本文解析了
特斯拉電池設計。
首先，根據網路資料解析了特斯拉Model 3所採用的21700電池設計引數，然後利用這些已知引數確定圓柱電池設計模型引數並對設計模型進行驗證，製作了電池設計表。最後，採用電池設計表來分析電池尺寸對效能的影響，並嘗試設計4680電池。主要內容包括：
一、
21700
電池設計解析
1
、總體概述
2
、電池關鍵材料化學體系
3
、正極極片設計
4
、負極極片設計
5
、電池結構設計
6
、電池總體效能
二、電池設計表製作及其引數確定與驗證
1
、正極材料及電極設計引數
2
、負極材料及電極設計引數
3
、圓柱電池卷芯卷繞模型
4
、圓柱電池設計表詳細引數
三、設計引數對電池效能的影響
1
、極片設計引數等對電池效能的影響
2
、電池尺寸型號對效能的影響
四、
4680
電池為什麼要採用無極耳設計
一、
21700
電池設計解析
1
、總體概述
特斯拉Model 3採用松下21700電池，根據網路公開資料2018 Tesla Model 3 Cell Report，詳細的電池規格為：
表
1
松下
21700
電池整體情況
圖
1 21700
電池外觀
單體電池總體概述
（1）正極材料為NCA，Ni：Co：Al=90：5：5，低鈷材料提高了鎳含量，從而提供高容量，並降低了材料的成本。
（2）負極材料為石墨，新增少量的Si（約3。5wt%），Si顆粒尺寸約為3μm。
（3）電解液方面：溶劑為EC：DMC：EMC，還包括改善效能的MPC，鋰鹽除LiPF6之外，還可能有新增劑LiFSI。
（4）隔膜為10μm溼法單層PE膜，正極一側塗覆氧化鋁陶瓷層，厚度約1μm。
（5）單體電池容量為4。78Ah，每個電池的能量為17。5Wh，平均電壓（能量/容量）為17。5Wh/4。78Ah=3。66V
（6）單體電池總重量為68。6g，比能量（能量/質量）為254。8Wh/kg，電池直徑21mm，高70mm，電池體積為24。23mL，體積能量密度（能量/體積）為722。3Wh/L。
下面對電池設計，特別是極片的詳細引數進行解析。
2
、電池關鍵材料化學體系
電池關鍵材料資訊如下表2所示，正極材料為NCA，Ni：Co：Al=90：5：5，低鈷材料提供高容量，並降低了成本。正極新增碳黑導電劑，粘結劑為PVDF，集流體為15μm的鋁箔。負極材料為石墨，粒徑16μm，新增少量的Si（約3。5wt%），Si顆粒尺寸約為3μm。負極集流體為8μm的銅箔。電解液方面：溶劑為EC：DMC：EMC，還包括改善效能的MPC，鋰鹽除LiPF6之外，還有新增劑LiFSI。隔膜為10μm溼法單層PE膜，正極一側塗覆氧化鋁陶瓷層，厚度約1μm。
表
2
松下
21700
電池關鍵材料資訊
2.1
、正極材料
正極材料由類球形顆粒組成，二次顆粒內部包含很多一次顆粒，如圖2所示。
圖
2
正極極片的
SEM
形貌
對正極極片的SEM照片進行影象處理，分析活性顆粒粒徑分佈，如下圖3所示，粒徑呈現三個峰值，分別為7μm、11μm和16μm。這種多粒徑分佈形成了高壓實的極片塗層。
圖
3 NCA
顆粒粒徑分佈
活性顆粒由大量一次顆粒組成，一次顆粒粒徑分佈如下圖4所示，呈現兩峰分佈，峰值粒徑分別為0。24μm和0。46μm。
圖
4
二次顆粒內部形貌以及一次顆粒的粒徑分佈
如圖5所示，極片內部可以觀察到碳黑導電劑顆粒。從SEM照片來看，碳黑導電劑含量很低。而且這種高壓實的電極活性顆粒被壓入集流體，增加了塗層/集流體的接觸面積，形成了機械互鎖，從而還可以減少粘結劑的用量。因此，高壓實、高活性物質比例的電極設計提高了電池的比能量和體積能量密度。
圖
5
極片內部包含炭黑導電劑顆粒
對正極極片進行能譜分析，如圖6所示。顆粒內部沒有探測到碳黑導電劑和粘結劑成分，原子比Ni：Co：Al=1：0。06：0。05≈0。9：0。5：0。5，確定活性物質的化學式為LixNi0。90Co0。05Al0。05O1。57。電極整體的元素分佈如圖6中表格所示。
圖
6
正極極片能譜分析
2.2
、負極材料
負極材料由非常緻密的片狀石墨和少量矽顆粒組成，形貌如圖7所示，極片內可能還包括石墨烯導電劑。負極極片的壓實密度也很高，保證了高的體積能量密度。同樣透過影象分析負極極片得到，石墨顆粒的粒徑D50為16μm，而矽顆粒粒徑為3μm，如圖8所示。
圖
7
負極極片
SEM
形貌，包含石墨和
Si
顆粒
圖
8
負極石墨和矽活性顆粒粒徑分佈
對負極極片進行能譜分析，如圖9所示。矽顆粒的含量約為3。5wt%。
圖
9
負極極片能譜分析
2.3
、隔膜
對隔膜進行分析，如圖10和11所示。隔膜為10μm溼法單層PE膜，正極一側塗覆氧化鋁陶瓷層，厚度約0。5-1μm。
圖
10
隔膜照片和
SEM
截面形貌
圖
11
隔膜正極一側表面形貌
2.4
、電解液成分分析
電解液成分分析，結果如表2所示。電解液溶劑包括EC：EMC：DMC，這種混合溶劑低溫效能比較好。另外，電解液還包含新增劑MPC，這是Jeff Dahn開發的新增劑，可以提高庫倫效率，迴圈容量，降低放電曲線末端斜率和自放電率。
表
2
電解液成分分析結果
此份資料是本人在寒假期間整理製作的，因為在整理和資料製作過程中花費了時間和精力，有償（88元）分享給需要的朋友，包括本資料PDF電子版以及電池設計表EXCEL。如果您之前已經付費閱讀，可以聯絡我並提供付費閱讀憑證獲取相關資料，資料還包括：
3、正極極片設計
4、負極極片設計
5、電池結構設計
6、電池總體效能
二、電池設計表製作及其引數確定與驗證
1、正極材料及電極設計引數
2、負極材料及電極設計引數
3、圓柱電池卷芯卷繞模型
4、圓柱電池設計表詳細引數
三、設計引數對電池效能的影響
1、極片設計引數等對電池效能的影響
2、電池尺寸型號對效能的影響
四、4680電池為什麼要採用無極耳設計
