近日,特斯拉通过官方推特对外发布消息,内容显示位于加州的试点工厂在1月份已经生产了100万块4680电池,这标志着4680电池正式进入到量产阶段。与此同时,在声明发布之际,特斯拉预计将开始交付搭载4680电池的新型Model Y。特斯拉4680电池是特斯拉在2020年9月电池日上首次发布,在当时被业内人士称为足以颠覆行业的技术。可如今,时间已经来到了2022年,彼时国内厂商都推出了自己的电池专利技术。比如比亚迪的刀片电池,长城的大禹电池,以及广汽埃安的弹匣电池......加之新能源技术的发展,那么问题来了:作为两年前的电池技术,拿到现在还具备颠覆性的竞争力吗?想要搞清楚这个问题的答案,首先就要搞清楚什么是4680电池?4680电池有哪些优势?在聊4680电池之前,首先和大家普及下电池的种类。当前的动力电池封装方式主要有三种——方形电池、圆柱电池以及软包电池。根据数据统计,2021前三季度方形电池装机量约为69.47GWh,圆柱电池和软包动力电池装机量则分别为6.63GWh和6.33GWh。可以看出来,方形电池是绝对主流。方形电池优势明显,从工艺上讲它既能卷绕又能叠片,加工起来更加方便。其次方形电池的结构非常简单,更容易实现定制化生产。早期的电动车很多都是“油改电”,给出的电池空间都是五花八门的,方形电池更容易“塞”进去。而且方形电池做成电池包是最方便的,可以将电芯尽可能做大,从而最大限度节省空间提升能量密度。圆柱电池大家非常熟悉,在生活中更是随处可见,比如广告上我们常看到的“南孚5号电池”就是圆柱电池,而特斯拉采用的圆柱电池就是这一种。不过,电动车上采用的圆柱电池可不是我们小时候玩的四驱车一样,用两节“南孚”就够了,而是需要将几千节的圆柱电池拼装一起。特斯拉之所以选择这种电池,主要原因是其优势非常明显。最大的优势就是“入壳比”高,方形电池的“入壳比”只有90%左右,因为必须在各个方向预留一定的空间让它受热膨胀。而圆柱电池因为受力更加均匀分散,入壳比能达到98%以上,这让它可以实现更高的能量密度。所以这也是为什么,几乎差不多的电池容量,特斯拉的续航往往能做到高一些。不过,圆柱电池的缺点也很明显,就是阻抗大,因此工作时发热更大,能量损失更多。所以,这也是特斯拉BMS电池管理系统被业内公认牛逼的原因。正因为电池管理的难度太高,目前这条路线只有特斯拉再走。那么,如何解决圆柱电池这一痛点呢?特斯拉给出的答案便是4680!想必稍微对特斯拉有所了解的朋友都知道,特斯拉的动力电池命名方式向来简单粗暴。4680电池,顾名思义就是单体电芯直径为46mm、高度为80mm的圆柱形电池。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”。所以有人又会问了,这能有啥革新呢?首先我们做一下计算,假设电池是完美的圆柱体,它的体积计算公式应该是V=π*r²* h。从2170到4680,它的半径和高度都有增加,体积增长了近5倍。这就意味着这种新型电池在成组时,电池之间的连接材料与控制系统会大幅减少,体积利用率也会进一步增加,同时重量减轻,续航也会得到提升。其次,体积增大之后,原本要生产3000节电池,现在只需要生产500多节。据特斯拉估计,一条全新生产线的产能能够提升到以往的7倍,并且成本还会降低14%。另外,随着电芯本体直径的增大,它们排布时的缝隙也会增大,对于电芯侧面的散热管路布置也更有优势。更重要的是,4680电芯的输出上限也更强,续航上进一步t提升,真正做到一节更比五节强!根据官方的说法,4680电池能量密度是现有电池5倍、续航提升16%、电量提升6倍。续航里程进步16%,新电池能将每千瓦时的老本低落 14%。不过,随着电池体积的增大,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。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。除了在形状和设计上的创新之外,在材料和生产方面,新电池也带了新工艺。特斯拉将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。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。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。最后,一句话总结一下4680电池的优势:它可以做到性能与成本兼顾。纵观当下的新能源汽车市场,已经呈现出了两极化的发展。比如当下很多入门的车型都会采用成本更低,安全性更好的磷酸铁锂电池。比如特斯拉Mdoel 3、Model Y标准续航版车型,比如小鹏P7 480版本、小鹏P5 460版本等等入门车型,它们采用的都是磷酸铁锂电池。而主打性能或者长续航版的高配车型,则会搭载能量密度更高的三元锂电池。总之,三元锂和磷酸铁锂各有优势,两者的技术路线之争也是由来已久。不过,4680电池的到来,看似将打破这一现有电池格局。特斯拉的4680电池采用的三元正极材料,其既有三元锂电池的续航高的优势,又有磷酸铁锂电池低成本的优势。对此,业内有声音认为,4680电池将要革了磷酸铁锂电池的命。4680电池生产并不容易,要不然,至今也不会拖了快两年了。其中,主要难点在于极耳激光焊接的难度极高带来的低良品率。据悉,最开始特斯拉制造的4680良品率仅为20%,到2021年10月提升至80%。而现在,其良品率已平均达到了92%,最高的达到了97%,最低的为79%,基本已经达到开始批量生产的水准。数据显示,特斯拉在2021年销量为93.6万辆。在2022年,特斯拉表示将不推出新车型,选择全力扩产能,这意味着在2022年突破百万销量大关只是一个开始,全年销量达到150万辆也不是没有可能。如此庞大的销量,特斯拉想要做到雨露均沾,将4680电池实现产品全覆盖显然是不可能的。根据特斯拉的说法,其1月的产能为100万块,100万仅仅装机了1000台特斯拉,也就是说,每辆Model Y大约需要1000个4680电池,这与特斯拉一年将进100万的交付量相比,显然是杯水车薪 。那么,为了满足特斯拉2022年交付量超100万辆的目标,所以采购友商来弥补产能是必不可少的。目前,特斯拉不仅已经和宁德时代签订的长达4年的供应锂离子动力电池产品的大额订单,同时根据传闻,其正在与比亚迪签订的有关刀片电池供应合同。而特斯拉所需要的动力电池类型都是磷酸铁锂电池。总之,特斯拉未来采取两手抓的策略,一方面继续扩大4680电池的产能,另一方面进一步扩大与磷酸铁锂电池厂商的合作,以满足不同版本车型,采用不同类型的电池版本。对此,有分析人士称,磷酸铁锂电池仍将是特斯拉旗下车型标准版的主要选择方向,而4680电池除了德州工厂的特斯拉Model Y,就是产销量相对较低的高端车型Model S, Model X和研发中的Cybertruck,以及对能量密度要求较高的Semi等大车型。因此,专家称短期内4680电池实现普惠有些困难。另外,根据松下方面表示,松下最早将于2023年起为特斯拉生产4680原型电池,其工厂年产量仅为10GWh,只能满足约15万辆汽车的电池需求。也就是说,未来很长一段时间,磷酸铁锂电池依旧将充当主力。4680大圆柱电池本质上来说,并不是电池材料上的突破,就像比亚迪的刀片电池,更多的是工艺上的创新。某种程度上来说,使用磷酸铁锂正极材料作为4680电池的正极材料也不是不可以。只是为了能够拥有更高的续航,特斯拉4680采用三元正极材料。但是,相比三元锂电池,磷酸铁锂电池安全性更高,这也是比亚迪等主机厂坚持磷酸铁锂电池路线的重要原因。而现在有了4680电池这套“黑科技”,可以让普通的磷酸铁锂电池和比亚迪“刀片电池”一样实现“进化”,利用4680电池高性能的优势,不仅能提高磷酸铁锂电池的续航,也能满足电池的安全性需求,同时还能进一步降低成本。2021年以来,锂钴等重要的动力电池原材料价格不断上涨。据市场研究机构IHS Markit 的数据,在2021年后期,锂离子电池价格上涨了约10%~20%。彭博新能源财经(BNEF)的数据显示,截至2021年底,全球锂离子电池组平均价格为132美元/千瓦时(约合840元人民币)。更重要的是,钴元素是稀缺资源,其来源依赖于进口,这对国内动力电池企业来说是比较被动的。对此,比亚迪董事长王传福曾表示,比亚迪从2008年就决定坚持使用磷酸铁锂电池,这背后的主要原因是,三元电池用了很多钴、镍,中国没有钴、镍也很少,中国不能从石油的卡脖子转成钴、镍的卡脖子,真正大规模使用的电池不能依赖稀有金属。所以,综上所述,4680电池并不会革了磷酸铁锂电池的命。但对当下新能源市场的格局而言,4680电池的投产,可能将会改变现有的电池格局。诸多电池厂商跟进,新一轮竞争开启
前面我们也提到了,当前的动力电池封装方式主要有三种,方形电池、圆柱电池以及软包电池。而在方形电池的领域,宁德时代独占鳌头。但在圆柱电池上,其他厂商几乎都在一个水平线上。
如今,在特斯拉的带动下,行业必然会掀起一波圆柱电池的潮流。国内的动力电池企业将会在圆柱电池领域,开启新一轮的竞争。
事实上,目前已经有多家企业跟进,正在积极局部4680电池。
车企方面,据悉除了特斯拉自身推出4680电池外,包括保时捷、宝马、江淮、东风等车企也有意或者已经与电池企业共同推动大圆柱电池的开发,希望未来应用到相关车型上。有相关业内人士透露,保时捷、宝马正联合一些电池供应商开发大圆柱电池,但规格型号尚未确定。江淮汽车新能源汽车研究院电池系统部技术副总监秦李伟曾透露,目前江淮汽车正在进行基于46系列的全新平台进行规划,未来将开发46800/46105系列电芯,并实现整包CTP。电池厂商方面,松下、宁德时代、LG新能源、亿纬锂能等动力电池企业均开始积极布局4680电池。据悉,宁德时代正加快节奏,研发大圆柱电池“金箍棒’”,LG化学也接连研发了4680、4690等大圆柱电池,希望再次进入特斯拉供应链。亿纬锂能相关负责人此前表示,公司4680电池厂房正在建设中,合作方不方便透露。亿纬锂能曾公开表示,公司已完成大圆柱电池战略布局,包括4680和4695两大型号,预计2023年产能释放20GWh,2024年达到40GWh。对此,业内人士表示:大圆柱电池在能量密度和生产成本方面存在巨大优势,未来有望成为一种重要的技术路线。
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