Fake it till you make it。
2020 特斯拉電池日，馬斯克提出了 TWh 級別的電池生產目標
很多時候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在電池日上亮相了劃時代的 4680 電池，而那時距離 4680 電池概念的提出僅僅才過去了 1 年，2019 年由松下和歐洲的一個化學實驗室基於全極耳的理論對圓柱電池進行最佳化和改進，最後覺得 4680 電池是個不錯的方案。
如果以松下的風格，至少得等到 2022 年才開始對外宣傳，到 2025 年後才可能開始大規模量產，畢竟實驗室裡做出來跟大規模量產完全不是一回事，但特斯拉就是敢「吹出去」，而且這次似乎又吹成了。
慶祝特斯拉加州工廠試點生產了 100 萬個 4680 電池，大概能裝 1，000 臺 Model Y
在剛結束不久的電動汽車百人會 2022 上，松下、比克電池、億緯鋰能幾大電池巨頭都表示了對 46 系大圓柱電池的看好，同時在 1 月份特斯拉宣佈在加州的工廠內已經試點生產了 100 萬個 4680 電池，距離 4680 電池的正式裝車已經近在咫尺了。
下面就重點聊聊特斯拉 4680 電池的核心技術創新以及未來對市場的影響。
01
認識 4680 電池
在介紹特斯拉 4680 電池的核心技術之前，先通過幾個問答簡單瞭解一下 4680 電池。
什麼是 4680 電池？
7 號電池、5 號電池、18650、2170 和 4680 電池個頭對比，4680 明顯要大不少
4680 電池即直徑 46 mm、高 80 mm 的圓柱電池，目前特斯拉使用的 18650 和 2170 電池也符合這一命名規則，其中 18650 電池最後一個「0」的含義是圓柱，只不過 2170、4680 電池省略了。
為什麼是 4680 電池，而不是更大或更小的？
特斯拉 PPT 顯示，圓柱電池直徑 46 mm 是續航提升和降本的最優解
首先來看直徑「46 mm」這個指標，從安全性來看，雖然整車電池節數減少可以降低 BMS 的管理難度，但是大電芯的散熱是個難題，46 mm 是個平衡範圍內的點。從
提升續航
和
降本
的角度來看，特斯拉認為 46 mm 以後整車的續航開始下降，同時降本的邊際效益變得非常低，因此 46 mm 是最優解。另外從內部應力的角度來看，46 mm 也是一個比較臨界的點，在化學效能、生產工藝沒有本質上的突破前，46 mm 是一個黃金尺寸。
另一個引數高度「80 mm」，其實目前業界還沒有定論，主要因各家底盤設計而異，比如寶馬採用的是 4695 方案，還有的廠商規劃了 46105 的方案，即高度為 105 mm。但這個高度也不能太高，一方面是徑向散熱會成問題，另一方面這樣會明顯增加底盤厚度，從而影響設計美感和風阻。
為什麼特斯拉鍾情於圓柱電池？
簡單來說就是
路徑依賴
，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款車型 Roadster，當時市面上還沒有非常成熟的動力電池方案可選，而松下的 18650 電池在民用領域已經非常成熟穩定，安全性和一致性都達到了非常高的水準，特斯拉於是選擇了用幾千個單體電池組裝的方案，雖然對 BMS 的考驗比較大，但在當時確實也比其他動力電池方案更為靠譜。
特斯拉 Model S 電池包，由數千個 18650 電池組成
隨著動力電池的發展，18650 電池逐步升級為 2170 電池，特斯拉以及它的供應商松下、LG 化學等就越來越專精於圓柱電池，不過這次 4680 電池對圓柱電池來說也是一次
擠爆牙膏
的升級。
02
牙膏擠爆，特斯拉 4680 電池的核心技術創新點
特斯拉電池日 PPT，4680 電池要比 2170 電池提高 54% 的續航並降低 56% 的成本
從 18650 到 21700 的升級從數字就可以看出來頗有點
擠牙膏
的味道，有點像最近兩年的高通驍龍晶片，而 4680 電池相比 2170 電池，不僅是體積增加了 448%，更多的是與全極耳、高矽負極、與 CTC 結合等革命性的技術相結合，最終才有了續航增加 54%，成本下降 56%，單位產能裝置投資額下降 69% 的
擠爆牙膏
式的提升（當然特斯拉的 PPT 向來有些水分，這應該 4680 電池迭代兩三次後達成的效果）。
全極耳：開得遠，還要充得快
傳統的電池有一個非常大的限制：能量密度和功率密度不能
兼顧
，舉個例子，本田雅閣混動的三元電池能量密度只有 82 Wh/kg，而純電車型的三元鋰電池能量密度一般在 150—180 Wh/kg，這是因為 HEV 鋰電池核心引數是功率密度，畢竟電池小（雅閣混動的電池容量僅為 1。3 kWh）又要帶動大功率的電機，只能犧牲一些質量能量密度。
全極耳方案下，電子流通的路徑明顯縮短
而特斯拉 4680 電池透過採用
全極耳
（特斯拉宣傳是
無極耳
）的方案來讓二者兼顧，極耳簡單來說就是正負極充放電時的接觸點，傳統電池在正負極各有一個極耳，這樣就帶來一個問題，電流從正極流向負極時，如上圖左邊所示，要穿越很長的
橫向路徑
，這樣內阻自然上來了，不僅損耗電池的能量，而且發熱問題難以解決。
而根據特斯拉專利可以看到 4680 電池的結構中正負極上分佈著均勻的極耳，
這樣大大縮短了極耳間距
，比如 2170 電池電子在集流體裡流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約 900 mm，而 4680 的正負極薄膜是 2170 電池的 4—5 倍，如果依然採用單極耳，那麼電子的路徑會長達 3。8 米，內阻也會相應增加 4 倍，而全極耳的方案能讓這一路徑縮短為電池的高度，即 80 mm，根據特斯拉的介紹，4680 電池內阻發熱只有 2170 電池的五分之一。再加上全極耳大大增加了電流通路，這樣電子更容易在電池內部移動。
V3 超充下，4680 電池的預估充電速度要快於 2170 電池，在 V4 超充下預計差距將更明顯
因此全極耳的 4680 電池就具備了大功率放電和超充的天賦，根據 Insideevs 的研究報告，400 V 的 4680 電池系統充 70% 電量需要 15 分鐘，而採用 800 V 電池系統的保時捷 Taycan 和現代汽車的 IONIQ 分別需要 18 分鐘和 22 分鐘。未來如果 4680 電池採用 800 V 電壓系統，充電速度還會更快。
高鎳正極 + 高矽負極：單體能量密度達到 300 Wh/kg 的關鍵
目前特斯拉的 4680 電池正極採用的仍是 NCM 811
高鎳
方案，這個大家已經比較熟悉了，未來 4680 正極還會向更高比例的鎳（如 NCM 9/0。5/0。5） 以及「無鈷」和「四元」方面演化。
正極方面的變化不大，要實現更高的能量密度，
負極
也十分關鍵。目前絕大多數電池都是石墨負極，但石墨的理論比容量為 372 mAh/g，實際上已經達到了約 330—370 mAh/g，已經觸及天花板。而矽的比容量能達到 4，200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在負極
摻入一定比例的矽
一直是電池能量密度突破的方向。
2020 NIO DAY 上，蔚來 150 度電池的 PPT 上顯示了矽碳負極以及高鎳正極，實現高能量密度大家殊途同歸
實際上早在 2017 年搭載 2170 電池（來自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已經引入了「摻矽」的技術，只是比例還比較小（大約摻了 5—6% 的矽合金），對能量密度的提升還不太明顯。國內也有一些廠商已經採用「摻矽」的負極，比如 CLTC 續航能達到 1，000 km 的廣汽埃安 LX 144。4 度的大電池的負極就摻了一定比例的矽，另外智己汽車還有蔚來即將在第四季度量產的 150 kWh 的「固態」電池也用了這一技術。
雖然說「摻矽」能立竿見影地提升能量密度，但矽先天不如石墨穩定
容易膨脹
，一般碳基負極在嵌鋰反應中體積的膨脹不超過 10%，而矽基則能膨脹 360%，從而引發 SEI 膜破損等副反應，導致電池容量衰減。
相對來說，圓柱內部的應力在各個方向上都很均勻
相對來說 4680 電池的結構更適合「摻矽」，首先圓柱電池極片卷繞的特點可以儘量使極片各個位置膨脹力均勻， 減少破損和褶皺的出現，方型和軟包電池在 R 角處易出現應力集中而導致的破損和褶皺，另外 4680 電池的不鏽鋼殼體機械強度大，可充分吸收負極的膨脹力。因此理論上 4680 電池負極中能摻入更多的矽，預計能達到 10% 以上，能量密度從而有顯著提升。
CTC 技術：天生好搭檔
從第一性原理出發，要提高電池包的能量密度，「中介軟體」肯定越少越好，打個比方想讓一個盒子裡裝最多的雞蛋，最好是把雞蛋托盤去掉，也就相當於把模元件去掉，更極端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技術了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。
4680 電池與 CTC 技術相結合，座椅直接裝在電池上方
而 4680 電池天生就有這個潛質，首先 CTC 對電池的結構強度有一定的要求，電池本身要承擔不小的機械強度，相比於 18650 和 2170 電池，4680 單體電池更大結構強度更高，並且一般方殼電池是鋁殼的，而 4680 外殼是不鏽鋼的，天生結構強度就有保證 。另外採用 CTC 技術基本意味著告別維修和更換了，如果發生激烈的碰撞或電池的一致性出現問題，那麼可能就只能換車了，而圓柱電池的一致性一直是優勢所在。最後相對比方殼電池，圓柱電池的佈局會更靈活，能適應各種不同的底盤，再結合全極耳高能量密度高充放功率的優勢，未來在 HEV 和 PHEV 領域的潛力也非常大。
除了全極耳電池、高鎳 + 高矽以及 CTC 技術外，特斯拉 4680 電池還有其他一些技術的應用，比如在隔膜上塗抹 PVDF 防止矽負極膨脹，負極新增矽奈米管提升導電性，另外特斯拉第二代 4680 電池還可能用上乾電極的工藝，總之這次特斯拉是要把牙膏擠爆了，就看對手們如何接招了。
03
4680 圓柱電池 VS CTP 方形電池，寧德時代危矣？
中國市場方形電池一枝獨秀，海外市場圓柱、方形、軟包三足鼎立
資料顯示 2019 以來，中國動力電池市場方形電池一直佔據著 80% 左右的份額，寧德時代佔據了其中的一半以上，4680 電池首先衝擊的自然也是寧德時代。
這裡先拋開國內主要圍繞賓士等歐洲客戶展開的
軟包電池
，重點對比下 CTP
方形電池
和 4680
圓柱電池
的優劣勢以及發展趨勢。
4680 電池的排布形式
首先從結構上方形電池的成組
效率
是明顯優於高於圓柱電池的，預計優秀的 CTP 方形電池能達到 80%—90%，4680 + CTC 能達到 70% 以上，這點也不難理解，4680 電池雖然比之前大了不少，但跟大的方形電池比還是很小的，一輛 Model Y 上大約需要 960 顆 4680 電池，換成方殼可能只需要 6 到 10 塊，數量越少，與化學物質無關的其他部件佔比就越低。
大眾的 CTP 三元方形電池包
不過由於方形電池單體電芯大，並且是面接觸，這樣就給方形電池的
散熱
和
熱失控防護
帶了很大的難度，因此方形電池三元電池正極並不太適合往
超高鎳
的方向發展，同時上面說到方形電池的負極不適合新增太多「矽」，因此方形電池的
單體能量密度
無法做得太高。
而圓柱電池因為單體電芯小，本身比較容易散熱，再加上全極耳的應用讓熱量集中在下面更容易針對性散熱，因此可以採用比較激進的
高鎳
方案，再配合
高矽
負極，單體能量密度能達到 300 Wh/kg，未來如果採用超 90% 比例鎳的正極，
單體能量密度
能達到 350—400 Wh/kg 。
這樣下來，雖然方形電池的整合效率高，但 4680 圓柱電池的單體能量密度高，綜合下來，二者的
系統能量密度
差不多。
而圓柱電池作為已經商業化超過 30 年的品種，工藝最為成熟，在生產效率、良品率、投資成本等方面都有一定優勢。比如良品率方面，松下的 2170 電池能達到 99% 以上，相比方形電池能達到 90% 就已經是非常優秀的水平了。
另外在生產效率方面，同樣採用卷繞工藝的話，圓柱電池同心圓卷繞的特性先天效率就高出不少，比如按照億緯鋰能最新的產線，每分鐘可以生產 200 顆 2170 電池，而類似產線的方形電池 200 Ah 以內的一般一分鐘能生產 10—12 個、200 Ah 以上的大方形一分鐘產量不足 10 個。如果是一臺搭載 80 度電的新車，圓柱電池的生產大約需要 20 分鐘，而方形電池則需要 30 分鐘。
如果 4680 電池大規模量產順利，預計 2024 年後每 kWh 的 4680 電池成本比三元方形電池便宜 50—100 元，一輛 100 度電池的電動汽車成本能低出 5，000—10，000 元。
因此從三元電池體系（包含無鈷電池、四元電池）的角度來看，如果 4680 電池的良品率能快速提升，將憑藉一定的成本優勢，同時超高的充放電功率，在中高階市場將逐步對方形三元鋰電池形成替代效應。
而在中低端市場仍以磷酸鐵鋰電池為主，磷酸鐵鋰先天就比較穩定不容易熱失控，因此就更適合整合效率高但不容易散熱的方形電池。因此未來的局面很可能是一些
高階
車型開始逐步使用
4680 三元電池，中低端
則以
CTP 方形磷酸鐵鋰
電池為主。
比亞迪刀片電池，漢 EV 上的刀片電池還採用了疊片工藝
那麼寧德時代就要面對 4680 電池和比亞迪刀片電池兩面的夾擊了，比亞迪本身就是以電池起家的，再加上多年來一直專攻磷酸鐵鋰電池，隨著弗迪電池的產能開始大幅擴張，這裡可以參考文章《收下蔚來、小米，弗迪的進攻才剛開始》，勢必要吃掉一部分寧德時代的份額。
寧德時代 CTP 3。0 麒麟電池，宣傳三元鋰和磷酸鐵鋰的系統能量密度分別能達到 250 Wh/kg 和 160 Wh/kg，並能實現無熱擴散的最高安全要求
不過在剛剛過去的電動汽車百人會 2022 上，寧德時代也給出了反擊——CTP 3。0 版本的麒麟電池，能不能守住目前絕對的龍頭地位，具體就看 CTP 3。0 的落地效果與降本增效的速度了。
04
哪些車企、電池廠在跟進佈局大圓柱電池？
目前從車企端來看，主要推動者還是
特斯拉
，2022Q1 特斯拉已經開始試生產，年底或能交付少量 4680 的 Model Y 給消費者。真正的爆發期還是在 2023 年後，屆時跳票已久的 Cybertruck 和重卡 Semi 將逐步與大家見面。寶馬的 4695 電池給出的量產時間則是 2024 年以後，或許會成為寶馬未來的純電平臺「Neue Klasse」的主力電池。
美國造車新勢力 Lucid 也採用 2170 圓柱電池
另外目前海外已經有不少採用圓柱電池的廠商，比如美國的新勢力 Lucid 和 Rivian 目前採用的是 2170 電池，未來過渡到 4680 電池也是非常自然的。
LG化學，在動力電池領域全球的份額僅次於寧德時代
而在電池廠商這端，海外主要是特斯拉和日韓的電池廠商，包括松下、LG 化學、三星 SDI，松下和 LG 化學計劃 2023 年量產，三星 SDI 計劃 2024 年量產，另外還有一家以色列公司 Storedot 同樣計劃 2024 年量產 4680 電池。
國內寧德時代目前規劃了 12 GWh 的 4680 電池產能，研發節奏正在加快，預計 2024 年開始量產，客戶可能是特斯拉和寶馬；比克電池在 2021 年 3 月的深圳 CIBF 上展出過大圓柱產品，預計 2023 年量產；億緯鋰能預計 2024 年可實現 4680 電池的量產，規劃產能 20 GWh，同時還有去歐洲匈牙利建廠的計劃。
綜合來看，相比於從 18650 到 2170 的升級，4680 電池這次是把牙膏擠爆了，基本確定了圓柱電池的發展方向，也有望引領圓柱電池的市場份額對方形電池實現快速追趕。不過 4680 電池仍然面臨諸多工藝難題，比如全極耳電池鐳射焊點至少是 2170 的五倍以上，對精度要求非常高，同時全極耳塗布的弧形邊緣對裝置的精密度要求也更高，未來對 4680 電池的發展重點關注特斯拉、松下、LG 化學等企業的
良品率
什麼時候能穩定在 90% 以上。
撰文：伍剛星
編輯：萊因哈特
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