特斯拉4680电池有哪些优点?

特族 特斯拉 370

1. 降本增效促使新能源动力电池技术持续进步,电池从2170向4680迭代

为实现可持续能源目标,需进一步改善成本曲线改善电动车成本曲线,生产更多价格实惠的电动汽车,才能进一步实现向可持续能源的过渡。近年来,电池成本曲线的改善趋于平缓,因此若想在改善成本曲线上实现突破,需要重新思考电池的生产和设计方式。

五大措施:特斯拉通过电芯设计、电芯工厂、阳极材料、阴极材料、整车整合这五大措施提升电池的性能和质量、车辆的续航里程,从而改善成本曲线。

图:近年来电池成本曲线的改善趋于平缓

图:特斯拉采取5大措施改善电动车成本曲线

2. 4680电芯:从第二代2170电芯到第三代4680电芯

2020年9月22日,马斯克在特斯拉电池日上发布了第三代4680电芯,采用了无极耳、新型硅材料、无钴技术;4680在电池容量、能量、续航里程、功率和成本方面均进行优化提升。

命名方式:前两位代表直径,46mm;后两位代表高度,80mm。

亮点:第三代电芯具有更大的成本优势。2170作为特斯拉的第二代电芯,能量比第一代1865提升了50%;4680相比2170的能量提升5倍、续航里程提升16%、功率提升6倍、在电池组层面每千瓦时成本降低14%。

合作伙伴:目前,特斯拉的合作伙伴有松下、宁德时代和LG,未来可能有更多合作伙伴。

图1:相比第一代1865,第二代2170能量提升50%

图2:第三代4680电芯亮点

2. 4680电芯:46mm直径,更好地平衡电芯体积与续航提升

46mm直径,更好平衡电芯体积与续航提升。4680电芯采用圆柱体结构,46mm的直径,使得4680的电芯容量是2170的5倍,续航里程增加16%,功率提升6倍。

续航里程和成本改善随电芯直径的增加,呈边际递减。下图(右)所示,在46mm的直径尺寸,能够更好地平衡成本与续航里程。

图3:4680电芯,采用46mm直径

图4:续航里程与成本改善,随电芯直径的增加边际递减

2. 4680电芯:电池组层面,每千瓦时成本降低14%

4680电芯相比2170,在电池组层面,每千瓦时成本降低14%。单个4680电芯的体积是2170的5.48倍,但外壳表面积却不到2170的3倍,以更少的外壳用料实现了5倍的容量提升。

电芯数量与成组率:更少电芯数量,更高成组率。在同样用于75kWh的电动车里,需要4400个2170的电芯,若换为4680电芯仅需要950个;同时,更少的电芯数量降低了组装时间,提升成组效率,带来了成本优势。

图5:在电池组层面, 4680电芯成本相比2170降低14%

2. 4680电芯:无极耳技术,安全性能提升

4680电芯在安全性方面实现了突破:46mm的电芯直径,单位表面积的散热压力更大,从而影响充电速度和循环使用寿命。特斯拉采用的解决方法是采用无极耳技术。

无极耳技术可提高导电面积,降低内阻,提高电流,更易规模化生产:无极耳技术简化了电池生产过程中的绕制和涂料流程,提高导电面积,从而降低电芯内阻,提高电流。更低的内阻可以限制电池发热;更大的电流可以提升充电速度,4680电芯的充电速度可媲美2170电芯。

电芯单体体积增大,充分利用电芯空隙:相比方形电池和软包电池电芯间的紧密连接,4680的圆柱弧形表面,能够一定程度上限制电池之间的热传递。圆柱电芯即便充分接触,各电芯之间仍留有较大的间隙,从而减少电芯之间的热传递;并且,特斯拉通过电芯的横向排布,电芯间插入液冷散热片等方法,进一步优化温控效果,从而提升车辆的续航里程。

图6:传统电池中的极耳与无极耳的对比

图7:电芯横向排布,中间插入液冷散热片

3. 阳极:采用新型硅材料,成本降低5%,续航提升20%

高度加工的硅材料,成本较高,不具可扩性:由于硅本身的特性,在充满锂离子时其体积会膨胀四倍,压力会导致硅粒子绝缘,最终损失电池容量。因此,目前工业使用的硅都是经过高度加工的,例如以氧化硅、碳化硅等形式,并且较为昂贵。

新型硅材料,降低电池成本,提升续航里程:特斯拉使用原始的硅作为阳极材料,不对硅本身进行加工,而是通过电极设计和涂层设计入手。并且在此方法下,相同的硅材料可生产的电池数量将大幅提升。在电池组层面,阳极每千瓦时成本降低5%,成本降至1.2$/KWh,车辆的续航里程增加20%。

硅材料处理过程:使用弹性离子导电聚合物涂层稳定表面。该涂层通过一种非常可扩展化的方法应用于表面,没有化学气相沉积,然后通过由高弹性粘合剂形成的坚固网络将其集成到电极中。

图8:硅的体积膨胀,最终导致电池容量损失

图9:新型硅材料处理过程

4.1 阴极:无钴化“高镍阴极”

无钴化“高镍阴极”:阴极可采用铁、钴、镍等材料,不同的材料的区别在于:结构的稳定性、可以容纳的锂离子数量。钴的结构最为稳定但是成本较高,镍可以更好的兼具成本和能量密度。特斯拉采用无钴化的“高镍阴极”,每千瓦时成本降低15%。

图10:阴极结构

图11:“高镍阴极”,每千瓦时成本降低15%

4.2 阴极:材料多样化,三个电池组级别

阴极材料多样化:由于阴极的不同材料其成本和结构稳定性不同,以及考虑到镍的供给,因此,特斯拉采用“多样化阴极”的方法,即不同阴极材料的电池将搭载在不同车型上,以更好的平衡成本和性能。

三个电池组级别:单纯从能量密度的角度,镍的能量密度约为铁的两倍,但从电池组层面,综合各方面因素,镍比铁具有50%-60%的性能优势。因此特斯拉将电池组分为三个级别,分别搭载不同车型。

铁为阴极材料的电池,将搭载在中程续航的车型上,优先考虑电池寿命;

镍锰(2:1)为阴极材料的电池,将搭载在中长续航的车型上,优先考虑电池的续航里程;

高镍电池将搭载在Cybertruck和Semi车型上,优先考虑电池的能量密度。

图12:多样化阴极方法,适配不同车型

4.3 阴极:简化阴极生产工艺

传统的阴极生产工艺,生产工艺复杂、阴极材料转换效率低,且产生大量废水和副产品。

新的阴极生产工艺,以水和金属为原料,简化加工步骤,最终得到阴极材料和可循环的水。

效果:简化后的阴极生产工艺可降低投资成本66%,降低生产成本76%,零废水排放,更具规模化效应。

更有效的回收: 新的阴极生产工艺可以直接使用镍粉作为原料,简化金属冶炼步骤,更加环保。并且可以更加有效地利用回收的电动汽车和电网电池中的金属粉末。

图13:传统与新型阴极生产流程的对比

图14:新型阴极生产流程的效果

5.1 4680电芯的挑战:一致性

电芯的一致性问题是提升电池容量带来的挑战之一。4680电芯相比2170直径增大两倍以上,容积是2170电芯的5倍,这导致在电芯的生产过程中可能出现电芯容量、电芯内阻的不一致性问题。

电池组遵循“木桶原理”:电池组由电芯单体组成,电池组遵循“木桶原理”,即电池组的容量、寿命取决于容量最低、寿命最短的那根电芯。电芯容量的不一致性,会导致电池组的容量损失;内阻的不一致性会导致单个电芯的发热量不同,相同的电流,大内阻电芯的发热量更大,因此劣化速度更快,折损整个电池组的寿命。

图16:电池放电示意图

图17:电池组

5.2 4680电芯的挑战:量产

4680电芯的量产具有一定的难度,90% 的良品率是实现量产的要求。根据IT之家的报道,在早些时候,4680电芯的良品率仅为20%,在经过不断的技术改良之后,良品率已提高至70%-80%。

目前,在美国的德克萨斯州的“试点工厂”已经在少量生产4680电池,德国柏林超级工厂也在开展关于4680的新型电池的工作。

在2021年10月特斯拉柏林工厂开放日的讲话中,马斯克表示德国的电芯工厂预计在2022年年底前实现量产,在此之前,电池将很有可能由中国上海的特斯拉超级工厂供应。

图18:美国德克萨斯州特斯拉超级工厂试点生产4680电池

6. 4680电芯:产业现状及影响

4680电芯有可能以标准化产品的形式推进应用。第一代圆柱电芯18650是个标准品,第三代圆柱电芯4680的容量更大,其可用性在很多领域都可以推进,有可能成为标准化产品,目前国外的松下、LG、SDI和SK以及国内亿纬锂能、比克电池等都在4680电芯方面有所布局。

图19:多卷芯内部级联的大方壳电芯

4680电芯或凭借快充能力优于方壳电芯的特点,影响动力电池的格局。宁德时代将几个方壳电芯的壳体优化掉,变成卷芯并联在一起降低成本;但和4680级联比起来,大方壳电芯由于阻抗很难下降,在成本相似条件下,快充会弱于4680电芯,4680电芯可以满足对续航里程和充电体验均有要求的终端消费者。

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