4680電池：2023年將成量產元年
時間:2022-11-15 09:07來源:能源評論•首席能源觀 作者:袁素
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4680電池再度成為焦點。
9月9日，寶馬集團宣布，為了滿足“新世代”車型對電池的需求，將從2025年起率先在“新世代”車型中使用大圓柱電池，已與寧德時代和億緯鋰能兩家合作伙伴簽署了價值超過百億歐元的電池生產需求合同。根據寶馬集團與這兩家中國電池企業的協議，后者將于2025年開始向寶馬供應大圓柱電池。
寶馬的大圓柱電池即直徑為46毫米、高度為95或120毫米的圓柱電池，和特斯拉的4680（直徑為46毫米、高度為80毫米）圓柱電池類似。因此，寶馬的大圓柱電池也被稱為“準4680”電池。
在特斯拉的帶動下，電動汽車行業掀起4680電池熱潮。越來越多的汽車企業從方形電池、軟包電池路線，轉為跟蹤圓柱電池技術路線。除了寶馬，戴姆勒、蘋果、Lucid、Rivian以及小鵬、蔚來、一汽、江淮、大眾中國也在關注和布局4680電池。
根據中金公司預測，2023年有望成為4680電池量產元年，當年4680電池裝機量有望超20吉瓦時，2024年將超100吉瓦時。
無極耳技術的創新與挑戰
電動汽車所用電池按外形和封裝形式分為方形、圓柱、軟包三種，方形和圓柱電池均使用金屬硬外殼，軟包電池使用鋁塑復合膜。
特斯拉最早采用的是日本松下生產的小圓柱1865電池，即電池直徑為18毫米、高度為65毫米，規格后來擴大至2170。2020年9月，特斯拉在電池開放日上對外發布自研的4680電池。特斯拉認為，46毫米的直徑是兼顧經濟性和電池性能的最佳直徑。高度方面則可根據車型需要做靈活調整，例如國內電池廠家比克電池推出的46系列電池，具備從80～120毫米不等的高度；而寶馬則選擇95毫米或120毫米的高度。
從結構來看，特斯拉4680電池最大的特點是采用了無極耳（又稱全極耳）技術。所謂極耳是從圓柱電池中將正負極引出的金屬導電體，主要成分為鋁和銅，是電池進行充放電的接觸點。鋰電池中電子在正極耳與負極耳之間移動，其流通路徑與內阻成正比，而內阻與電池內部損耗、發熱正相關。因此，無極耳設計可以縮短電子流通路徑，減小電池內阻與產熱量，可帶來更高的輸出功率與更好的快充性能。
從材料體系來看，4680電池將比方形電池更加適配高鎳三元和硅負極等新型材料體系。其一，圓柱電池的劣勢是成組效率為70%左右，低于方形電池的80%，想要實現和方形電池相同的能量密度，必須使用更高效的方案，采用高鎳三元材料和硅負極體系；其二，硅負極相比石墨負極具有更高的膨脹系數，圓柱電池相比方形電池內應力分布更均勻，不易造成內部材料損毀。
圓柱電池單體高一致性的優勢使4680電池更能適配800伏高電壓，解決電動汽車快充難題；由于圓柱電池較方形和軟包電池具有更佳的結構支撐性，4680電池也將推動“電芯到底盤”（CTC）技術的產業變革。
因此，46系列大圓柱電池被認為是下一代圓柱電池的發展方向。特斯拉在2020年9月對外宣布，相比2170電池，4680電池容量可以提升5倍，輸出功率提升6倍，每千瓦時的成本降低14%，搭載該電池的車型續航里程可提高16%。在充電方面，在400伏高壓快充模式下將電量從10%充到80%僅需15分鐘。
寶馬在2022年9月稱，46系列大圓柱電池形式和化學體系（高鎳三元與硅負極材料體系）能夠使電池續航能力提升30%，搭配800伏高電壓平臺后，電池電量從10%充到80%的時間將減少30%。
也有分析認為，4680電池也有著不可忽視的缺點：一方面，4680電池加上CTC的結構，讓電池可維修性極差、維修成本高企；另一方面，將4680電池深度集成到底盤上，將導致部分搭載4680電池的車型車身側面的防護性欠佳。
同時，無極耳技術也帶來了4680電池生產工藝上的挑戰，這些難點分布在分切、注液、揉平和激光焊接等多個環節。其中，最大的難題在激光焊環節——從傳統兩個極耳的點焊到全極耳面焊，焊接工序和焊接量都變多，激光強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電池內部或者無法焊全。這個環節將直接影響4680電池的良品率。
電池企業和整車企業都在布局
從全球來看，特斯拉、松下、LG、三星、寧德時代、億緯鋰能、比克電池、蜂巢能源等多家電池企業和汽車企業都在密集布局46系列大圓柱電池。
特斯拉是全球最早布局4680電池的公司。2020年，特斯拉在美國加利福尼亞州弗里蒙特的電池工廠，建設了一條電池試驗線用以試生產4680電池，規劃目標為年產能10吉瓦時。2022年1月，特斯拉對外宣布這個工廠已于一季度交付首批搭載4680電池的電動汽車Model Y。
2022年4月7日，特斯拉在美國得克薩斯州的奧斯汀工廠正式開始生產4680電池，未來規劃產能達100吉瓦時。預計奧斯汀工廠的產量在今年年底前將超過弗里蒙特工廠。
特斯拉還在德國的柏林工廠安裝4680電池產線，預計2022年年底至2023年將陸續投產，總規劃產能達50吉瓦時。
不過，由于受到美國最近剛剛通過的《減少通貨膨脹法案》補貼政策的影響，特斯拉未來可能將重心優先放在美國本土電池廠的生產。
對特斯拉而言，4680電池供應尚無法全部由自己生產，還要依賴其供應商松下、LG和寧德時代的供應能力。
2021年，松下在美國內華達州超級工廠建立4680電池新生產線并進行量產，同時在日本工廠啟動4680電池試驗線建設，并于2022年年初測試生產。2022年2月，松下決定在日本西部的和歌山工廠建立4680電池生產基地，預計該基地將于2023年3月至2024年3月進行量產。
7月份，松下發布的2022財年第一季度財報稱，4680電池計劃于2024財年開始量產，2023年將完成開發和生產線測試。5月底，松下已經完成原型電池的開發。據媒體報道，原型電池已經送交特斯拉測試。隨著美國《減少通貨膨脹法案》補貼政策的通過，松下可能會將其電池生產重點放在美國本土。
2021年3月，LG的4680電池試生產線已經開始建設，目前正在韓國梧昌Ochang工廠改造部分生產線，組裝和電鍍設備已經安裝完畢。其目標是在松下大規模生產電池之前完成試產，計劃最早在2023年實現量產，并上調2025年4680電池產能規劃至120吉瓦時。
同時，LG拿下了特斯拉上海超級工廠所生產的Model 3和Model Y的電池訂單，成為特斯拉的主要供應商，LG接連研發了4680、4690等類型電池，希望維持其在特斯拉供應鏈中的占比。
8月份，三星SDI中國區負責人崔勛在世界新能源汽車大會上宣布，三星確定在研發46系列電池，包括 4680、4695 和 46120 三種類型電池。
目前，三星SDI正在韓國天安建設一條 4680電池測試產線，首批設備已完成訂購，規劃年產能為1吉瓦時。如果測試順利，三星 SDI 將在馬來西亞工廠批量生產4680電池，規劃產能為8～12吉瓦時。
中國企業亦在局內
在這一輪全球“4680”熱潮中，中國電池企業和汽車企業的表現同樣值得期待。
9月9日，寧德時代對外宣布，將為寶馬供應46系列電池，這些產品將在位于中國和歐洲的兩座電池工廠生產，每座工廠供應寶馬的年產能高達20吉瓦時。
同一天，億緯鋰能也對外宣布，將為寶馬供應46系列電池。早在2021年11月，億緯鋰能公告稱，將在湖北荊門高新區投資建設20吉瓦時乘用車用46系列電池生產線及輔助設施項目。2022年3月29日，其宣布在匈牙利建設46系列電池工廠。
比克電池在2022年3月對外宣稱，46系列電池目前主要是定制產品，用戶可以與比克電池進行聯合開發制定電池的具體參數，而非定制化的量產版本大約會在2022年年底面世。公司計劃在鄭州工廠新建46系列電池生產線，該工廠已完成土建。比克電池和江淮將聯合開發4680電池及電池組。
2021年11月，蜂巢能源董事長兼首席執行官楊紅新表示，46系列電池的市場前景廣闊，今年蜂巢能源也將切入46系列電池領域。
此外，根據中銀證券的統計，全球正在掀起4680電池熱潮。戴姆勒、蘋果、Lucid、Rivian以及小鵬、蔚來、一汽、江淮、大眾中國也在關注和布局4680電池。
其中，戴姆勒2017年以6千萬美金投資的StoreDot正在研發4680電池。江淮汽車與CBAK新能源聯合開發4680電池；作為與江淮汽車的合資企業，大眾安徽（大眾持股75%）旗下推出的車型可能采用其4680電池。計劃造車的蘋果公司在與寧德時代和比亞迪的談判陷入僵局后，與松下頻頻接觸，或轉向使用4680電池。美國新興造車勢力Lucid、Rivian早期即采用4680電池方案。
從全球來看，4680電池進展最快的特斯拉已于2021年9月試生產，計劃2022年量產。其他廠商多在2022年第一季度開始試生產，2023年開始量產。因此，2023年將成為4680電池量產的真正元年，2024年實現批量供貨。
(責任編輯：子蕊)
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4680電池
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