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    特斯拉4680电池要量产,宁德时代麒麟电池很慌!专利维度解读新电池技术沉淀

    知情郎·眼|侃透天下专利事儿

    “嘴炮”马斯克吹的牛又圆上了,4680电池真要来了。

    人家说,特斯拉将在2022年年底前实现新型4680电池的“大规模生产”!

    业界一片惊呼!宁德时代的麒麟电池要蛋疼了,4680来抢饭碗了。

    4680 电池的排布形式

    简单介绍下,4680电池是一款直径46毫米、高80毫米的大圆柱电池,具有续航里程高、成本低的优势,被称为全球电池行业“游戏规则改变者”。

    特斯拉早在2020年就官宣,4680大圆柱电池将成为其主要的技术路线,不过当时大家都觉得这是马斯克吹牛搞概念营销,商用量产遥遥无期!

    没想到,这么快就落地了。看来,美国其实也是举国力挺特斯拉啊!

    由于4680太威风太招摇!之后宁德时代整出个麒麟电池(CTP3.0)来对抗它,每次曝光的营销词都是麒麟电池性能比4680更强劲!

    听的大伙儿耳朵都起茧了!

    顺道聊聊4680电池的专利故事。

    01马斯克的雄心!

    美国当地时间8月4日,特斯拉召开了股东大会。马斯克(ElonMusk)介绍了公司未来的扩张计划。

    他表示,公司的目标是到2022年底达到每年200万辆的生产速度,并将继续建设工厂。他计划让特斯拉拥有10到12家巨型工厂。

    此外,马斯克预计特斯拉将在2022年年底前实现新型4680电池的“大规模生产”,换句话说,搭载新型4680电池的特斯拉即将大规模出售。

    4680电池一直被马斯克当大礼包类似饥饿营销的手段推送给用户,只是概念上吹了许久,一直没大规模生产落地。

    现在人家不跳票了!

    据特斯拉介绍,4680电芯的单体能量提高5倍,整车续航里程可增加16%,电力相比有极耳电池提升了6倍,功率输出提升了6倍。

    并且马斯克表示4680电池共计节省了约86%的成本,而每kWh降低了69%的成本。

    一直以来,特斯拉在电池上的进化思路就是做大电芯。

    从Model S的18650再到Model 3的2170电池,再到现在的4680电池,三代发展技术迭代,电芯成了大家伙。

    目的更直接,减少电池之间的空隙变小,让整体密度变高。

    特斯拉电池供应商日本松下表示,目前正在为特斯拉供应电池。

    同样的电池包容量下,18650需要7200多个电芯,2170需要4400多个电芯,4680只需950个电芯。装载了4680电池的车,大约能达到66%的空间利用率,而正是因为这密度变高了,续航里程也相应变得长了起来。以Model S为例,如果采用4680电池,续航能力有望从650km提升至750km。

    估计看到这消息,最紧张的同行莫过于宁德时代的麒麟电池。

    4680电池真要成了主流配置,麒麟电池就蛋疼了!

    在业内看,宁德时代麒麟电池(CTP3.0)重电池包,而轻电芯;特斯拉的4680电池则明显在电芯上动了心思。

    从技术角度看,麒麟电池是电池系统技术的迭代,而特斯拉4680则是电芯技术的迭代。

    你说谁难度高?

    仁者见仁智者见智的问题,但特斯拉的粉丝肯定会说,电芯技术难度肯定大于电池包结构改变。

    人家的观点是,麒麟电池没有在材料层面改变电芯材料,只是通过升级电池组结构的“外在升级”,比如改变电芯的排放位置,集成为多功能弹性夹层等等,来提升电池的性能;而特斯拉4680电池则是通过电芯的“内在升级”,比如扩大电芯体积、改变阳极材料等等,让自己变得更强。

    02 4680电池优秀在哪里?

    对比过去的“1865”以及如今的“2170”,从命名来看,4680似乎只是电池变大了,由此前的“5号电池”变成了“2号电池”。

    不过,圆柱电池直径 46 mm 是有讲究的,在特斯拉的理解里,这是续航提升和降本的最优解。

    首先来看直径「46 mm」这个指标,从安全性来看,虽然整车电池节数减少可以降低 BMS 的管理难度,但是大电芯的散热是个难题,46 mm 是个平衡范围内的点。从提升续航和降本的角度来看,特斯拉认为 46 mm 以后整车的续航开始下降,同时降本的边际效益变得非常低,因此 46 mm 是最优解。另外从内部应力和角度来看,46 mm 也是一个比较临界的点,在化学性能、生产工艺没有本质上的突破前,46 mm 是一个黄金尺寸。

    另一个参数高度「80 mm」,其实目前业界还没有定论,主要因各家底盘设计而异,比如宝马采用的是 4695 方案,还有的厂商规划了 46105 的方案,即高度为 105 mm。但这个高度也不能太高,一方面是径向散热会成问题,另一方面这样会明显增加底盘厚度,从而影响设计美感和风阻。

    特斯拉的4680高镍模组电池的设计

    工艺细节有了明显的提升!官方公布的措辞如下:

    1、采用“无极耳”设计

    随着随着电芯体积的增大,电池阻抗也同步增大。对于这个问题,特斯拉的解决方式是采用创新性的“无极耳”设计。

    极耳是从正负极集流体中引出了的金属导电体,电流正是通过极耳才能与电池外部连接。但是过于细长的极耳不利于电流传导,如果电流过大,就会出现发热,能量损失增大,而且会影响安全性能。

    2、使用干电池电极工艺

    特斯拉4680电池使用干电池电极工艺,不使用溶剂,而是将少量(约5-8%)细粉状PTFE粘合剂与正/负极粉末混合,通过挤压机形成薄的电极材料带,再将电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。这项工艺将会提高电池的能量密度,并且使生产能耗降低10倍。

    3、阳极采用硅材料

    阳极材料方面,特斯拉将从硅材料入手。硅可以储存比石墨多出十倍的电能,但由于其在充放电过程中体积变化可达400%,容易破碎,因此一直难以取代石墨。

    特斯拉计划从根本上改变硅表层的延展性,使其不容易破碎,这项技术可以使电池的续航能力增加20%。特斯拉将研制的新材料命名为“特斯拉硅”,成本为1.2美元/KWh,仅为现有的结构化硅工艺的十分之一。

    4、改进阴极生产过程

    阴极材料方面,特斯拉通过改进阴极生产过程,减少水的使用和废水的产生,降低了电池阴极生产线66%的投资建设成本和76%的生产成本。同时,特斯拉推出电池回收服务,未来新电池都将通过回收的旧电池生产。

    结合这些改进,特斯拉将增加54%的电池续航,降低56%的每千瓦时成本,减少69%的投资生产成本,能量密度提升之余,生产成本大大降低。

    特斯拉的4680电池去掉了原有的极耳,选择了在集流体末端留白未涂覆正/负极材料。简单来说不是没有极耳了,而是整个一端面都变成了极耳,这种设计大幅降低了电池的阻抗,解决了圆柱电池的发热问题。

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