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

　　非常感謝組委會給我一個機(jī)會，讓我來談一談圓柱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這樣一個或兩個極耳，而全極耳4680變成了無窮多個極耳，這個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4680相當(dāng)于大約5個21700型，8個18650型的能量。

　　我們再仔細(xì)剖析一下，一般電池設(shè)計，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，比如說松下2170和銀隆的鈦酸鋰。當(dāng)能量密度升高的時候功率密度會下降，或者如果是鈦酸鋰電池功率密度很高，但能量密度比較低，形成這樣一個剪刀差，現(xiàn)在全極耳4680出來可以兼顧高能量密度和高功率密度，這樣就突破了原來圓柱電池的限制。

　　我們看兩種電池結(jié)構(gòu)比較，上面是松下21700TeslaModel3用的電池，中間有一個極耳（沒有在正中間），長度867毫米，寬度是63.5毫米，電子傳導(dǎo)路徑就比較長。如果我們看4680全極耳電池，電子傳導(dǎo)路徑加起來就是這個極片的寬度，大約70毫米，而且非常地均勻。對于松下電池，極耳所在的地方電流密度非常大，如果離開這個地方比較遠(yuǎn)，電流密度就小，所以電流密度很不均勻。順便說一下我們做的4680電池極片長度達(dá)到4.5米長，在這么長的極片上面如果用一個極耳或者幾個極耳都很難做到很高功率的，這就是一個根本性的不同。

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

　　比如說可以實現(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)動功率。大電流充放電發(fā)熱量較小，壽命增加。這里舉個例子，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，有的車廠可以實現(xiàn)小馬拉大車，不用那么多電池，比如說原來要50度電，現(xiàn)在用30度電功率跟原來是一樣，甚至?xí)?，如果在某種情況下，無需考慮續(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)勢就更大了，結(jié)構(gòu)很簡單，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，圓柱比較適合使用硅負(fù)極材料來提升能量密度。

　　怎么會形成這樣的東西呢？我們看它的結(jié)構(gòu)就知了。比如說電子導(dǎo)電的過程，電池內(nèi)組可以分為兩個阻抗，一個是電子導(dǎo)電阻抗，一個是離子子導(dǎo)電阻抗。電子阻抗是沿著金屬箔材流動產(chǎn)生的電阻（長度幾百毫米數(shù)量級），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)電是離子穿過正、負(fù)極材料顆粒之間的間隙和隔膜流動產(chǎn)生的電阻，這個傳導(dǎo)距離在微米數(shù)量級，而且導(dǎo)流面積非常大。在一個電池里，如果結(jié)構(gòu)不合理，90%以上內(nèi)阻是來自于箔材電阻，全極耳結(jié)構(gòu)基本上消除了這部分電阻。

　　英國牛津大學(xué)幾位學(xué)者專門對4680電池進(jìn)行了模擬，與傳統(tǒng)的圓柱電池極耳設(shè)計做比較，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，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，所以說發(fā)熱量只有原來20%。

　　再來看它不但發(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)計電池中心溫度達(dá)到80攝氏度，但是4680是很均勻的，沒有特別熱的地方，均衡在45攝氏度以下，這是在同樣放電條件下。發(fā)熱均勻是延長電池壽命一個重要的方面。因為發(fā)熱量小，而且均勻這個特點(diǎn)，可以大大降低pack熱管理的成本。這是Model3里面的電池包，4000多個電池都需要經(jīng)過蛇形導(dǎo)管，你一看就知道這個東西不便宜?，F(xiàn)在4680沒有發(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宣傳的徹底無模組化的PACK，就是這么緊密排列，緊密排列起來，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，長寬厚測量出來，電芯空間是這個數(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，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的倍率會更有優(yōu)勢。

　　我們再拿4680來跟方型電池比較.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電池的容量，電壓，把這個電芯一個個排起來總體積是0.147立方米，同樣電量我們用宇量18Ah的4680來組成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的報告，結(jié)構(gòu)可以抵消一些重量。同時它有一個降低成本重要的因素，這里有兩個曲線，取一個峰值的地方，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個電池降低到960個電池，焊接成本和組裝成本都大幅度下降。原來用2170電池的負(fù)極的鋁絲焊就是一個很大的難點(diǎn)，仔細(xì)看到這個地方焊點(diǎn)很難看，為什么這樣呢？主要是因為負(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，因為圓柱比較容易實現(xiàn)fail-Safe正極可以采用高鎳材料，圓柱電池對于負(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TeslaModel3用的4416個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。

　　說了這么多優(yōu)點(diǎn)，那么講一個難點(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)為這種方法是有問題的。另外制造的時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，這比無規(guī)則擠壓會好很多，占的空間比較小，但同時還是有一些問題，比如說激光強(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在視頻里面說可以連續(xù)生產(chǎn)，實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)看這個圖上極耳疊的很整齊，實際情況我們做得時候就發(fā)現(xiàn)這是很不容易的。根據(jù)這個公式可以看到，這是極坐標(biāo)公式。這個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，這個公式中的θ值達(dá)到300以上，這時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1萬倍。比方說極片的厚度完全沒有誤差情況下是直著排列的。如果正負(fù)都有一個微米，再放大1萬倍，極耳位置的的誤差就達(dá)幾十毫米。

　　那么結(jié)論說一下，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。