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4680电芯材料及工艺“剖析” 摘要关于4680大圆柱电池的信息，本文节选了一些最有价值的内容，并且根据理解做一些重新阐述。 【文/朱玉龙】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）。 |
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