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當(dāng)時，特斯拉推出一個像餅干盒一樣的4680圓柱電池，“無極耳”“干電極”成為新技術(shù)關(guān)鍵詞，動力電池行業(yè)的大圓柱時代悄悄拉開了序幕。

4680指的是圓柱形電池直徑為46mm、高度80mm。大圓柱是相對于小圓柱而言。

特斯拉最初的動力電池是松下生產(chǎn)的1865（直徑為18mm、高度65mm）圓柱電池。

二三十年過去，圓柱形電池尺寸從小變大，這并不僅僅意味著尺寸升級。

多位電池企業(yè)高管表示，人們對電動車的關(guān)注點(diǎn)主要在安全性、續(xù)航里程、充電能力等方面上，一個解決方案和賽道就是大圓柱動力電池。

大圓柱電池不局限于某一家企業(yè)，是由很多車企和電池廠一起劃下的一個賽道，該領(lǐng)域未來的可替代性和后續(xù)迭代范圍，會逐漸擴(kuò)大。

根據(jù)車企訂單需求，今年開始放量的大圓柱電池主要適配中高端車型，也即多采用三元高鎳型大圓柱電池。

華泰證券預(yù)計，46 系（直徑46mm）大圓柱電池的需求主要由特斯拉、寶馬等車企拉動增長，按照相關(guān)車企對 46 系大圓柱電池的需求規(guī)劃，預(yù)計 2027 年全球 46 系大圓柱電池裝機(jī)量有望達(dá)到 407.3GWh，對應(yīng)市場規(guī)模 2036.6 億元。

深圳市比克動力電池有限公司副總裁樊文光認(rèn)為，到2030年，大圓柱電池會占到全球動力電池30%以上的市場份額。
 

從“小”到“大”

圓柱型電池的流行以及從小圓柱變?yōu)榇髨A柱，用了30多年，特斯拉是最重要的技術(shù)革新者和推動者。

最早將圓柱型鋰電池進(jìn)行商用的是索尼公司。1991年，索尼發(fā)布了1865圓柱電池，開啟了鋰電池商用時代。

松下第一個為車企提供圓柱電池。1997年，全球首個混合動力汽車豐田普銳斯搭載了松下產(chǎn)的圓柱型電池，成分是鎳氫電池。

一位熟悉內(nèi)情的電池業(yè)內(nèi)人士稱，2001年特斯拉覺得造電動車可行之時，四處求人提供車載電池，當(dāng)時鮮有人看好電動車的前景，特斯拉找不到電池供應(yīng)商。

最后，特斯拉找到松下，用松下做筆記本電腦的電池，自己組成pack裝到汽車?yán)铩?/span>

電動車稍微起量之后，特斯拉邀請松下將電池產(chǎn)線移到自己的一個工廠里節(jié)省物流成本，幫著做電池。

2008年，特斯拉首款豪華轎跑車 Roadster 問世，“創(chuàng)造性”地用了 7000 多節(jié)松下制造的 1865 三元鋰電池，由此拉開了特斯拉與松下長期的合作序幕。2016年，二者從采購關(guān)系變?yōu)楹腺Y建廠，二者的合作開創(chuàng)了純電動汽車圓柱電池時代。

2017年，特斯拉與松下共同研發(fā)的 2170 圓柱電池應(yīng)用于 Model 3 上，采用正極材料 NCA（鎳鈷鋁）+負(fù)極硅碳方案，單體容量較 1865 電池提升約 35%。

2020 年 9 月特斯拉召開“電池日”活動，推出 4680 大圓柱電池，標(biāo)志著動力電池行業(yè)進(jìn)入大圓柱時代。

自此，整車和電池領(lǐng)域內(nèi)各企業(yè)爭相布局大圓柱電池，希望在下一代車型和電池設(shè)計上爭取主動權(quán)。

樊文光稱，一年前，處在新能源車企第一梯隊的只有特斯拉一家愿意使用或者有明確意向打造關(guān)于大圓柱電池的純電平臺，第二梯隊的有國內(nèi)少數(shù)車企以及寶馬集團(tuán)。

一年后，北美已經(jīng)有特斯拉、通用等至少4家車廠，歐洲有寶馬等至少3家，國內(nèi)有蔚來、江淮等至少6家車廠都有關(guān)于大圓柱純電平臺的明確意向，而且其中有不少是在高端產(chǎn)品線全部采用大圓柱。

鑒于發(fā)展初期遭遇到電池供應(yīng)短缺的不爽經(jīng)歷，特斯拉選擇自造電池，2022年在加州弗里蒙特試點(diǎn)工廠一周產(chǎn)出86.8萬個4680電芯。

至少有10家以上的全球動力電池企業(yè)，比如寧德時代、LG新能源、松下、三星SDI、中創(chuàng)新航、億緯鋰能、遠(yuǎn)景動力、比克電池、航天鋰電等布局及放量，另外還有一些車廠也在研發(fā)大圓柱動力電池。

樊文光科普道，大圓柱本身是一個壓力容器，行業(yè)里出現(xiàn)的所有電池化學(xué)體系，正極的全固態(tài)電池-半固態(tài)電池-高鎳三元-低鎳的NCM622、NCM532-磷酸鐵鋰-磷酸錳鐵鋰-鈉電池，負(fù)極的鋰金屬-石墨+硅-純石墨，都能裝載進(jìn)大圓柱里。

這很像不同口味的壽司，可以更換里面的餡。

“這個也是大圓柱電池另外一個非常核心的優(yōu)勢，就是比較好的適應(yīng)性，對應(yīng)不同的平臺都會有比較好的兼容性。”樊文光說。

大圓柱可以向下兼容磷酸鐵鋰等經(jīng)濟(jì)型化學(xué)材料，但它的意義在于引爆滿足高能量密度需求的材料市場，對于三元鋰電池正極材料8系以上的（鎳占比超過80%）甚至9系，負(fù)極材料方面對于高性能石墨還有硅氧、硅碳都會有相當(dāng)大的需求。“它會引爆280Wh/kg以上的材料體系市場。”樊文光說。

根據(jù)中汽數(shù)據(jù)，從不同材料來看，2022年已售新能源汽車中所搭載的三元電池平均能量密度約為154Wh/kg，所搭載的磷酸鐵鋰電池平均能量密度約為128Wh/kg。

也因此，根據(jù)車企訂單需求，今年開始放量的大圓柱電池主要適配中高端車型。

華泰證券預(yù)計，全球大圓柱動力電池裝機(jī)量在2023年將達(dá)到15.6GWh,大圓柱戶儲電池裝機(jī)量為0.4GWh。

46mm突破了什么

圓柱形電池的直徑從最初的18mm、21mm，逐漸升級為26mm（2665）、32mm（3265）、34mm（3420），為何最后主流大圓柱電池的直徑定為46mm？

在動力領(lǐng)域，圓柱電池尺寸增大雖然能夠減少整車使用的電芯節(jié)數(shù)，降低BMS的管理難度，但是會帶來性能和安全方面的問題。

根據(jù)華泰證券研究，電池容量每提升10%，其循環(huán)壽命大約會降低20%，充放電倍率會降低30%-40%，同時電池會有20%左右的溫升。如果持續(xù)增大電池尺寸，則會面臨犧牲安全性所帶來的風(fēng)險。

從直徑46mm開始，整車?yán)m(xù)航開始下降，同時降本的邊際效益也逐步趨緩，因此從電池的整體性能和成本兩方面看，46mm 直徑是當(dāng)前生產(chǎn)工藝水平下的最優(yōu)解。

從1865到2170，電池單體容量提升35%，能量密度提升20%，系統(tǒng)售價下降約9%；從2170到4680，按照特斯拉的說法，其4680電池能量密度提升5倍，充放電功率提升6倍，續(xù)航里程增加16%，每KWh系統(tǒng)成本下降約16%。

在特斯拉的主導(dǎo)下，目前相關(guān)車企、電池廠等均以 46 系大圓柱動力電池體系為主要研發(fā)對象。

相較于傳統(tǒng)電池，大圓柱電池不僅僅在尺寸上進(jìn)行升級，也在單體和系統(tǒng)層面上進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。

4680電池最大的創(chuàng)新是新增無極耳技術(shù)，也稱全極耳技術(shù)。

無極耳技術(shù)去掉原有極耳，在電池的一端使用導(dǎo)電涂層進(jìn)行覆蓋，讓其與電池殼體直接接觸，使電子可以直接在集流體和電池殼體間進(jìn)行傳導(dǎo)，而無需集中在極耳處傳導(dǎo)。

相比于傳統(tǒng)電池技術(shù)，應(yīng)用無極耳可使電子移動路徑縮短 5%-20%，使內(nèi)阻減小 5-10 倍；可避免電子偏移和過電位現(xiàn)象的產(chǎn)生，提升了電池壽命；導(dǎo)電涂層和電池殼體的接觸面積達(dá)到 100%，分散了發(fā)熱區(qū)域，有效解決了電池發(fā)熱問題。

無極耳的設(shè)計縮短了電子電流在電池中的移動距離，解決大倍率充放電時溫度升高的問題，大幅提高了充電速度，突破了快充的瓶頸。

德國亞琛工業(yè)大學(xué) Hendrik Pegel 團(tuán)隊通過對比克電池提供的真實(shí)商業(yè)化的全極耳大圓柱電池進(jìn)行參數(shù)化建模，數(shù)據(jù)顯示，在電芯不發(fā)生析鋰的前提下，在20℃溫度，4680 圓柱電池能夠在 12 分鐘內(nèi)完成從 10%— 80%SOC 的快充，快充性能相比常規(guī)單極耳電芯提升3倍。

大圓柱單體電池采用的單側(cè)出正、負(fù)極結(jié)構(gòu)，有利于電池系統(tǒng)層面的電氣互連。

特斯拉的無極耳設(shè)計只有頂殼中間的極柱是正極，極柱以下的表面殼體均為負(fù)極，電池的正、負(fù)極位于相同方向，9 個電芯并聯(lián)為一組，每組電芯的正極匯總后連接到下一組電芯的負(fù)極。

不同于傳統(tǒng)電池采用的鋁絲焊接，4680 電池的電芯和集流器采用激光焊接方式，消除了導(dǎo)線連接造成集流器失效的問題，減少了用于電連接的部件數(shù)量，降低了部件電阻，增加了電池的能量密度，有利于增加電池尺寸。

特斯拉設(shè)計 4680 電池時，創(chuàng)新引入了干電極技術(shù)，具體過程為不使用溶劑，直接將 5%-8% 的細(xì)粉狀 PTFE 粘合劑與正/負(fù)極粉末混合，通過擠壓機(jī)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，化簡了濕法中的漿制、涂布烘干和溶劑回收過程， 提高了極片制備的效率，工藝簡單、高度標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)約了制作成本。

目前干電極的能量密度超過 300Wh/kg，遠(yuǎn)期可達(dá)500Wh/kg。
 

量產(chǎn)瓶頸

特斯拉采用的無極耳解決方案是目前大圓柱的主流技術(shù)路線。

具體操作是，在極片卷繞、進(jìn)卷繞機(jī)之前，在極片上面切出一些小口，在卷起來的時候，一邊卷、一邊把切出來的極耳導(dǎo)向一個位置，最終全部導(dǎo)向一個位置，最后把極耳和回流盤焊接到一起。

各廠商設(shè)計的 4680 電池結(jié)構(gòu)件不同，屬于非標(biāo)準(zhǔn)件。

特斯拉 4680 電池的上、下表面均與電池側(cè)面殼體機(jī)械連接；而根據(jù) LG 新能源的 4680 電池專利說明，電池的上表面獨(dú)立組裝，下表面與側(cè)面合為一體。

從卷芯-無極耳-工藝到設(shè)備，一些起步較早的電池企業(yè)也有自己的技術(shù)路線，各家擅長的領(lǐng)域不同，有各自的壁壘。

從行業(yè)來看，大圓柱電池現(xiàn)階段的量產(chǎn)瓶頸主要來自工藝層面。

大圓柱電池的無極耳創(chuàng)新技術(shù)在極耳模切、揉平、無極耳與集流盤激光焊接等工藝環(huán)節(jié)增加了較多難點(diǎn)，直接影響電池良品率，導(dǎo)致電池規(guī)模量產(chǎn)困難。

實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)需達(dá)到90%以上的良率，這僅靠電芯企業(yè)開發(fā)設(shè)計大圓柱電池裝配段難以實(shí)現(xiàn)，還需要聯(lián)合鋰電設(shè)備企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品升級和工藝革新，從而實(shí)現(xiàn)良率突破，以達(dá)到規(guī)模量產(chǎn)要求。

“前端制片和傳統(tǒng)的圓柱、方殼（電池工藝程序）都差不多，后端的化成也差不多。”樊文光稱，如何把卷芯、殼蓋、里面的內(nèi)部元器件更高效高速、可靠地裝配起來，目前來說還是挑戰(zhàn)比較大的環(huán)節(jié)，不過一些技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)解決了裝配不穩(wěn)定的問題。

樊文光介紹，目前行業(yè)里的頂尖水平可以達(dá)到300PPM（Pieces Per Minute縮寫,每分鐘產(chǎn)出數(shù)量）的生產(chǎn)效率，一分鐘可以生產(chǎn)300支電芯，一條單線的年產(chǎn)能可以達(dá)到10GWh以上，效率和成本都非常優(yōu)秀。

無極耳圓柱電池規(guī)�；�生產(chǎn)應(yīng)用的核心在于通過激光焊接實(shí)現(xiàn)集流體與集流盤、正負(fù)極蓋板的全面積焊接。

極耳數(shù)量的增加，對焊接的精度、質(zhì)量、一致性提出了更高的要求，促使激 光工藝設(shè)備從傳統(tǒng)電池的脈沖激光器點(diǎn)焊，轉(zhuǎn)變?yōu)?4680 的連續(xù)激光焊接設(shè)備，激光焊接工序從 5 道增加至 7 道。

單顆方形電池的電池容量約為 150-250Ah，而單顆 4680 電池的電池容量僅為 25Ah，生產(chǎn)一臺特斯拉 Model Y 需要約 960 顆 4680 電池。

因此無論從單體電芯層面，還是從所需電池總數(shù)層面，4680 電池技術(shù)帶來的焊點(diǎn)數(shù)量，相較傳統(tǒng)電池均增加約 5 倍，即生產(chǎn)1 GWh 的 4680 電池，相較于 1865和 2170 電池產(chǎn)線，需要增加 5 臺焊接設(shè)備。

樊文光也對汽車商業(yè)評論記者表示，焊接工藝（包括激光焊接和超聲焊接）是目前最大的工藝挑戰(zhàn)，“焊接工藝聽起來是一個很傳統(tǒng)的工藝，其實(shí)是最近五年左右才被廣泛使用，穩(wěn)定性很高的激光焊接和超聲焊接設(shè)備供應(yīng)商較少。”

華泰證券的研究認(rèn)為，大圓柱電池現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)也是商機(jī)。

大圓柱電池在工藝、結(jié)構(gòu)層面的要求更加苛刻，為極耳激光切割、揉平、激光焊接等設(shè)備環(huán)節(jié)帶來了升級需求，并提高了結(jié)構(gòu)件的行業(yè)壁壘，具備全球競爭力的結(jié)構(gòu)件龍頭企業(yè)將有望受益。

在電池化學(xué)材料方面，高鎳正極、硅基負(fù)極等更高能量密度的化學(xué)體系或?qū)⒂瓉硇乱惠喸鲩L機(jī)會，同時也將進(jìn)一步推動大圓柱電池材料體系的更新，促進(jìn)單壁碳納米管、新型鋰鹽 LiFSI獲得更大的市場份額 。