特斯拉4680电池的“量产枷锁”

浩博电池网讯：经国内外多方求证，特斯拉在2023年春季完成了对中国某圆柱电池厂商的审厂工作，若后续进展顺利，该厂商将成为松下、LG之后的第三家特斯拉圆柱电池供货商。

??从特斯拉第一款产品Roadster开始搭载dota2雷电竞 量产，到ModelY、Model3这两款走量车型带动2170大规模上车，再到2020年电池日发布全新4680电池，三代圆柱电池在新能源汽车领域的演进都离不开特斯拉的推动。

??而如今包括特斯拉在内的各大厂商面对4680电池纷纷遭遇量产难题，谁将帮助特斯拉迈出关键一步？

一、4680降本增效

??从2020年发布4680电池型号至今，特斯拉一直处于技术攻关与产能爬坡阶段。特斯拉圆柱主力供应商松下也在今年宣布延期量产计划一年左右，而其另一圆柱供应商LG新能源也迟迟未能公布准确量产时间。

??4680的量产成为了当今动力电池产业中的一个大难题。那为何特斯拉如此迷恋这款让各大厂商为难的电池型号？

??“降本，”国内某圆柱电池工程师透露，“4680的首要目标是降本。”

??1.提高制造效率

??从电池制造方面来说，圆柱电池相较于方形与软包电池，生产效率更高。

??在制造业中，存在着三大定律：

??摩尔定律（集成电路中每平方英寸晶体管的数量每两年翻一番，而成本则减半）

??弗拉特利定律（人类基因组测序取得更快的进展，成本大大降低）

??莱特定律（当飞机产量翻倍时，成本以特定的速度下降）

??三大定律都将高端制造指向同一方向：效率的提升，带动规模的扩大，从而推动成本的下降。

??麻省理工学院博士后MicahZiegler团队也曾在《能源与环境科学》杂志上发表文章指出：自1991年首次投入商业使用以来，锂离子电池的平均生产成本下降了97%。

??在所有锂离子电芯的制造过程中，圆柱电芯得益于商业化时间最早，因此工艺标准化程度最高。

??目前，圆柱电芯的卷绕工艺可达到180-200PPM（PiecesPerMinute，每分钟产出数量）。即便是4680的生产效率目前低于18650、2170两款型号的电芯，也远高于方型电芯、软包电芯的叠片与卷绕工艺效率（通常为10-15PPM左右）。

??在圆柱电池制造效率领先的同时，4680电池外型的增大，与2170相比减少了电池包中的单体电池数量，在整车装配层面提高了效率。

??以ModelY为例，续航500km版本的电池包中，如果用18650电池组装，需要7000个左右；如果用2170电池组装，数量减少到4000个；但如果装配4680电池，只需要960多个单体电池即可。

??电池数量的减少，直接影响就是整车在CTC结构（CelltoChassis，从电芯直接到底盘）的焊接点减少。原本2170电池包的焊点是17,600个，但是4680电池的焊点只有1,660多个，两者相差十倍左右，效率有着质的飞跃。

??仅仅改变外形尺寸这一个指标，4680所带来的制造效率就有极大提升。但这显然不能满足特斯拉的“野心”。

??2.降低成本

??在物料生产的成本方面，由于圆柱电芯单体容量低，因此制作所用极片与方形、软包相比更小。作为动力电池中最贵的组成部分（占组件成本50-60%），极片的小型化可以提高整个生产过程中极片物料的利用率。

??即便在圆柱电芯极片涂布中出现瑕疵，也只需损失一小片极片物料，损耗大为降低。在筛选标准相同、自动化水平相等条件下，圆柱电芯的物料利用率高于方形电芯3-5%以上。

??生产物料数量的降低，意味着生产成本的降低。

??2019年，特斯拉通过收购Maxwell公司得到干法电极生产技术，又将其加持到4680的生产过程中。

??而该工艺，也是4680电池降本增效的重中之重。

??在降本方面，与传统湿法工艺相比，干法电极制造中无需添加NMP溶剂（N-甲基吡咯烷酮），直接砍掉了极片制造中涂布干燥及溶剂回收环节的同时，也省去了相关设备的投放，减少了生产能耗与单位生产面积，并缩减了人员投入（在过去的电池制造中湿法涂布的设备、人工、厂房成本约占整个电池制造的22.76%）。

??干法电极简化了电极层面的制造工序，提高了车间坪效，进而实现更低的电芯制造成本。

??综合计算，4680电芯制造成本可降低16%-18%，总投资成本降低34%以上，电极生产占地减少70%以上。折算每Wh制造成本下降到0.056元。

??3.提升性能

??在完成生产成本的降低后，干法电极工艺在电池性能的提升上也有极大作用。

??由于传统湿法中需添加溶剂，在溶剂干燥蒸发后，极片的活性物质与导电剂之间会留出更多空隙，导致材料的压实密度不高。而干法电极可以做到更大的压实密度。压实密度的提高，极片的裂纹、微孔等问题就会更少。

??同时，采用干法电极单位体积下含有更多的活性物质，因此采用该工艺的电池具有实现更大能量密度的希望。

??在收购Maxwell后，特斯拉于2019年、2021年、2023年多次申请相关专利对该工艺进行保护。密集的专利申请也反映出，特斯拉对于该项工艺的重视程度。

??制造层面引入新工艺后，特斯拉4680又开始在材料与内部结构方面改进，以求打开“增效”的另一道法门。

??在结构上，与上一代2710相比，4680电池除了体型增大外，电池内部革命性的引入了全极耳（Full-tab）加集流盘（CurrentCollector）结构。

??在18650与2170电池上，通常采用单极耳或者两头极耳的设计方式，而特斯拉将传统电池凸起的极耳结构去掉，在4680上应用了全极耳设计。

??如果说过去的2170两头极耳是给电流这个“运动员”提供了两条“跑道”，那如今的全极耳电池则是直接给电流提供了一个“操场”。

??“只要能到达目的地，路径由您自选。”

??因此，4680电池不光增加了电流通路，减短了电子流通路径长度，同时也降低了电池电阻。

??根据欧姆定律I=U/R，电池电阻的降低将直接提高动力电池的输出功率以及充电速度。同时，内阻降低使得电池发热量的降低，帮助电池进一步减少能量传输中的损耗。

??但由于圆柱电池外形特征，导致电芯在电池包内摆放时，中间存在空隙。与方形电池相比，圆柱电池的成组效率较低（评价电池包轻量化水平的参数，计算公式为：电池单体质量/电池包质量）。同时，相较于2170电池0.25mm的电池外壳厚度，4680的电池外壳达到了0.6mm，电池变厚带来了更多额外重量。

??因此，4680电池要想实现性能突破，单体电芯就需要更高的能量密度对冲掉成组率与重量所带来的缺陷。

??在目前量产的锂离子液态电池中，最高能量密度材料体系（三元+石墨）基本达到天花板的阶段（目前三元量产产品单体电芯最高达255wh/kg），而圆柱电池再次得益于其结构，相对完美的承接了下一代电池材料的革新：超高镍正极与硅基负极。

??镍作为电池正极关键材料，增加镍含量可以提高电池能量密度，从而提升车辆续驶里程。但正极材料在充放电的过程中，电极体积会发生变化，镍含量越高，体积膨胀的比例越大。

??而在负极材料方面，硅基材料凭借极高的能量密度（理论比容量为4200mAh/g，是石墨负极材料的10倍），成为下一代动力电池负极材料的首选之一。但硅基的高比容量，也引起了剧烈的体积变化。硅基负极体积变化最大可到约320%，远超石墨负极材料12%的水平。

??由于得天独厚的结构形式，圆柱电池机械强度大，刚性强，同时电池内部结构相对于方形与软包相比更加对称，应力分散更均匀，如同一个小型压力罐，保证了电池内部在面对材料膨胀时，保持良好的受力。

??同时，特斯拉干法电极的存在也减弱了湿度对高镍正极的性能影响，又能对硅基负极的膨胀有更强的承受能力，更好地适配大圆柱电池高镍掺硅的材料体系。

??效率、成本、性能，4680电池试图同时打开动力电池发展的三道大门。

二、4680量产的枷锁

??作为新电池型号，4680电池与21700、18650相比，并没有实现生产工艺的标准化，市面上各家电池厂商尽管在型号上保持一致，但在内部结构、制造工艺方面却有着诸多差别。

??也正是由于材料、结构、制造工艺的创新，导致看似美妙的4680，在实际生产过程中，出现了诸多过去电池制造所不曾遭遇的难题。

??“我们拿过国内外厂商4680产品进行过技术比对，国内外的进展目前基本都差不多。就制造工艺层面而言，并没有哪个厂商处于绝对的领先地位，”某传统车企新势力品牌电芯工程师表示，“良率不足成为了制约4680量产的关键问题。”

??那究竟，是什么原因阻挡了4680电池的产线良率？

??根据各工作室对特斯拉4680拆解的视频中可以发现，与之前的2710相比，虽然4680在结构上进行了大量简化，但也引入了3个新的工序，分别为：

??全极耳成型；

??集流盘焊接；

??激光封口；

??国内某圆柱厂商表示：

??“以上三个步骤都在影响着4680的量产进度。”

??1.全极耳成型

??作为电池充放电时的关键路径，极耳的大小会直接影响电芯的内阻以及电流的过流能力。

??通常，极耳的过长，过窄，都会使得电芯内部内阻变大。而内阻越大，发热量也会越大。过去2170尺寸较小，电芯内部能量较低，集流体仅需一道工序，切折出两条极耳作为电流通道。但4680单体尺寸变大，内部能量更高，散热也成为必须解决的问题。

??根据油管博主limitingFactor拆解视频显示，4680的电池正极展开达3.3米，负极达3.4米。如此长的电极需要大量极耳作为电流通道。

??因此，特斯拉无极耳工艺（无极耳由特斯拉提出，国内称全极耳，结构基本相同）试图增加极耳接触面积，同时缩短极耳长度，提升电芯快充快放能量，减小电池内部发热问题。

??而针对全极耳成型，锂电产业内也衍生出两个解决方案：揉平与切折。

??揉平工艺是指通过机械方式将卷绕后的极芯端面揉平成一个密实的平面。

??切折工艺是指对极片进行激光切割，并在卷绕时通过斜切成片卷起，完成后进行端面压平。

??全极耳成型是集流盘焊接的前提，也是全极耳电池结构的关键基础。

??目前，国内已推出大圆柱电池的主流企业多数采用揉平工艺，其中国内圆柱装备龙头厂商逸飞激光的360PPM圆柱全极耳量产线已于今年3月完成落地。而特斯拉却始终坚持切折工艺。该工艺也是阻挡特斯拉加快量产进度的一大难题。

??国内某激光工程师透露，特斯拉在4680的内部结构、工艺方面都引入了创新设计，而切折工艺大概率需要配合某个关键生产步骤。并且，采用切折工艺的全极耳电解液注液时间更短，符合特斯拉提高生产效率的出发点。

??但全极耳需要进行大量切分，切折整齐难度较大，且易产生细小毛刺，表层平整度与精度偏差较大，层与层的间隙也无法满足箔材的焊接技术要求，导致焊接后材料连接不稳定，良率难以保证。并且如果焊接压力过大，正负极片也将会受损。

??在良率难以保证的同时，全极耳工艺又增加了工序数量与设备数量，降低了生产效率。

??2.集流盘焊接

??作为工业制造领域的“裁缝”，焊接对各金属材料的链接有着至关重要的作用。

??而上一代2170电池的生产中，大部分焊接工艺还都是为传统的电阻焊。随着圆柱电池体积增大导致内部结构更加繁杂，对焊接的精密度以及能量要求更高，激光焊接接替了电阻焊，成为了4680生产过程中最重要的焊接工艺。

??二者的区别，就像商场里的修裤脚大姐与CBD里的西装高定设计师。但即便激光焊接这名“设计师”手艺再高超，4680的焊接问题依旧棘手。

??首先，4680多出的集流盘焊接这道工序中，问题就异常复杂。

??在全极耳成型后，需要与集流盘进行焊接，从而完成正、负极与全极耳进行全面连接，形成圆柱电池的全极耳导电结构。

??但圆柱电池极芯端面（正负极的横切面）上延伸出的全极耳与集流盘均属于高反金属材料（电阻率低，表面较为光滑，对近红外激光吸收率低的金属材料），对焊接激光能量吸收率不足10%。

??而最常见的高反金属材料是铜和铝。正好，电池正负极的集流体（极耳）的材料就是这二位。

??当激光焊接提升焊接能量，温度升高超过铜（1083摄氏度）与铝（660摄氏度）的熔点时，问题出现了：集流体下方的2mm范围是脆弱的电池隔膜，与铜、铝相比，隔膜的耐热最高温只有110摄氏度。

??焊接升温极有可能对隔膜产生热缩效应，影响隔膜性能。同时，焊接产生的熔滴极造成飞溅极有可能对隔膜造成“误伤”，从而导致电池短路。

??同时，在对集流盘以及揉平端面（全极耳卷绕成组后的端面）焊接时，上集流盘厚度一般为0.2-0.6mm，下层全极耳厚度为4-12um，二者厚度差异过大。

??而在进行焊接时，如果压力过大，下层集流体过薄，容易出现焊接穿孔；而焊接压力过小，就容易造成虚焊（两种金属焊接时没有达到完整程度，接头表面的强度低），从而在后期造成两个组件脱落。

??4680中的集流盘与下层的全极耳就如同一个1米9、200斤的壮汉与一个1米4、30斤的儿童，两个人同时站在激光焊接这个“高定裁缝”面前，说：

??“麻烦您做一条我们俩都能穿的裤子。”

??3.激光封口

??激光封口是指利用激光技术对电芯壳盖与壳体进行圆周密封焊接的过程。

??该道工序也为4680壳体密封的关键步骤。

??目前，市场上存在两种封口方式，分别为：机械封口与激光封口。

??过去的18650、2170圆柱电池制造多采用机械封口。该工艺生产效率最高。但随着电池使用寿命的增加，采用机械密封圈存在着老化的问题，有电池漏液的安全隐患。

??同时，随着4680的直径变大、壳壁变薄，如果继续沿用2170的机械封口，电池的漏液风险会持续存在，同时，生产工序中也需增加防腐材料制成的密封圈等结构件。

??显然，特斯拉并不会接受这种增加电池结构的解决方案。

??根据国内一线圆柱工程师透露，采用激光封口的圆柱电池密封性更好，同时最大程度上简化电池结构。并且，激光焊接的工艺更加精密，可以为电池内部结构节省出1-2mm的空间。电池内部空间得到充分的利用，也将必然提高电池性能。

??激光焊接的设备体积更小，焊接精度也更高，适配于下一代电池制造的发展方向。

??但4680的外壳采用钢壳镀镍的材质，并不是激光焊接的理想焊接材料。圆柱电池的外壳相较于方壳而言，壳壁更薄，对激光焊接工艺要求极高。

??目前，激光焊接通常采用焊接头固定，电芯在下方进行高速转动的方式进行焊接。但是由于电芯壳盖、壳体周围存在一定误差，生产时电芯在高速转动的情况下易发生跳动，基准面出现偏差，对焊接精度有较大影响。

??对整个电池产业而言，4680上多出的3道主要工艺，不仅仅是在考验电池制造商，也是在考验上游装备制造商的能力。要想实现像2170与18650一样的量产速度，从电芯材料，到制造装备再到量产下线等一系列阶段，都需要各方进行技术协同，其难度可想而知。

??电池量产，需要基于电池结构的合理性，而评判电池合理性的标准则是电池的工艺性能否达到量产标准。工艺反复验证，对公司的耐心以及研发团队的技术积累是极大的考验。

??BenchmarkMineralIntelligence也曾就特斯拉4680电池量产问题表示：“在开始量产之前，特斯拉需要很长时间对工艺进行微调。”该咨询公司首席数据官卡斯帕·罗尔斯（CasparRawles）补充说：“4680电池生产非常困难，即使对于有经验的供应商也是如此。”

??特斯拉距离终极形态的4680量产落地，还需摆脱重重枷锁。

三、4680中日韩争夺战

??作为最先商业化的电池型号，在动力电池发展的初期阶段，圆柱电池凭借质量稳定、产线自动化程度高、一致性高的优点，成为特斯拉的首选。而在上世纪90年代将圆柱电池在商业化领域发扬光大的松下，也成为了特斯拉圆柱电池起航的“领路人”。

??2010年，松下作为特斯拉的第一家电池供货商，为ModelS批量供货18650电池。

??在ModelS正式下线后，时任松下会长津贺一宏（KazuhiroTsuga）接受了马斯克的邀请，双方于2014年7月签署协议，共同投资50亿美元在美国内华达建设电池工厂，命名“Gigafactory1”。根据协议，特斯拉提供建设用地、工厂运营，同时拥有工厂所有权，而松下负责制造圆柱电池并提供相关技术。

??时至今日，松下也是目前特斯拉电池供应商里唯一一家为旗下所有车型供货的电池厂家：其中，松下18650电池用于特斯拉初代Roadster、ModelS以及ModelX车型，Model3、ModelY则搭载了松下2170电池。

??但在双方刚开始合作时，马斯克曾对松下电池的价格表示非常不满，特斯拉当时计划自供电池。然而，经过几个月的前期项目准备，特斯拉自建电池工厂被迫取消。对于当时的特斯拉来说，这个计划有些过于昂贵。

??除供货价格外，松下“保守”的产能问题也成为双方的主要矛盾之一。马斯克曾在推特上公开批评：“松下的电池工厂量产速度限制了Model3的生产。”

??2019年5月，松下集团的新闻发布会上，时任松下会长山田佳彦（YoshihikoYamada）就曾表示，特斯拉曾试图让松下通过把更多流水线挤入同一车间内来限制成本。当时《华尔街日报》报道称，松下极不情愿地接受了这个想法。坚守“生产安全、质量大于一切”的松下过去从未建造过如此高度密集的生产车间。

来源：中国储能网图库

??同年6月，松下从日本派遣了10多名生产主管到Gigafatory1提供技术援助。2020年9月，松下将Gigafactory1中的电池流水线增加至14条，这一扩建也使得该工厂的电池产能提高了10%，达到43GWh。

??根据松下的最新公告，截至2023年3月底，该公司年产能最多只能供应51GWh的圆柱电池，包括18650、2170两个型号。

??显然，这个供货量远不能满足特斯拉“改变世界”的计划。

??而韩国LG抓住了特斯拉与松下合作产生矛盾的窗口期，凭借其NCM（镍钴锰）体系的2710电池（松下为NCA，镍钴铝体系），于2020年成功打入特斯拉电池供应链，打破了松下独家供应特斯拉电池的局面。

??作为世界首批商业化生产锂离子圆柱电池的企业之一，LG觊觎特斯拉圆柱供货权已久。

??早在2018年7月，LG化学就宣布与南京江宁滨江开发区达成协议，投资20亿美元建设动力电池项目，目标2019年10月开始运营，2023年实现全面达产，规划年产能32GWh。2019年1月，LG化学又宣布向南京工厂再次追加1.2万亿韩元（约合10.7亿美元），其中有6000亿韩元（约合4.69亿美元）用于圆柱形电池的生产。

??根据这两笔交易的签约时间，可以发现LG的布局精准对焦了特斯拉上海工厂的落地时间。

??同为圆柱电池生产商，与“保守”的松下相比，LG高举高打的投资扩产显然更符合特斯拉的胃口。

??随着特斯拉在中国国产化，在上海超级工厂的产能保证下，特斯拉在中国的销量快速提升。特斯拉年度销售报告显示，2020年，特斯拉全球销量达499,535辆。其中，特斯拉中国市场交付14.74万辆的成绩单，同比大增245.14%。

??抱住了特斯拉的大腿，LG的动力电池装车量也一路狂飙。

??SNEReserach数据显示，2020年LG新能源（同年从LG母公司拆分）以31GWh的装车量位居全球第二，同比大增150%，距离全球第一的宁德时代仅差3GWh，双方市占率也仅差2.19个百分点。

??今年4月20日，马斯克在特斯拉财报会上表示，旗下另一重磅产品Cybertruck的交付时间为今年的三季度。据了解，尽管特斯拉为Cybertruck考虑了三种电池选择，但仍打算使用4680电池。

??“东家”意图明显，LG与松下这两家厂商也开始发力4680电池量产。

??今年5月，LG新能源表示，已经组建了一个新团队，代号“NewFormFactorTask”（新尺寸任务），专门开发特斯拉使用的4680电池。该团队由副会长RyuDeok-hyun亲自带队，计划今年年底在其国内工厂建立一条新的4680生产线。但被问及量产时间时，LG新能源给出的答案是“预计2023年下半年”。

??但接近LG新能源的消息人士透露，虽然该公司的4680已经制作样品，但面临规模量产的技术障碍。

??而作为特斯拉过去的圆柱电池主力供应商，2023年5月11日，松下公告称，该公司4680产品将延期至2024年4月至9月期间开始量产，比原计划推迟一年时间。松下表示，公司“将引入制造设施，以提高产品性能”。

??“公司可以完成这项工作，目前正在开发原型生产线，”松下动力电池负责人YasuakiTakamoto早在2021年对媒体表示：“生产这些更大的电池，工艺必须要比目前提高一到两个水平，否则就会出现安全问题。”他补充说，松下的安全生产系统“绝对让松下在这个业务占据上风。”

??但显然，松下也低估了4680的量产难度。

??而松下4680量产时间的延期与Cybertruck的量产时间有着相当长的时间差，对于这款特斯拉的重磅产品，松下恐将因量产延期错失供货机会。而这也被外界看成是松下与特斯拉合作的一道关键分水岭。

??据业内人士爆料，2021-2022年，某中国圆柱电池企业在特斯拉弗里蒙特（Fremont）工厂设立办事处，负责配合特斯拉进行4680电池的研发，并计划向特斯拉上海工厂供货。年底，该厂商收到特斯拉的电池定点函，成为中国唯一一家特斯拉圆柱电池供应商。

??但该厂商由于违反保密协议，将“NominationLetter”（定点函）这一信息提前向美国媒体透露，导致特斯拉单方面向该厂商宣布无限期延迟合同。

??而随着特斯拉对该厂商的审厂工作完成，也预示着这张尘封一年的合同启动在即。

??特斯拉圆柱电池的供货名单，开始逐渐白热化。

四、结尾

??马斯克曾于2022年表示，预计4680电池不会成为“Cybertruck或其他任何东西的限制因素”。

??但从2022年美国加州大学圣地亚哥分校（UniversityofCalifornia,SanDiego）对特斯拉4680的拆解数据上看出，目前特斯拉的4680电池指标距离2020年电池日上公布的数据相比，还有相当大的距离。在材料上，2022年年底版本的4680电池正极没有采用干电极技术，负极也并未掺入硅。整体正负极材料并无显著的变化。

??而在电池性能上，在圣地亚哥分校实验室2.5Ah的放电电流下，4680实测容量仅为23.5Ah。在体积提升将近5倍的前提下，与2710单体4.84Ah的容量相比，4680也没有做到像之前电池日公布的5倍能量提升。

??6月18日，特斯拉在Twitter上官方宣布，其得州工厂的4680电池累计完成了1000万颗生产。

??根据特斯拉拆解视频中，搭载4680的ModelY的电芯数量为828颗。而根据electrek报道，该网站用户于2022年6月在对手中搭载4680电池的ModelYAWD版本进行测试时，该车型实际整车电池容量约为67.6kWh。

??综合计算（（67.6/828）*10^7/10^6=676/828=0.816GWh），特斯拉得州工厂从2020年到2023年，三年时间内，4680电池累计产能约为0.816GWh。

??要知道，被特斯拉诟病产能落后的松下，圆柱电池年总产能也达到了51GWh。

??特斯拉的电池王炸，在举世瞩目中有些“哑火”。

??2023年3月1日，摩根士丹利（MorganStanley）在特斯拉投资者日后表示，虽然特斯拉电池生产的风险仍然存在，并且许多细节尚不清楚，但特斯拉对全球电池行业的影响可能仍然被低估。

??特斯拉对4680越执着，越证明了这个电池的重要性。

??我们期待特斯拉挣脱4680量产的枷锁。对于当下动力电池产业而言，在液态电池材料发展逼近天花板，电池降本迫在眉睫的阶段，4680或将成为另一道曙光。

【责任编辑:孟瑾】