最近请教了一位产业链的朋友关于4680大圆柱电池的信息,我节选了一些我认为最有价值的内容,并且根据我的理解做一些重新阐述。

 

图1 松下从1865、2170和4680的迭代

 

Part 1 4680带来的能量提升

 

某厂家4680电芯规格(目前估算为0.65元每瓦时,应该比21700低一些)

 

石墨+高镍:26Ah,能量密度283wh/kg

硅碳+高镍:30Ah,能量密度300wh/kg

 

与之做对比的是,松下早期的NCA的能量密度是254.8 Wh/kg,LG的811电芯的能量密度是248Wh/kg。

 

 

图2 特斯拉的4680和21700的差异在点电量差异比较大

 

21700:4个模组,4400多个电池,能量密度170wh/kg

46800:无模组,960个电池,能量密度215wh/kg

 

在特斯拉的传统方案中,21700一般有4个模组,两个大模组,两个小模组, 21700电池重量大概是312公斤,使用4400多个电池。

 

4680是900多个电池一起排列,没有模组,结构件重量只有12公斤。4680有336公斤,因为它是960个电池。4680大概只有90公斤,因为它在BMS上有一些优化。电池包的重量,21700是474公斤,4680大概只有438公斤左右。21700pack是170wh/kg,4680是215wh/kg。

 

备注:这个数据是从特斯拉来的,实际我们都也没见过,实在高得离谱,我个人觉得已经超过我的想象。

 

按照调研的结果,这个国内版本的4680电芯,正极材料采用811三元高镍体系,负极是人造石墨(随着开发的进一步发展,可能会向硅负极转化)。

 

电芯工作电压为2.8V-4.2V,设计的快充时间是20分钟充电至80%,单个电芯重量约为355克,1/3 C循环寿命可以做到1500度循环(80%容量保持率)。

 

在这样的设计参数下,基于CTC的4680电池包可以做到95个千瓦时,对应21700是82千瓦时,电池包容量提高了15%左右。

 

目前在制造4680电芯过程中,遇到的问题主要是工艺的匹配和自动化设备的匹配。4680相比较于21700的制造工艺存在差异,举例来说:

  • 在涂布工艺上,全极耳一定的弧形造成对设备的精密度要求更高,外圈留白比内圈留白会越来越多;
  • 分切工艺的要求也更高,如果边不齐,造成极耳贴合出现缝隙点焊工艺来看,全极耳激光点焊会造成焊点增加(4680的焊点数量相比21700提高五倍以上)

 

在制造中,电芯企业需要和设备厂家针对这些细节做相对应工艺的优化,才能实现把良率提高到可以接受的范围内。

 

对于特斯拉来说,随着4680的推广,将来在国内需要有两三家代工厂来实现更大的产能。从时间进度来看,国内的龙头企业也投入了一些资源在开发4680并且后面投入产线,预计在2022年年底或者2023年上半年SOP,国外圆柱龙头可能在2022年出量产产品。

 

Part 2 一些工艺的讨论

 

从调研来看,全极耳有两种实现的方式:

1)先切割后卷绕:通过计算,在卷绕之前就切成很多份,卷绕时切开的部分就是一条直线,然后再焊接。按照这种工艺,良率可以实现60%+

 

2)先激光模切后卷绕:卷绕后再对留白铜箔激光模切,对精度要求很高。如果两层铜箔之间有缝隙,激光能量比较大,会造成不同铜箔之间的间隙不一样,还有可能切到材料。造成内阻不一样。在这种工艺下,良率可以提升到70%+

 

图3 工艺的实现方式

 

从材料来看,

 

正极:811体系高镍正极和原来没有太大变化

负极:采用硅氧基更合适,硅碳的体积膨胀比硅氧大很多,从目前来看不安全

隔膜:双面陶瓷和一面陶瓷一面PVDF,使用硅负极后可能有一面用陶瓷,一面在陶瓷的基础上涂一层1μm的PVDF。这是为了抑制硅负极的膨胀,PVDF可以保留离子的传输通道,同时提高极片上负极粉的稳定性,防止脱落,增加循环。

电解液:使用硅负极添加的电解液会比高镍多6%。

集流体:箔材方面,正极没有太大变化。

碳纳米管:正极导电剂以碳管为主,主要用多壁碳管和SP来进行配合;用量在1%左右,811体系对碳管纯度要求高,如果存在金属杂质的话,在使用过程中会有金属析出,影响材料性能。

粘接剂:石墨体系使用CMC和SBR,换成硅极后可能使用改进的SBR,CMC加得少一些,在SBR上加一些羧基的官能团,这样和硅可以形成一些化学键,能够稳定充放电过程中的体积变化。另外一种方案是使用PA聚丙烯酸(还不成熟)。

 

小结:

我觉得挺有用的,供各位参考。