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自從Tesla三年前在"特斯拉電池日"（Tesla Battery Days）上宣布未來將使用4680型新型電池以來，圍繞這種新型圓柱形電池單元出現(xiàn)了真正的熱潮。雖然這種直徑46毫米、長度80毫米的電池迄今為止只在特斯拉Model Y汽車上使用過，但人們，尤其是汽車行業(yè)對其表示出的興趣和宣布使用的消息越來越多。除特斯拉作為先行者外，寶馬和通用汽車等原始設備制造商也已宣布有意在未來使用該電池。與此同時，電池制造商的領域也在不斷擴大，它們正在建立生產(chǎn)能力，或至少以建立制造能力為目標。LG新能源希望今年在韓國奧昌（Ochang）建立樣品生產(chǎn)線，松下則希望在日本和歌山（Wakayama）建立大規(guī)模生產(chǎn)線。三星 SDI 和比克也在進行試生產(chǎn)，作為寶馬的合格供應商，寧德時代和億緯鋰能已簽約建設超級工廠。在汽車行業(yè)，人們對電池的期望很高：高功率密度和快速充電能力、更高效地集成到電池組或汽車底盤中，以及由于圓柱形電池制造工藝更簡單而帶來的成本優(yōu)勢。雖然與18650和21700等其他圓柱形電池相比，這種電池的尺寸較大、但與最新一代的方形電池相比，它的尺寸和電池容量仍然小得多。例如，高度為80毫米的46毫米電池的內(nèi)部容積約為120毫升。比亞迪公司生產(chǎn)的"刀片"型電池的容積略低于1.2升。

因此，對于原始設備制造商來說，使用新型圓柱形電池組可能仍需要較高的集成度。但同時，電池組的機械和電氣設計也具有靈活性：例如，蔚來公司和寶馬公司已宣布打算在未來使用800 V結構。由于大規(guī)格電池的單個電池數(shù)量較少，因此在串聯(lián)連接時不可能達到如此高的系統(tǒng)電壓。有了新型4680圓柱形電池，即使并聯(lián)3到5個電池，典型的電池組也能達到很高的系統(tǒng)電壓。


除了特斯拉最初宣布的4680電池外，目前還在討論其他形式的電池，高度從40毫米到120毫米不等。原則上，可以采用不同的材料組合和電極設計。根據(jù)最初的拆解報告，特斯拉在第一代電池中使用了NMC811（鎳含量為80%的鋰-鎳-鈷-鋁-氧化物）和石墨的組合，這種材料系統(tǒng)可以說是當今最先進的。不過，電池設計的新特點可能是電極特別厚。特斯拉也采用了負極干法涂層技術，但這在多大程度上得以實現(xiàn)尚不得而知。我們假設的電極組合包括100微米厚的石墨負極和85微米厚的NMC811正極，因此電極長度約為3.5米，負極或最外層的銅箔可能長約20厘米。電池的平均電壓略低于3.7 V（這是此類材料的典型電壓），電池容量約為25Ah，因此能量密度略低于700Wh/l，即250Wh/kg。因此，該電池確實能夠達到已知的21700電池的能量范圍，但仍略低于它。這主要是由于負極和正極活性材料的重量造成的。由于負極中沒有添加氧化硅，也沒有21700電池以前使用的高比容量NCA材料（鋰-鎳-鈷-氧化鋁），活性材料的可實現(xiàn)容量較低。目前還不清楚使用干法涂層工藝在多大程度上導致了硅添加劑的缺失。與NCA相比，成本因素或平衡負極和正極的優(yōu)勢可能更有利于NMC811的使用。新電池設計在集流體和隔膜的重量方面得分，由于電極的厚度減小，集流體和隔膜的重量也隨之減小。如下圖所示，盡管電池鋼殼的壁厚從300微米增加到600微米，但相對于21700和4680之間的存儲容量而言，重量的貢獻幾乎保持不變。


在比較所討論的電池高度時，電池設計的特殊性尤為明顯。為此，我們分析了高度從40毫米到120毫米的電池（見下表）。在所述材料和電極配置下，可實現(xiàn)的容量從大約11Ah（40 毫米）增加到超過38Ah（120毫米）。造成這種非線性容量特性的原因是電池下部和上部區(qū)域的空間要求。電池內(nèi)部需要5到10毫米的高度用于接觸、安全功能和密封，而這一高度無法用于電極卷芯的作用。例如，在我們計算的配置中，4680電池中的卷芯高度僅為70毫米左右。這一數(shù)值會因 "無極耳設計"中是否使用額外的墊圈來接觸折疊的集流片而變化。電池高度僅為40毫米的缺點也相應地顯現(xiàn)出來。另一方面，如果電池的散熱或電解液填充過程中的潤濕性能要求減少電極層厚度，那么特別長的電池（如120毫米規(guī)格）也可能需要做出一些妥協(xié)。


從行業(yè)報道中可以清楚地看出，我們分析的配置只能是 "第一代"：特斯拉在 "2020 電池日"上已經(jīng)表達了在新電池格式中使用硅基負極的意圖。StoreDot公司最近也公開了其在 4680電池中使用快速充電硅技術的開發(fā)活動。這種方法將材料級性能特點與無極耳設計的高導熱性和導電性結合起來。原則上，各種硅基負極概念都是可以想象的：例如，硅/石墨復合材料或純硅負極。對于復合材料，主要討論的是硅納米顆粒（SiNP）的使用，而硅微米顆粒（SiMP）和其他形態(tài)也正在被研究用于純硅概念。在我們的模型計算中，我們僅假定對正極側 4680 形式的未來電池概念設計進行了細微調整。在薄膜厚度相同、孔隙率略有降低的情況下，NMCA型富鎳材料（Li(Mn,Co,Ni,X)O2 X=Al, Mg）可在未來幾年內(nèi)問世，可提供超過200mAh/g的可逆容量。對于含有約20wt% SiNP的硅/石墨復合材料（假設容量為780mAh/g），負極的涂層厚度僅為80µm，與 "1代 "電池設計相比小得多。如果改用純硅負極（假設容量為2500mAh/g），涂層厚度將再次減小到略高于60 µm。然而，負極層必須具有75%的極高孔隙率，才能吸收硅的高體積變化。作為中間步驟，硅負極是可以想象的，它不利用硅和鋰的完全合金化（Li15Si4），因此暴露于較低的體積變化，可能允許使用SiMP。由于負極較薄，富硅概念中的電極長度增加到4米以上。


除了這些高能量概念，使用磷酸鐵鋰（LFP）或由錳替代的進一步發(fā)展的磷酸錳鐵鋰（LMFP）也是一種可能的替代方案。到目前為止，比亞迪BYD 已經(jīng)開發(fā)出基于LFP的4680圓柱形電池。4680型電池的能量密度可超過450Wh/L，如果采用進一步開發(fā)的LMFP材料，能量密度甚至可超過500 Wh/L（見上表和下圖）。
從生產(chǎn)角度來看，新型電池的主要優(yōu)勢明顯體現(xiàn)在其內(nèi)部結構上：電極是纏繞式的，無需在復雜的工藝中堆疊。同時，電池的尺寸也大大減少了生產(chǎn)成品電池組所需的各個步驟。在細節(jié)方面，與之前的圓柱形電池設計相比，可能會有進一步的變化：例如，無極耳設計減少了電極涂層所需的間斷點數(shù)量，而這些間斷點原本是與集流體小極耳的接觸點所必需的。此外，還省去了這些極耳的焊接工作。另一方面，電極切割和卷繞可能會增加工藝的復雜性，因為在卷繞過程中，集流箔的邊緣必須切割得相對較緊并折疊起來。比較從4640到46120的不同電池型號，可以認為總體制造工作量相當接近。即使生產(chǎn)高度為120毫米的較長型電池，也不會比短型電池顯著縮短裝配周期。只有電解質潤濕工藝可能會隨著電池長度的增加而顯著增加?？傊?，4680和46120相比，每個電池的能量更高，但組裝成本最多可節(jié)省20%。不過，從電池總成本的角度來看，這種節(jié)省又是值得考慮的，因為由于目前材料價格非常高，組裝成本在總成本中所占的比例可能只有5%到7%。


不僅性能特點令人期待，生產(chǎn)商和原始設備制造商也發(fā)布了大量公告，這表明未來幾年圍繞46毫米新型電池形式的活動將十分活躍。不過，這種電池要在電動汽車上廣泛使用還需要幾年時間。大規(guī)模建立新的生產(chǎn)線可能需要一到兩年的時間。此外，我們還可以假設，無極耳設計或使用特別厚的電極等技術創(chuàng)新將給產(chǎn)量提升帶來一兩個挑戰(zhàn)。特斯拉汽車制造商的生產(chǎn)可能會在今年更多地向新型電池轉換。寶馬公司預計要到2025年才會在其新一代汽車上采用新型電池。不過，從長遠來看，電動汽車以外的應用，如固定儲能，也會從新電池中獲益，但正如通常情況一樣，它們首先必須排在汽車行業(yè)主要客戶的后面。 

原標題：6系列大圓柱電池的潛力： 通往新的電池標準形式之路