46 系大圆柱电池的降本与增效

一、特斯拉电池系统生产成本和设备投资成本降本目标

特斯拉正在大力推动松下、LGES 等电池供应商制造和开发 46 系大圆柱电池，通过采用无钴正极材料（NMx）、硅碳负极材料及离子聚合物涂覆技术、整车电池一体化及干电极生产极片技术等，共同推动电池度电成本从 110-120 美元下降到 48-53 美元，降幅为 56%（电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降 14%、12%、5%、18%、7%），参考松下、LGES、三星 SDI 在美产线投资成本，单 GWh产线的设备投资额从 1.09-1.33 亿美元下降到 0.34-0.42 亿美元，降幅为 69%（电芯设计、正极、负极、电池工厂、整车匹配分别贡献下降 7%、16%、4%、34%、8%）。

二、46 系大圆柱电池持续降本

参考亿纬锂能发布公告数据，结合各单价假设条件，初步得到以NCM811/Gr 时，电池正极材料和负极材料成本分别为 0.271、0.060 元/Wh，当更换为超高镍 Ni90 正极和硅碳负极 Gr-SiOx时，正极材料和负极材料成本分别降低为 0.242、0.057 元/Wh，分别降低 11%、6%。

假定其他条件不变时，正负极材料成本下降导致电池原材料成本由原来的 0.521 元/Wh 下降到0.489 元/Wh，降幅 6%。

超高镍正极和硅碳负极适配 4680 圆柱电池，且实现更低成本。

正极适配方面，9 系超高镍正极镍含量比 8 系更高，活性高，更容易和电解液发生副反应，圆柱电池电解液用量少，且壳体本身耐压能力强，对产气有较高的承受能力。

负极适配方面，硅碳负极膨胀系数较高，圆柱电池耐压承受能力强，选用硅碳负极能有效提升电池能量密度。

正极降本方面，一是材料本身成本低，9 系高镍正极中钴含量低，后续价格比 8 系成本低；二是能量密度更高，9 系镍含量比 8 系更高，导致能量密度更高，所以单 Wh 电池的正极材料用量减少。

负极降本方面，随着硅碳负极工艺技术不断成熟，生产成本不断下降。

干法电极技术减少极片生产工序，实现降本增效。特斯拉 4680 电池创新性地使用超级电容器中的干法电极技术，实现降本增效。电极制备方式中，传统湿法电极技术需要使用粘结剂、溶剂与活性材料混合再涂至电极上干燥，而干法工艺无需溶剂，直接将活性电极材料颗粒与四氟乙烯（PTFE）粘结剂混合，使其纤维化，直接将粉末擀压成薄膜，然后热压到极片上，可省略辊压、干燥、NMP 溶剂回收等工序，大幅简化生产流程，提升生产效率，节省成本。据特斯拉电池日预测，干法电极工艺可以将生产成本降低 16%，产线投资成本降低 34%，极片生产占地减少 70%。

目前特斯拉已实现负极干法电极量产，正在攻关正极干法技术。根据美国加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院对特斯拉4680 电池的拆解结果，目前特斯拉已在负极中使用干法电极技术，其负极使用的是人造石墨，本身带润滑作用，在粉体传输和辊压过程中流动性较好。正极材料干法工艺难度较大，正极材料在纤维化完成后，由于材料呈黏性絮状并相互交联，同时正极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，自支撑膜制作难度较高，目前特斯拉仍在攻关该项技术。

三、46 系大圆柱电池增效

大圆柱全极耳方案减小内阻/增加热传导，可实现 4C-6C 快充，快充时间降至 15 分钟。

大倍率充放电时正负极极耳温度最高，是快充的瓶颈。4680 电池极片长度达到 3.8 米，如果采用单极耳，会导致电池内阻明显增加。将正负极集流体两端变成可以进行面接触的极耳，通过集流体与集流盘、正负极（盖板）的全面积连接，形成稳定的全极耳导电结构，使得集流体与正负极之间的电流传输方式由传统的线传输变为面传输，从而大幅提升导流面积和过电流能力，降低电池内阻和发热量，实现安全快充。

通过模拟仿真对全极耳电池和单极耳电池进行充放电过程发热对比，发现全极耳设计产热速率要比单极耳产热速率低两个数量级以上，验证了全极耳设计可以明显降低热效应。数据显示，4680 圆柱电池能够在 20 分钟内完成从 10%到 80%SOC 的快充，相较于 21700 电池的 30 分钟，时间缩短 33%。

4680 圆柱电池一致性高、热失控阻隔性好。

圆柱电池是以卷绕工艺进行制造，通过加快转速来提高生产效率，而软包和方壳的叠片工艺的效率提高受限。在卷绕过程中，为保证电池具有高一致性，需要对卷绕张力进行控制。目前松下等国外企业对圆柱电池卷绕张力的控制较好，大批量生产的圆柱电池产品一致性高，良率能达到 97%~99.0%，可以避免由于电池一致性差导致的过充、过放和局部过热等危险。

4680 圆柱电池成组时相互接触面积小，热失控阻隔性好。

从单体角度看，圆柱电池热膨胀时壳体均匀受热，不会出现侧面鼓胀、变形等影响电池寿命的问题。从模组角度看，圆柱电池蜂窝式排列，电芯间填充隔热灌封胶，电芯之间接触面积几乎为零，热量必须经过灌封胶再传至周边电芯，电芯隔热效果好，能做到热失控不蔓延，从而有效提高电池热失控安全性。

圆柱结构适配超高镍/硅碳，进一步提升电池能量密度。

目前 4680 圆柱电池采用 NCM811 正极和人造石墨负极，电池能量密度达到 244Wh/kg，相对于成熟的松下 21700 圆柱电池能量密度低 9.2%，但是未来可以通过降低外壳壁厚和改用硅碳负极，可以将能量密度提升至 292Wh/kg。另外，超高镍正极材料及无钴材料等的应用将继续提升 4680 圆柱电池的能量密度。

46 系大圆柱电池正极可以用 9 系高镍，其钴含量低，后续成本比 8 系便宜，能量密度更高。电解液方面，应用高安全新型锂盐 LiFSI，进一步稳固电池安全性。在负极中掺杂硅或氧化亚硅可显著提升电池容量，但硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化(硅在充放电过程中容易产生 300%的体积膨胀，而石墨只产生 10.6%的体积膨胀)，从而引发 SEI 膜破裂使未钝化的表面暴露出来，导致电池充放电循环期间电解液在硅表面持续分解，致使电池容量衰减。4680 电池的不锈钢壳体机械强度大，可充分吸收负极的膨胀力，同时卷绕结构的 4680 电池极片各个位置膨胀力均匀，减少破损和褶皱的出现，而方型电池在 R 角处易出现应力集中而导致破损和褶皱。

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