深度解析特斯拉引領(lǐng)第二代4680電池產(chǎn)業(yè)化

前言

寧德時(shí)代正加快研發(fā)4680電池節(jié)奏，計(jì)劃2024年量產(chǎn)；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圓柱產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2023年量產(chǎn)；億緯鋰能現(xiàn)有已建成電池產(chǎn)能39GWh，預(yù)計(jì)2024年將擴(kuò)大至225GWh，其公司公告顯示在湖北荊門計(jì)劃投產(chǎn)20GWh年產(chǎn)能的三元大圓柱電芯產(chǎn)線，建設(shè)周期不多于18個(gè)月，有望在2024年底開始供應(yīng)。

4680大圓柱電池的量產(chǎn)，通過(guò)電芯設(shè)計(jì)、電芯工廠、正負(fù)極材料以及整車電池一體化這五個(gè)方面，整體成本可以下降56％，預(yù)計(jì)未來(lái)大圓柱將代替部分軟包和方形的市場(chǎng)份額。能量密度高、安全可靠、充電倍率提升的突出優(yōu)勢(shì)，使2023年有望成為4680大圓柱電池放量元年，帶動(dòng)新能源車電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈深化變革。

近期，4680電池又受到關(guān)注。從目前公開的技術(shù)創(chuàng)新專利看，4680電池將采用包括高鎳正極和硅基負(fù)極材料方面的技術(shù)，使用大圓柱和無(wú)極耳（全極耳）的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，以及使用干法電極技術(shù)的工藝創(chuàng)新。本文主要介紹4680電芯制造技術(shù)創(chuàng)新和工程化量產(chǎn)瓶頸。

一、材料創(chuàng)新方面

4680電池采用高鎳三元正極材料和硅基負(fù)極材料。高鎳正極材料(Ni80%)相比于傳統(tǒng)的層狀LiCoO2具有高比容量、低成本、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)；硅是目前已知比容量最高的鋰離子電池負(fù)極材料，最高鋰含量的合金相Li22Si5理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨負(fù)極10倍左右，采用硅基負(fù)極材料的鋰電池質(zhì)量能量密度可以提升8%以上，同時(shí)每kWh電池的成本可以下降至少3%。

1、工程進(jìn)度：通過(guò)能譜儀檢測(cè)分析4680第一代電池，負(fù)極為QCG-X人造高純石墨，并沒有使用硅基負(fù)極材料。原因是硅碳負(fù)極材料制備工藝相對(duì)復(fù)雜，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化制備方法，規(guī)模化生產(chǎn)存在一定困難。

2、量產(chǎn)瓶頸：硅基負(fù)極材料充放電時(shí)體積劇烈變化。硅鋰合金的生成與分解伴隨著巨大的體積變化，最大膨脹可達(dá)320%（鋼殼似乎可以較好抑制膨脹）。這將破壞電池結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電池容量損失，性能下降（容量衰減快）。相比之下，傳統(tǒng)的片材石墨負(fù)極工作時(shí)，鋰嵌入石墨六邊形結(jié)構(gòu)層間的空隙，體積變化只有16%。

3、解決方案：


對(duì)于單質(zhì)硅負(fù)極膨脹帶來(lái)的問題，可采用硅復(fù)合材料應(yīng)對(duì)，當(dāng)前具備商業(yè)化前景的有硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極。硅碳負(fù)極是指納米硅與碳材料混合，硅氧負(fù)極則采用氧化亞硅與碳材料復(fù)合。硅氧負(fù)極動(dòng)力領(lǐng)域進(jìn)展較快。氧化亞硅在鋰嵌入過(guò)程中發(fā)生的體積膨脹較小，因此相對(duì)純硅負(fù)極，其循環(huán)穩(wěn)定性有較為明顯改善，更適合應(yīng)用于動(dòng)力電池領(lǐng)域，目前主流負(fù)極材料廠商（貝特瑞等）對(duì)氧化亞硅負(fù)極均有所布局。

硅基材料應(yīng)用于新一代負(fù)極已經(jīng)形成共識(shí)，硅基負(fù)極應(yīng)用車企已明顯提速。除特斯拉以外，包括蔚來(lái)、智己和廣汽埃安在電池技術(shù)上均涉及硅負(fù)極，并計(jì)劃2023年上市交付。在寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、星恒電源、比克、億緯鋰能等電池廠商高比容量電池方案中，硅碳負(fù)極被明確列為發(fā)展方向。

二、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面

當(dāng)下，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新在電池領(lǐng)域比材料創(chuàng)新更有實(shí)踐意義。4680電池采用大圓柱外殼和無(wú)極耳結(jié)構(gòu)。4680電池是在2170電池的基礎(chǔ)上直徑和高度同時(shí)做了擴(kuò)展，直徑增加一倍多至46mm，高度增加至80mm，該尺寸是特斯拉工程團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)遍歷測(cè)試后，綜合考慮續(xù)航里程和成本得到的相對(duì)平衡點(diǎn)。

傳統(tǒng)的圓柱體電池正負(fù)極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來(lái)卷繞，為了引出電極會(huì)在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個(gè)導(dǎo)引線叫極耳。全極耳則是負(fù)極的銅箱或正極的鋁箱模切后，與集流盤或者殼體直接焊接起來(lái)。相比這種單極耳，使用全極耳的電池內(nèi)阻直接降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。但在制造技術(shù)方面則增加了極耳模切、揉平、全極耳與集流盤激光焊接工藝等，增加了制造難度。其本質(zhì)是，縮短鋰離子遷移距離，定向顆粒、定向遷移，疊加穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得鋰離子內(nèi)部構(gòu)建起極佳的動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件。

1、工程進(jìn)度：4680電池采用全極耳結(jié)構(gòu)，第二代4680電池正極集流體和正極全極耳焊接在一起，沒有負(fù)極集流體，負(fù)極全極耳直接與底蓋焊接在一起。

2、量產(chǎn)瓶頸：4680電池的極耳在模切、揉平和激光焊接等工藝環(huán)節(jié)存在大規(guī)模量產(chǎn)的難點(diǎn)。

（1）極耳模切：全極耳電芯在極片涂布時(shí)，會(huì)在集流體一側(cè)預(yù)留空箔區(qū)，經(jīng)過(guò)輥壓和分切后，將集流體邊緣的空箔區(qū)切割成多個(gè)極耳，再進(jìn)行卷繞（最內(nèi)測(cè)和最外側(cè)無(wú)極耳）。激光切割極耳時(shí)的難點(diǎn)包括：①極片在切割時(shí)易抖動(dòng)；②切割后廢料不能有效排出；③模切長(zhǎng)度和次數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)極耳。

（2）極耳揉平：在4680電池制造工藝中，需要對(duì)電池卷芯的全極耳進(jìn)行揉平，待電池卷芯的斷面平整后再與集流體焊接。揉平過(guò)程中難點(diǎn)包括：①揉平速度過(guò)快時(shí)，極片外翻；②揉平速度過(guò)慢時(shí)，生產(chǎn)效率低；③揉平時(shí)產(chǎn)生金屬屑較多，導(dǎo)致內(nèi)部短路；④摩擦產(chǎn)生大量粉塵；⑤產(chǎn)生極耳褶皺。

（3）極耳焊接：4680大圓柱電池存在多個(gè)極耳，正負(fù)極整體與集流盤焊接，集流盤上細(xì)絲焊縫數(shù)量較多，焊點(diǎn)數(shù)量大幅增加（4680焊接點(diǎn)位較21700增加了5倍），并且一般需要使用連續(xù)激光焊接設(shè)備。激光焊接過(guò)程難點(diǎn)包括：①激光連續(xù)焊接可能造成虛焊和穿焊；②焊接時(shí)熱堆積；③全極耳形態(tài)不受控。

3、解決方案：

（1）極耳模切：將正負(fù)極全極耳模切成多個(gè)平行四邊形的極耳單體，這樣不僅能夠在揉平過(guò)程中杜絕極片外翻，在與電池外殼組裝時(shí)，不易刮傷電池外殼的內(nèi)壁，且能夠減少金屬屑的產(chǎn)生，避免短路；同時(shí)，這種平行四邊形結(jié)構(gòu)能夠有效減少揉平時(shí)的輥壓力，從而避免活性材料的脫落，大大提高良品率。4680生產(chǎn)線采用海目星激光模切設(shè)備，可進(jìn)行極耳飛行激光切割，隨速變頻變功控制，減少毛刺、熱影響和漏金屬等質(zhì)量問題。

（2）極耳揉平：國(guó)內(nèi)部分專利采用機(jī)械揉平方案，通過(guò)揉平機(jī)的揉平頭直接接觸在全極耳上，再隨著揉平頭的自轉(zhuǎn)靠近全極耳后，碾轉(zhuǎn)帶動(dòng)全極耳揉平在卷繞電芯的端部。在這樣的揉平方法中，由于揉平頭直接與全極耳接觸摩擦，往往會(huì)將柔軟的全極耳部分揉碎，該揉碎的碎末顆粒就會(huì)進(jìn)入圓柱型鋰電池的正極端或負(fù)極端之間而產(chǎn)生短路。因此，新型全極耳揉平機(jī)的開發(fā)有望得到市場(chǎng)重視。

目前主流的全極耳技術(shù)采用公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)相結(jié)合的行星式揉平整形技術(shù)，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力降低40～60倍?？梢愿鶕?jù)正負(fù)極集流體厚度、卷芯直徑、進(jìn)階量設(shè)計(jì)等，對(duì)行星式揉平頭的直徑、錐角與倒角階梯等進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合無(wú)損整形數(shù)控系統(tǒng)，在正負(fù)極集流體許用應(yīng)力范圍值內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全極耳高速、無(wú)損成型，效率≥50PPM、精度±0.05mm，嚴(yán)格控制了因摩擦導(dǎo)致集流體受損、破裂產(chǎn)生的粉塵與顆粒。

全極耳采用吹氣方案，電芯內(nèi)部和外部均無(wú)極耳，中部有極耳，吹氣嘴吹平極耳并隨著電芯直徑的增長(zhǎng)往外移動(dòng)。

（3）極耳焊接：目前行業(yè)相關(guān)設(shè)備企業(yè)，開發(fā)了多層極耳焊接工藝，替代超聲波極耳焊接，減少鋁極耳的斷層比例，突破高反材料厚薄疊接自適應(yīng)精密激光焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁和銅等高反材料厚薄疊接精密焊接，并將2mm熱影響區(qū)內(nèi)溫升控制在80℃以內(nèi)（低于隔膜熱影響溫度），避免造成隔膜灼傷或熱影響，通過(guò)激光焊接實(shí)現(xiàn)集流體與集流盤、正負(fù)極（蓋板）全面積本材連接，是圓柱全極耳電池規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用的核心技術(shù)。

4680全極耳創(chuàng)新技術(shù)引起了工藝和裝備的革新，鋰電裝備企業(yè)也紛紛投入研發(fā)新設(shè)備。和其他圓柱電池制造工藝相比，4680雖然在涂布、輥壓、注液方面也有區(qū)別，但最主要的還是全極耳的制造效率和產(chǎn)品直通率，這是影響4680電池能否量產(chǎn)的關(guān)鍵。

三、工藝創(chuàng)新方面

除了因結(jié)構(gòu)創(chuàng)新而引起的工藝創(chuàng)新以外，4680電池還引入了干法電極工藝。鋰離子電池的極片加工工藝按照是否使用溶劑，可分為濕法工藝和干法工藝：需要大量溶劑制備漿料通過(guò)涂布制備極片為濕法電極；相對(duì)應(yīng)的，不使用任何溶劑或者僅添加少量助劑，通過(guò)粘結(jié)劑纖維化，并通過(guò)輥壓機(jī)輥壓制備極片膜再熱壓復(fù)合得到的是干法電極片。干法制備極片工藝不需要復(fù)雜的涂布設(shè)備，僅僅通過(guò)連續(xù)的加熱輥壓即可制備電池極片。該技術(shù)由于無(wú)需溶劑和干燥過(guò)程，能耗低，占地小，生產(chǎn)效率高，同時(shí)可以增加能量密度，是一種成本較低的工藝。

1、工程進(jìn)度：4680電芯自2022年投產(chǎn)后一直都處于小批量生產(chǎn)階段，只有少量特斯拉車型搭載4680電池進(jìn)行交付。通過(guò)拆解第一代特斯拉4680電池發(fā)現(xiàn)，正極未使用干法電極技術(shù)，負(fù)極使用了干法電極技術(shù)。

2、量產(chǎn)瓶頸：正極干法電極成膜的連續(xù)穩(wěn)定性差、厚度一致性不易控制、生產(chǎn)速度低。

正極材料在纖維化完成后，由于材料呈黏性絮狀性而且相互交聯(lián)態(tài)，而材料本身自潤(rùn)滑性差，在連續(xù)傳輸過(guò)程中，極易出現(xiàn)偏析、架橋、結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象，自支撐膜制作難度極高。而負(fù)極采用干電極技術(shù)是因?yàn)樨?fù)極主要為石墨類，材料本身帶潤(rùn)滑作用，在粉體傳輸和輥壓過(guò)程中流動(dòng)性極好，自支撐膜制作難度較低。

從特斯拉公開的視頻可以看出，采用臥式對(duì)壓輥，在兩輥之間添加纖維化粉體，兩輥驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)材料至壓輥之間進(jìn)行壓制，由于材料堆積在兩輥之間，無(wú)法精確控制計(jì)量傳輸，膜片出現(xiàn)厚度不均勻，面密度不一致，甚至斷帶、孔洞等現(xiàn)象。纖維化后的粉體材料潤(rùn)滑性差，局部過(guò)厚的粉體材料會(huì)撐大兩支壓輥之間的縫隙，導(dǎo)致兩輥壓力超負(fù)荷，使得輥體變形，甚至輥體無(wú)法驅(qū)動(dòng)。連馬斯克也承認(rèn)“干法正極工藝遇到極大挑戰(zhàn)”。

同時(shí)，受熱膨脹、延展率、速差等因素影響，極片厚度、面密度等難以控制；電極自支撐膜韌性差，張力小，提速后易斷裂，造成生產(chǎn)難以提高速度。

3、解決方案：

解決上述問題，需要提高成膜的連續(xù)穩(wěn)定性。一是物料進(jìn)行造粒處理，使粒徑保持在2mm內(nèi)，且大小均勻；二是采用振動(dòng)方式連續(xù)均勻給料。

同時(shí)，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)保證厚度一致性。使用厚度、面密度在線檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)閉環(huán)控制；并且提高生產(chǎn)速度。一是電極膜增加載體，保證電極膜韌性；二是采用并排多輥進(jìn)行連續(xù)減薄轉(zhuǎn)移。

在干法電極制造方面，國(guó)內(nèi)公司（嘉拓）也公布了工程化技術(shù)，從固體粘接劑、工藝方法和設(shè)備方面的解決方案。

目前行業(yè)中相關(guān)企業(yè)（嘉拓，華起睿智等），已經(jīng)針對(duì)對(duì)不同粘結(jié)劑（PTFE、PVDF、PAN、改性PAA等）在干法電極的應(yīng)用，電極材料粉體形貌在混料、成型、復(fù)合后的電化學(xué)性能，干法涂布（干粉、熱熔）可行性進(jìn)行了深入研究，并研制電極膜減薄成型工藝和設(shè)備，實(shí)施多輥輥壓和鋼帶輥壓的設(shè)備路線。鋼帶系統(tǒng)可以作為自支撐電極膜的載體，減少電極膜在輥對(duì)輥制造和高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的斷帶?，F(xiàn)在已完成三元正極材料+PTFE2%+愛立許攪拌+鋼帶壓延一次成膜驗(yàn)證。

采用自主研發(fā)的多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料作為添加劑，可防止纖維化后的粉體材料在生產(chǎn)輸送過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚、分層、偏析、架橋。開發(fā)了一套專用的粉體輸送工藝和裝備，通過(guò)高精度計(jì)量傳感器與控制器對(duì)高黏性絮狀混合粉體進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，得到面密度均勻的自支撐電極膜。電極膜成型采用高精度連續(xù)輥壓設(shè)備，壓力逐級(jí)放大，同時(shí)，對(duì)壓的兩輥設(shè)置速差，讓電極膜成型時(shí)產(chǎn)生“揉”和“搓”的作用，以提高成型效果。

總而言之，目前4680電池的產(chǎn)業(yè)化仍面臨以下幾個(gè)問題：

第一，是良品率不高生產(chǎn)效率未達(dá)到預(yù)期：良品率和每分鐘產(chǎn)出數(shù)遠(yuǎn)低于2170電池，即便進(jìn)行設(shè)備改造后提升50%效率，在2023年也無(wú)法與2170電池的數(shù)據(jù)相比，從而成本也相對(duì)較高。而目前距離理想的良品率和生產(chǎn)效率，至少還需要2~3年才能實(shí)現(xiàn)。

第二，電芯性能未能達(dá)到預(yù)期：目前4680電池的單體電池的能量密度距離目標(biāo)的300Wh/kg以上的目標(biāo)差距明顯。按節(jié)奏，在明后年先滿足基本的生產(chǎn)效率，在量產(chǎn)達(dá)到一定程度上之后，再提升電芯性能，初步規(guī)劃是在明年下半年開始著手（當(dāng)然也要看生產(chǎn)效率是否達(dá)標(biāo)）。

第三，先進(jìn)工藝應(yīng)用情況：硅碳負(fù)極已經(jīng)在使用了（占比大約是實(shí)驗(yàn)室數(shù)值的一半），干法電極正極技術(shù)尚不成熟暫時(shí)尚未批量投入生產(chǎn)，全極耳生產(chǎn)效率還有待提高。由于技術(shù)迭代的時(shí)間短，4680電池工程化在生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制方面仍存在矛盾（短期內(nèi)批量供應(yīng)的難度較大）。

審核編輯 ：李倩