放量。


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