4680是指直徑為46毫米、高度為80毫米的圓柱形電池。大圓柱體相對于小圓柱體。特斯拉最初的動力電池是一個圓柱形18650電池（直徑18毫米，高度65毫米）。

圓柱形電池的尺寸由小變大，這不僅意味著尺寸升級，還包括電池安全性、續(xù)航里程和充電容量等因素。大型圓柱形電池并不局限于某家公司，而是許多汽車公司和電池工廠繪制的軌跡。該領域未來的可替代性和后續(xù)的迭代范圍將逐漸擴大。

 

1.從小到大的圓柱形電池

索尼是第一個將圓柱形鋰電池商業(yè)化的公司。1991年，索尼發(fā)布了18650圓柱形電池，開啟了鋰電池的商業(yè)時代。松下是第一家向汽車公司提供圓柱形電池的公司。

2008年，特斯拉的第一款豪華轎跑車Roadster問世，使用了7000多塊松下18650三元鋰電池，拉開了特斯拉與松下的長期合作。2017年，由特斯拉和松下聯合開發(fā)的21700圓柱形電池。

 

 

2020年9月，特斯拉推出4680大圓柱電池，標志著動力電池行業(yè)進入大圓柱電池時代。從那時起，整車和電池領域的公司一直在爭先恐后地部署大型圓柱形電池，希望在下一代車型和電池的設計中獲得主動權。

全球排名前十的動力電池公司正在積極部署大型圓柱形電池，一些汽車制造商也在開發(fā)大型圓柱形動力電池。

專業(yè)人士表示，這個大圓筒本身就是一個壓力容器。工業(yè)中出現的所有電池化學物質都可以裝入大圓筒中。包括全固態(tài)電池、半固態(tài)電池、高鎳三元電池、低鎳NCM622、NCM532、lifepo4電池、磷酸鐵錳鋰電池、正極用鈉電池。

 

 

還有鋰金屬、石墨+硅純石墨作為陽極。這也是大型圓柱形電池的另一個非常核心的優(yōu)勢，即更好的適應性和與不同平臺的兼容性。從不同材料來看，2022年銷售的新能源汽車安裝的三元電池的平均能量密度約為154Wh/kg，安裝的磷酸鐵鋰電池的平均能源密度約為128Wh/kg。

因此，根據車企的訂單需求，今年開始放量的大型圓柱形電池主要適合中高端車型。預計2023年，全球大型圓柱形動力電池裝機容量將達到15.6GWh，大型圓柱形家用蓄電池裝機容量為0.4GWh。

 

2.大圓筒4680的46毫米有什么突破

圓柱形電池的直徑已從最初的18mm和21mm逐漸升級為26mm（2665）、32mm（3265）和34mm（3420）。為什么主流的大型圓柱形電池的直徑設置為46毫米？

在電力領域，盡管圓柱形電池尺寸的增加可以減少車輛中使用的電池數量，降低BMS管理的難度，但會帶來性能和安全問題。據研究，電池容量每增加10%，其循環(huán)壽命就會縮短約20%，充放電率會降低30%-40%，電池的溫升約為20%。如果你繼續(xù)增加電池尺寸，你就有犧牲安全的風險。

 

 

從46毫米的直徑開始，整車的電池壽命開始下降，降低成本的邊際效益逐漸放緩。因此，從電池的整體性能和成本來看，46mm的直徑是目前生產技術水平下的最佳解決方案。

從18650電池到21700電池，電池單元的容量增加了35%，能量密度增加了20%，系統價格下降了約9%。從21700到4680，根據特斯拉的數據，其4680電池的能量密度增加了5倍，充放電功率增加了6倍，續(xù)航里程增加了16%，每千瓦時的系統成本降低了約16%。

與傳統電池相比，大型圓柱形電池不僅在尺寸上有所升級，而且在單體和系統層面都具有技術創(chuàng)新性。4680電池最大的創(chuàng)新是新的無標簽技術，也被稱為全標簽技術。

 

與傳統的電池技術相比，使用無標簽的優(yōu)勢在于：

它可以將電子運動路徑縮短5%-20%，并將內阻降低5-10倍；

可以避免電子偏移和過電位現象的發(fā)生，提高電池壽命；

導電涂層與電池殼的接觸面積達到100%，分散了加熱面積，有效解決了電池發(fā)熱問題。

 

 

無卡口設計縮短了電池中電流的移動距離，解決了高倍率充放電時溫度升高的問題，大大提高了充電速度，突破了快速充電的瓶頸。

與傳統電池中使用的鋁線焊接不同，4680電池的電池和集電器是通過激光焊接的。它消除了電線連接導致的集電器故障問題，減少了用于電氣連接的零件數量，降低了零件的電阻，增加了電池的能量密度，有利于增加電池的尺寸。目前，干電極的能量密度超過300Wh/kg，從長遠來看可以達到500Wh/kg。

 

3.4680電池量產的瓶頸

特斯拉采用的無極凸耳解決方案是目前大型氣缸的主流技術路線。具體操作是在纏繞極片并進入纏繞機之前，在極片上切割一些小孔。向上滾動時，將切割凸舌引導到滾動時的某個位置。最后，將所有導向件引導到一個位置，最后將接線片和回流板焊接在一起。

每個制造商設計的4680電池結構件不同，屬于非標準件。特斯拉4680電池的上表面和下表面均與電池側殼體機械連接。根據LG新能源的4680電池專利說明書，電池的上表面是獨立組裝的，下表面與側面融為一體。

 

 

從繞線電池無接頭工藝到設備，一些起步較早的電池公司也有自己的技術路線。每家公司都專注于不同的領域，并有自己的障礙。從行業(yè)角度來看，現階段大型圓柱電池量產的瓶頸主要來自工藝層面。

大型圓柱形電池無凸片的創(chuàng)新技術增加了凸片模切、壓平、無凸片和集電板激光焊接過程中的難度，直接影響了電池的良品率，使電池難以批量生產。

實現大規(guī)模量產需要90%以上的良品率，這僅靠電池公司開發(fā)和設計大型圓柱形電池組裝段是很難實現的。還需要與鋰電池設備公司合作，進行產品升級和工藝創(chuàng)新，以實現良率突破，滿足量產要求。

 

無極柱形電池大規(guī)模生產和應用的核心在于通過激光焊接實現集電器、集電器、正負極蓋的全面積焊接。

接片數量的增加對焊接的準確性、質量和一致性提出了更高的要求。它可以推動激光技術設備從傳統電池的脈沖激光點焊向4680連續(xù)激光焊接設備的轉變，激光焊接工藝從5道增加到7道。

單個方形電池的電池容量約為150-250Ah，而單個4680電池的電池電量僅為25Ah。生產特斯拉Model Y需要大約960個4680電池。

 

 

因此，無論從單體電池的水平還是所需的電池總數來看，4680電池技術帶來的焊點數量都比傳統電池高出約5倍。也就是說，要生產1GWh的4680電池，與18650和21700條電池生產線相比，需要增加5臺焊接設備。

大型圓柱形電池現階段面臨的挑戰(zhàn)也是商業(yè)機會。大型圓柱形電池在技術和結構上的要求更加嚴格，這帶來了對耳朵激光切割、揉捏和激光焊接等設備的升級需求。結構件行業(yè)壁壘提高，具有全球競爭力的結構件龍頭企業(yè)有望受益。

在電池化學材料方面，高鎳正極和硅基負極等具有更高能量密度的化學系統可能會迎來新一輪的增長機會。同時，將進一步推動大型圓柱形電池材料體系的更新，推動單壁碳納米管和新型鋰鹽LiFSI獲得更大的市場份額。