近日，第四屆先進(jìn)高功率電池國(guó)際研討會(huì)（CHPB-4）在蘇州順利成功召開(kāi)。蘇州宇量電池有限公司董事長(zhǎng)毛煥宇博士做了“圓柱4680電池的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)”的主題發(fā)言。

　　非常感謝組委會(huì)給我一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我來(lái)談一談圓柱4680電池的特點(diǎn)?？梢钥吹絋esla從18650到21700到4680，其實(shí)不只是尺寸的變化，而是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重大改進(jìn)。不像18650和21700這樣一個(gè)或兩個(gè)極耳，而全極耳4680變成了無(wú)窮多個(gè)極耳，這個(gè)改變就大大增加電流通路，就把電池從高能量密度上升到了高倍率，這樣改動(dòng)之后可以大電流充放電，發(fā)熱減少，圓柱電池尺寸可以做大，成本可以下降。一個(gè)4680相當(dāng)于大約5個(gè)21700型，8個(gè)18650型的能量。

　　我們?cè)僮屑?xì)剖析一下，一般電池設(shè)計(jì)，左邊是能量密度坐標(biāo)，右邊是功率密度坐標(biāo)，中間是各種各樣不同的設(shè)計(jì)，比如說(shuō)松下2170和銀隆的鈦酸鋰。當(dāng)能量密度升高的時(shí)候功率密度會(huì)下降，或者如果是鈦酸鋰電池功率密度很高，但能量密度比較低，形成這樣一個(gè)剪刀差，現(xiàn)在全極耳4680出來(lái)可以兼顧高能量密度和高功率密度，這樣就突破了原來(lái)圓柱電池的限制。

　　我們看兩種電池結(jié)構(gòu)比較，上面是松下21700TeslaModel3用的電池，中間有一個(gè)極耳（沒(méi)有在正中間），長(zhǎng)度867毫米，寬度是63.5毫米，電子傳導(dǎo)路徑就比較長(zhǎng)。如果我們看4680全極耳電池，電子傳導(dǎo)路徑加起來(lái)就是這個(gè)極片的寬度，大約70毫米，而且非常地均勻。對(duì)于松下電池，極耳所在的地方電流密度非常大，如果離開(kāi)這個(gè)地方比較遠(yuǎn)，電流密度就小，所以電流密度很不均勻。順便說(shuō)一下我們做的4680電池極片長(zhǎng)度達(dá)到4.5米長(zhǎng)，在這么長(zhǎng)的極片上面如果用一個(gè)極耳或者幾個(gè)極耳都很難做到很高功率的，這就是一個(gè)根本性的不同。

　　這里有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是大大縮短了電子傳導(dǎo)路徑。一個(gè)是具有均勻的電流密度。這樣就帶來(lái)了一系列的優(yōu)勢(shì)：

　　比如說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)快充，15分鐘充電80%成為可能。較少電池也可以輸出較大驅(qū)動(dòng)功率。大電流充放電發(fā)熱量較小，壽命增加。這里舉個(gè)例子，宇量現(xiàn)在做的三元4680電池，充電曲線基本上重合的，這個(gè)快充性能0到80%只需要12分13秒，倍率放電脈沖方式可以達(dá)到8C，能量密度達(dá)到230Wh/kg。宇量的鐵鋰4680快充性能0到80%只需要12分30秒脈沖放電達(dá)到11C，能量密度達(dá)到180wh/kg。

　　在降低成本方面，有的車廠可以實(shí)現(xiàn)小馬拉大車，不用那么多電池，比如說(shuō)原來(lái)要50度電，現(xiàn)在用30度電功率跟原來(lái)是一樣，甚至?xí)?，如果在某種情況下，無(wú)需考慮續(xù)駛里程可以就可以少裝電池。另外電芯生產(chǎn)效率也提升，有利于生產(chǎn)成本下降。PACK的優(yōu)勢(shì)就更大了，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，這些都是降低成本重要的。還有能量密度也可以提高，可基本維持圓柱電池的高能量密度，同時(shí)，圓柱比較適合使用硅負(fù)極材料來(lái)提升能量密度。

　　怎么會(huì)形成這樣的東西呢？我們看它的結(jié)構(gòu)就知了。比如說(shuō)電子導(dǎo)電的過(guò)程，電池內(nèi)組可以分為兩個(gè)阻抗，一個(gè)是電子導(dǎo)電阻抗，一個(gè)是離子子導(dǎo)電阻抗。電子阻抗是沿著金屬箔材流動(dòng)產(chǎn)生的電阻（長(zhǎng)度幾百毫米數(shù)量級(jí)），而且箔材的導(dǎo)流面積很小，只有厚度乘以寬度而已。離子導(dǎo)電是離子穿過(guò)正、負(fù)極材料顆粒之間的間隙和隔膜流動(dòng)產(chǎn)生的電阻，這個(gè)傳導(dǎo)距離在微米數(shù)量級(jí)，而且導(dǎo)流面積非常大。在一個(gè)電池里，如果結(jié)構(gòu)不合理，90%以上內(nèi)阻是來(lái)自于箔材電阻，全極耳結(jié)構(gòu)基本上消除了這部分電阻。

　　英國(guó)牛津大學(xué)幾位學(xué)者專門對(duì)4680電池進(jìn)行了模擬，與傳統(tǒng)的圓柱電池極耳設(shè)計(jì)做比較，ABCD是不同的散熱條件，看同樣的散熱條件，左邊和右邊來(lái)看，它的溫度差別有多少呢？如果我們把刻度歸一化之后，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)曲線到這里只有一點(diǎn)點(diǎn)了，發(fā)熱溫度是大大降低了。再來(lái)看它的發(fā)熱量，在這里也有描述，這是傳統(tǒng)的圓柱電池的極耳設(shè)計(jì)，箔材發(fā)熱量有這么大，但是到圓柱4680里面基本上都找不到了。綜合計(jì)算傳統(tǒng)圓柱電池的發(fā)熱量是全極耳的5倍以上，所以說(shuō)發(fā)熱量只有原來(lái)20%。

　　再來(lái)看它不但發(fā)熱量小，而且分布也很均勻，SOC從90%放電情況下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)電池中心溫度達(dá)到80攝氏度，但是4680是很均勻的，沒(méi)有特別熱的地方，均衡在45攝氏度以下，這是在同樣放電條件下。發(fā)熱均勻是延長(zhǎng)電池壽命一個(gè)重要的方面。因?yàn)榘l(fā)熱量小，而且均勻這個(gè)特點(diǎn)，可以大大降低pack熱管理的成本。這是Model3里面的電池包，4000多個(gè)電池都需要經(jīng)過(guò)蛇形導(dǎo)管，你一看就知道這個(gè)東西不便宜。現(xiàn)在4680沒(méi)有發(fā)熱了，就可以把這些全部去掉，去掉以后是什么樣呢？這是Tesla宣傳的徹底無(wú)模組化的PACK，就是這么緊密排列，緊密排列起來(lái)，下面或者上面加一塊平板進(jìn)行散熱，熱管理成本大幅度的下降。

　　下面我把4680跟刀片電池進(jìn)行比較。刀片電池最大特點(diǎn)就是節(jié)省空間，利用率提高50%，那么我們這樣緊密排列情況下，都用53.57kWh電池進(jìn)行比較，是135安和396.8V電池包，長(zhǎng)寬厚測(cè)量出來(lái)，電芯空間是這個(gè)數(shù)值，電芯總體積0.143立方米。那同樣我們用宇量電池，每只18安計(jì)算，需要930pcos，組成39×24cells的方陣，電芯空間體積0.141立方米，兩者相比較是相當(dāng)?shù)?。另?680還有它的優(yōu)勢(shì)，刀片電池的極片有月915毫米電子傳導(dǎo)路徑，4680傳導(dǎo)路徑只有幾十毫米，所以4680的倍率會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

　　我們?cè)倌?680來(lái)跟方型電池比較.現(xiàn)在在TeslaModel3用的鐵鋰電池單體的尺寸是62mm(厚)x275mm(寬)x80(高)，在汽車的銘牌上我們找到了這個(gè)電池的容量，電壓，把這個(gè)電芯一個(gè)個(gè)排起來(lái)總體積是0.147立方米，同樣電量我們用宇量18Ah的4680來(lái)組成40×24方陣，電芯總體積0.144立方米，所以4680跟方形相比，體積能量密度也是相當(dāng)?shù)摹?/p>

　　根據(jù)這是Tesla的報(bào)告，結(jié)構(gòu)可以抵消一些重量。同時(shí)它有一個(gè)降低成本重要的因素，這里有兩個(gè)曲線，取一個(gè)峰值的地方，所以46mm的直徑成本下降是最大，續(xù)航里程也是最大的。至少PACK生產(chǎn)成本從2170到4680，從4416個(gè)電池降低到960個(gè)電池，焊接成本和組裝成本都大幅度下降。原來(lái)用2170電池的負(fù)極的鋁絲焊就是一個(gè)很大的難點(diǎn)，仔細(xì)看到這個(gè)地方焊點(diǎn)很難看，為什么這樣呢？主要是因?yàn)樨?fù)極提供的焊接平面太小了，還是彎曲的，只有1毫米左右寬，所以總是焊不好，這個(gè)地方成品率很低。但是改成4680就不一樣了，正極焊接平面在中間，負(fù)極焊接平面有十幾毫米寬，非常平整的一大圈。

　　在能量提升方面，因?yàn)閳A柱比較容易實(shí)現(xiàn)fail-Safe正極可以采用高鎳材料，圓柱電池對(duì)于負(fù)極膨脹可以有一定的抑制，負(fù)極可以使用硅碳材料。在一個(gè)TeslaModel3用的4416個(gè)2170電池的鋼殼和電池蓋所覆蓋的表面積是7.46平方米，而960個(gè)4680電池鋼殼和電池蓋所覆蓋的表面積是4.55平方米，中間就減少了約40%的鋼殼重量。

　　說(shuō)了這么多優(yōu)點(diǎn)，那么講一個(gè)難點(diǎn)，就是在于極耳的收集，目前能夠看到的有三種：揉壓極耳，切跌極耳，多極耳。

　　揉壓極耳在國(guó)內(nèi)比較普及，但是這種方式由于留箔的空間占用，正極涂布寬度只有約64毫米，高度空間利用率只有80%。像松下的圓柱雖然是70毫米，但是正極涂布寬度有63.5毫米，高度空間利用率達(dá)到90%。另外是極耳的形態(tài)不受控，很容易發(fā)生短路。我們認(rèn)為這種方法是有問(wèn)題的。另外制造的時(shí)候兩端都是封閉狀態(tài)，電解液滲入阻礙大。

　　Tesla的方法是切跌極耳法，這個(gè)極片是斜著，切成一片一片的，再把它一卷極耳就形成漩一樣的東西，這比無(wú)規(guī)則擠壓會(huì)好很多，占的空間比較小，但同時(shí)還是有一些問(wèn)題，比如說(shuō)激光強(qiáng)度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內(nèi)部或沒(méi)有焊上。還有由于兩端的封閉狀況，電解液滲入阻礙大。Tesla在視頻里面說(shuō)可以連續(xù)生產(chǎn)，實(shí)際上至少注液不可能連續(xù)生產(chǎn)。

　　那么可不可以多極耳呢？我們仔細(xì)看這個(gè)圖上極耳疊的很整齊，實(shí)際情況我們做得時(shí)候就發(fā)現(xiàn)這是很不容易的。根據(jù)這個(gè)公式可以看到，這是極坐標(biāo)公式。這個(gè)S是極耳在極片上的位置，θ是角度，常數(shù)a跟厚度成正比。那么當(dāng)圈數(shù)達(dá)到50左右，這個(gè)公式中的θ值達(dá)到300以上，這時(shí)S隨厚度變化的比值就非常大，電極的厚度變化1微米，極耳位置變化1萬(wàn)倍。比方說(shuō)極片的厚度完全沒(méi)有誤差情況下是直著排列的。如果正負(fù)都有一個(gè)微米，再放大1萬(wàn)倍，極耳位置的的誤差就達(dá)幾十毫米。

　　那么結(jié)論說(shuō)一下，全極耳4680電池是圓柱電池性能的重大突破，發(fā)熱減少，快充性能大幅度提升。成本從電芯到PACK都會(huì)有較大幅度的下降。當(dāng)然難點(diǎn)就是在于極耳收集，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，將逐步克服難點(diǎn)，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。