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深度解析特斯拉引领第二代4680电池产业化

2023-04-14 11:22:00

前言

宁德时代正加快研发4680电池节奏，计划2024年量产；比克在2021年3月深圳CIBF上展出大圆柱产品，预计2023年量产；亿纬锂能现有已建成电池产能39GWh，预计2024年将扩大至225GWh，其公司公告显示在湖北荆门计划投产20GWh年产能的三元大圆柱电芯产线，建设周期不多于18个月，有望在2024年底开始供应。

4680大圆柱电池的量产，通过电芯设计、电芯工厂、正负极材料以及整车电池一体化这五个方面，整体成本可以下降56％，预计未来大圆柱将代替部分软包和方形的市场份额。能量密度高、安全可靠、充电倍率提升的突出优势，使2023年有望成为4680大圆柱电池放量元年，带动新能源车电池技术及产业链深化变革。

近期，4680电池又受到关注。从目前公开的技术创新专利看，4680电池将采用包括高镍正极和硅基负极材料方面的技术，使用大圆柱和无极耳（全极耳）的结构创新，以及使用干法电极技术的工艺创新。本文主要介绍4680电芯制造技术创新和工程化量产瓶颈。

一、材料创新方面

4680电池采用高镍三元正极材料和硅基负极材料。高镍正极材料(Ni80%)相比于传统的层状LiCoO2具有高比容量、低成本、长寿命等优点；硅是目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料，最高锂含量的合金相Li22Si5理论比容量高达4200mAh/g，是石墨负极10倍左右，采用硅基负极材料的锂电池质量能量密度可以提升8%以上，同时每kWh电池的成本可以下降至少3%。

1、工程进度：通过能谱仪检测分析4680第一代电池，负极为QCG-X人造高纯石墨，并没有使用硅基负极材料。原因是硅碳负极材料制备工艺相对复杂，尚未形成标准化制备方法，规模化生产存在一定困难。

2、量产瓶颈：硅基负极材料充放电时体积剧烈变化。硅锂合金的生成与分解伴随着巨大的体积变化，最大膨胀可达320%（钢壳似乎可以较好抑制膨胀）。这将破坏电池结构，导致电池容量损失，性能下降（容量衰减快）。相比之下，传统的片材石墨负极工作时，锂嵌入石墨六边形结构层间的空隙，体积变化只有16%。

3、解决方案：
对于单质硅负极膨胀带来的问题，可采用硅复合材料应对，当前具备商业化前景的有硅碳负极和硅氧负极。硅碳负极是指纳米硅与碳材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与碳材料复合。硅氧负极动力领域进展较快。氧化亚硅在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，更适合应用于动力电池领域，目前主流负极材料厂商（贝特瑞等）对氧化亚硅负极均有所布局。

硅基材料应用于新一代负极已经形成共识，硅基负极应用车企已明显提速。除特斯拉以外，包括蔚来、智己和广汽埃安在电池技术上均涉及硅负极，并计划2023年上市交付。在宁德时代、国轩高科、星恒电源、比克、亿纬锂能等电池厂商高比容量电池方案中，硅碳负极被明确列为发展方向。

二、结构创新方面

当下，结构创新在电池领域比材料创新更有实践意义。4680电池采用大圆柱外壳和无极耳结构。4680电池是在2170电池的基础上直径和高度同时做了扩展，直径增加一倍多至46mm，高度增加至80mm，该尺寸是特斯拉工程团队经过遍历测试后，综合考虑续航里程和成本得到的相对平衡点。

传统的圆柱体电池正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕，为了引出电极会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线叫极耳。全极耳则是负极的铜箱或正极的铝箱模切后，与集流盘或者壳体直接焊接起来。相比这种单极耳，使用全极耳的电池内阻直接降低一个数量级。但在制造技术方面则增加了极耳模切、揉平、全极耳与集流盘激光焊接工艺等，增加了制造难度。其本质是，缩短锂离子迁移距离，定向颗粒、定向迁移，叠加稳定的导电网络，使得锂离子内部构建起极佳的动力学条件和热力学条件。

1、工程进度：4680电池采用全极耳结构，第二代4680电池正极集流体和正极全极耳焊接在一起，没有负极集流体，负极全极耳直接与底盖焊接在一起。

2、量产瓶颈：4680电池的极耳在模切、揉平和激光焊接等工艺环节存在大规模量产的难点。

（1）极耳模切：全极耳电芯在极片涂布时，会在集流体一侧预留空箔区，经过辊压和分切后，将集流体边缘的空箔区切割成多个极耳，再进行卷绕（最内测和最外侧无极耳）。激光切割极耳时的难点包括：①极片在切割时易抖动；②切割后废料不能有效排出；③模切长度和次数远高于常规极耳。

（2）极耳揉平：在4680电池制造工艺中，需要对电池卷芯的全极耳进行揉平，待电池卷芯的断面平整后再与集流体焊接。揉平过程中难点包括：①揉平速度过快时，极片外翻；②揉平速度过慢时，生产效率低；③揉平时产生金属屑较多，导致内部短路；④摩擦产生大量粉尘；⑤产生极耳褶皱。

（3）极耳焊接：4680大圆柱电池存在多个极耳，正负极整体与集流盘焊接，集流盘上细丝焊缝数量较多，焊点数量大幅增加（4680焊接点位较21700增加了5倍），并且一般需要使用连续激光焊接设备。激光焊接过程难点包括：①激光连续焊接可能造成虚焊和穿焊；②焊接时热堆积；③全极耳形态不受控。

3、解决方案：

（1）极耳模切：将正负极全极耳模切成多个平行四边形的极耳单体，这样不仅能够在揉平过程中杜绝极片外翻，在与电池外壳组装时，不易刮伤电池外壳的内壁，且能够减少金属屑的产生，避免短路；同时，这种平行四边形结构能够有效减少揉平时的辊压力，从而避免活性材料的脱落，大大提高良品率。4680生产线采用海目星激光模切设备，可进行极耳飞行激光切割，随速变频变功控制，减少毛刺、热影响和漏金属等质量问题。

（2）极耳揉平：国内部分专利采用机械揉平方案，通过揉平机的揉平头直接接触在全极耳上，再随着揉平头的自转靠近全极耳后，碾转带动全极耳揉平在卷绕电芯的端部。在这样的揉平方法中，由于揉平头直接与全极耳接触摩擦，往往会将柔软的全极耳部分揉碎，该揉碎的碎末颗粒就会进入圆柱型锂电池的正极端或负极端之间而产生短路。因此，新型全极耳揉平机的开发有望得到市场重视。

目前主流的全极耳技术采用公转与自转相结合的行星式揉平整形技术，变滑动摩擦为滚动摩擦，摩擦阻力降低40～60倍。可以根据正负极集流体厚度、卷芯直径、进阶量设计等，对行星式揉平头的直径、锥角与倒角阶梯等进行最优化设计，并结合无损整形数控系统，在正负极集流体许用应力范围值内，实现全极耳高速、无损成型，效率≥50PPM、精度±0.05mm，严格控制了因摩擦导致集流体受损、破裂产生的粉尘与颗粒。

全极耳采用吹气方案，电芯内部和外部均无极耳，中部有极耳，吹气嘴吹平极耳并随着电芯直径的增长往外移动。

（3）极耳焊接：目前行业相关设备企业，开发了多层极耳焊接工艺，替代超声波极耳焊接，减少铝极耳的断层比例，突破高反材料厚薄叠接自适应精密激光焊接技术，实现了铝和铜等高反材料厚薄叠接精密焊接，并将2mm热影响区内温升控制在80℃以内（低于隔膜热影响温度），避免造成隔膜灼伤或热影响，通过激光焊接实现集流体与集流盘、正负极（盖板）全面积本材连接，是圆柱全极耳电池规模化生产与应用的核心技术。

4680全极耳创新技术引起了工艺和装备的革新，锂电装备企业也纷纷投入研发新设备。和其他圆柱电池制造工艺相比，4680虽然在涂布、辊压、注液方面也有区别，但最主要的还是全极耳的制造效率和产品直通率，这是影响4680电池能否量产的关键。

三、工艺创新方面

除了因结构创新而引起的工艺创新以外，4680电池还引入了干法电极工艺。锂离子电池的极片加工工艺按照是否使用溶剂，可分为湿法工艺和干法工艺：需要大量溶剂制备浆料通过涂布制备极片为湿法电极；相对应的，不使用任何溶剂或者仅添加少量助剂，通过粘结剂纤维化，并通过辊压机辊压制备极片膜再热压复合得到的是干法电极片。干法制备极片工艺不需要复杂的涂布设备，仅仅通过连续的加热辊压即可制备电池极片。该技术由于无需溶剂和干燥过程，能耗低，占地小，生产效率高，同时可以增加能量密度，是一种成本较低的工艺。

1、工程进度：4680电芯自2022年投产后一直都处于小批量生产阶段，只有少量特斯拉车型搭载4680电池进行交付。通过拆解第一代特斯拉4680电池发现，正极未使用干法电极技术，负极使用了干法电极技术。

2、量产瓶颈：正极干法电极成膜的连续稳定性差、厚度一致性不易控制、生产速度低。

正极材料在纤维化完成后，由于材料呈黏性絮状性而且相互交联态，而材料本身自润滑性差，在连续传输过程中，极易出现偏析、架桥、结团等现象，自支撑膜制作难度极高。而负极采用干电极技术是因为负极主要为石墨类，材料本身带润滑作用，在粉体传输和辊压过程中流动性极好，自支撑膜制作难度较低。

从特斯拉公开的视频可以看出，采用卧式对压辊，在两辊之间添加纤维化粉体，两辊驱动带动材料至压辊之间进行压制，由于材料堆积在两辊之间，无法精确控制计量传输，膜片出现厚度不均匀，面密度不一致，甚至断带、孔洞等现象。纤维化后的粉体材料润滑性差，局部过厚的粉体材料会撑大两支压辊之间的缝隙，导致两辊压力超负荷，使得辊体变形，甚至辊体无法驱动。连马斯克也承认“干法正极工艺遇到极大挑战”。

同时，受热膨胀、延展率、速差等因素影响，极片厚度、面密度等难以控制；电极自支撑膜韧性差，张力小，提速后易断裂，造成生产难以提高速度。

3、解决方案：

解决上述问题，需要提高成膜的连续稳定性。一是物料进行造粒处理，使粒径保持在2mm内，且大小均匀；二是采用振动方式连续均匀给料。

同时，采用闭环控制系统保证厚度一致性。使用厚度、面密度在线检测技术，实时自动闭环控制；并且提高生产速度。一是电极膜增加载体，保证电极膜韧性；二是采用并排多辊进行连续减薄转移。

在干法电极制造方面，国内公司（嘉拓）也公布了工程化技术，从固体粘接剂、工艺方法和设备方面的解决方案。

目前行业中相关企业（嘉拓，华起睿智等），已经针对对不同粘结剂（PTFE、PVDF、PAN、改性PAA等）在干法电极的应用，电极材料粉体形貌在混料、成型、复合后的电化学性能，干法涂布（干粉、热熔）可行性进行了深入研究，并研制电极膜减薄成型工艺和设备，实施多辊辊压和钢带辊压的设备路线。钢带系统可以作为自支撑电极膜的载体，减少电极膜在辊对辊制造和高速运转中的断带。现在已完成三元正极材料+PTFE2%+爱立许搅拌+钢带压延一次成膜验证。

采用自主研发的多级结构纳米材料作为添加剂，可防止纤维化后的粉体材料在生产输送过程中发生团聚、分层、偏析、架桥。开发了一套专用的粉体输送工艺和装备，通过高精度计量传感器与控制器对高黏性絮状混合粉体进行实时动态控制，得到面密度均匀的自支撑电极膜。电极膜成型采用高精度连续辊压设备，压力逐级放大，同时，对压的两辊设置速差，让电极膜成型时产生“揉”和“搓”的作用，以提高成型效果。