产量突破百万,特斯拉引领4680电池时代加速到来?

Daisy 盖世汽车2022-2-25 7:00:58

“为我们一月份生产的第100万块4680电池庆祝!”日前,特斯拉在海外社交平台Twitter宣布了这一消息,这意味着其布局良久的4680电池技术在大规模量产路上又前进了一大步。

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特斯拉第100万块4680电池下线;图片来源:特斯拉Twitter截图

据了解,特斯拉4680电池最早在2020年9月下旬举行的“电池日”上得以披露,彼时特斯拉CEO埃隆·马斯克将其视为电池技术上的“巨大的突破”。

顾名思义,4680电池以尺寸命名,是一款直径为46mm、高度为80mm的圆柱型电池。那么,相比于现有的圆柱形电池,4680电池的突破点体现在哪些方面?除了特斯拉外,相关动力电池企业是否有布局?这一全新的电池技术,距离大规模量产还需要多久?

三大创新技术,特斯拉4680电池性能、成本更优

在动力电池封装形式的选择应用上,国内大部分车企主要使用方形电池,国外主要是软包电池,而特斯拉是为数不多大规模使用圆柱型动力电池的车企,从最早期Model S上使用的1865电池,到目前Model 3和Model Y上使用的2170电池,再到此次量产的4680电池,均为圆柱型。

从特斯拉的电池命名可见,相较于前两代电池,新一代4680电池在直径和高度上都增加了不少。不仅如此,相较于2170电池,4680电池的容量可以提升5倍,同等电池包下整车续航里程提升16%,此外每千瓦成本下降14%。

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特斯拉4680电池;图片来源:特斯拉

也就是说,4680大圆柱电池可以极大程度减少单个电池包电池电芯数量。根据相关数据测算,此前一代的1860圆柱电池需要7200+个电芯,第二代2170圆柱电池需要4400+个电芯左右,如今的4680大圆柱电池仅仅只需要950-1000个电芯。

在业界看来,特斯拉4680电池在产品性能上取得的巨大突破,与其在电芯结构和电池材料等方面的创新密不可分。

据了解,在电芯结构方面,特斯拉4680电池采用了无极耳(即全极耳)技术,传统电池有两个极耳,分别连接正极与负极,无极耳则直接从正极/负极上剪出极耳,缩短了极耳间距的同时还增加了极耳面积。也正是基于这一技术,体积更大的4680电池才有效地解决了高能量密度电芯的散热问题。

民生证券指出,4680电池采用新型无极耳技术可实现降本增效,无极耳技术一方面增大了电流传导面积、缩短电流传导距离,大幅降低电池内阻;内阻降低可以减小电流偏移现象,延长电池寿命;电阻减小还可降低热量产生,电极导电涂层和电池端盖的有效接触面积可达到100%,能提升散热能力。

在电池材料上,4680采用了硅碳负极材料。这是一种理论上能量密度比传统石墨负极更高的材料,采用硅负极材料的锂电池质能密度可提高8%以上,体能密度则可达到提升10%以上。同时,由于石墨负极的电压十分接近锂的沉积电位,硅基负极材料相比之下有更好的安全性。且硅材料来源广泛、成本低廉,是一种环保原料。

另在电池生产工艺上,特斯拉4680电池采用的干电极技术,树立了动力电池新标准。据了解,传统电池需要先放置在NMP等有毒且昂贵的溶液中,然后再干燥并压成薄膜。而干电极技术则省去了放置溶液的步骤和干燥的过程,通过将活性正负粒子与聚四氟乙烯(PTFE)混合,使其原纤化,再将粉末直接碾压成薄膜,压在铝或铜的原材料上。这一工艺相对简单,且生产速度更快。

且值得一提的是,干电极技术不仅节约了传统方法带来的溶剂开支和覆膜机成本,同时解决了溶剂中的锂和碳若不能融合所带来的容量损失的问题,从而提高了约5%的电池能量密度。

诸多电池厂商跟进,4680电池有望成为重要技术路线

在汽车电动化的发展进程中,续航里程、成本一直是制约纯电动汽车快速实现市场全面渗透的重要因素。且自2021年以来,动力电池原材料遭遇多次涨价,让车企增效降本的需求愈发强烈,而在性能、成本、安全方面更具优势的4680大圆柱电池成为车企的重要选项之一。

据悉,除了特斯拉自身推出4680电池外,包括保时捷、宝马、江淮、东风等车企也有意或者已经与电池企业共同推动大圆柱电池的开发,希望未来应用到相关车型上。有相关业内人士透露,保时捷、宝马正联合一些电池供应商开发大圆柱电池,但规格型号尚未确定。江淮汽车新能源汽车研究院电池系统部技术副总监秦李伟曾透露,目前江淮汽车正在进行基于46系列的全新平台进行规划,未来将开发46800/46105系列电芯,并实现整包CTP。

在此背景下,松下、宁德时代、LG新能源、亿纬锂能等动力电池企业均开始积极布局4680电池。

日前,松下表示,预计今年4月开始试生产4680电动汽车电池,之后该公司还打算在松下大阪总部附近的和歌山县进行进一步试产,不过正式大规模量产的时间和地点尚未确定。同时松下电器首席财务官Hirokazu Umeda表示:“当我们真正能够交付4680时,我们计划将优先满足特斯拉。”

亿纬锂能相关负责人近日表示,公司4680电池厂房正在建设中,合作方不方便透露。亿纬锂能曾公开表示,公司已完成大圆柱电池战略布局,包括4680和4695两大型号,预计2023年产能释放20GWh,2024年达到40GWh。

比克电池在2021年3月对外展示了自主研发的4680电芯。比克首席科学家林建表示,比克已与客户合作进行全极耳大圆柱电池的应用开发,预计将于2023年开始批量化生产。据比克电池透露,目前公司正与国际知名车企进行大圆柱电池的联合开发。

东吴证券表示,大圆柱电池在能量密度和生产成本方面存在巨大优势,未来有望成为一种重要的技术路线。

提升良品率是当务之急,大规模装车或在2023

不过,4680大圆柱电池虽好,但是这一新技术从实验室走出到最终大规模量产装车,中间需要克服的难题还有很多,首先摆在眼前的就是良品率问题。

通常来说,动力电池大规模应用的良品率基准线为90%,如果良品率在80%以下,则大规模量产没有经济性。从特斯拉来看,其自2020年9月推出4680电池以来,就开始在美国加利福尼亚州弗里蒙特工厂试制。通过过去一年的努力,特斯拉4680电池的良品率才从最初的20%提升至80%。

有分析指出,4680电池良品率难以提高的原因仍与其整体结构有关。其整体结构是:一层隔膜,两端分别有一层铜箔和铝箔做负极和正极,但膜在卷绕过程中容易发生正负极微短路,当自放电流大到一定程度,就会产出不良品;从电池内部构造来看,采用的鱼鳞涂覆技术在涂覆不均的时候,也会影响良品率;此外全极耳与集流盘或壳体的连接需要采用面焊技术,相较于传统两个极耳的点焊,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,造成产品不合格。

一个好的消息是,在最新的2022年1月22日的产品检测里,特斯拉弗里蒙特工厂14 条试生产线的4680电池良品率最终达到了92%,这也助推了特斯拉第100万块4680电池的成功量产下线。不过,相较于2170 电芯早已达到99%的行业良品率现状,4680电池还有很大的提升空间。业界普遍认为,短期内,4680良品率达到95%左右将是一个很好的数字。

如此也就不难理解,在上述各企业公布的4680等型号大圆柱电池的量产时间线来看,多数企业将大圆柱电池批量生产的时间定2023年。

此次,特斯拉第100万块4680电池的量产下线,对该产业来说应该是一个良好的开端,未来随着更多电池厂商的相继入局,4680电池的良品率有望不断提升。中信证券研报认为,目前特斯拉4680电池已实现量产,有望引领产业变革。当前主流电池厂纷纷跟进,预计2023年迎来爆发。届时,这一全新的电池技术将对现有电池市场带来怎样的冲击与变革,值得期待。

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《乘用车电气化市场与技术分析月刊》