什么是4680电池？
4680电池为特斯拉推出的直径为46mm，高度为80mm的新一代圆柱电池。
解析特斯拉4680电池技术亮点
核心创新：大电芯+全极耳+干电池技术
能量密度高：单体能量提高5倍，整车续航里程增加16%，4680 容量是 2170 电芯 5 倍，仅外形尺寸变化，能量密度可以上升 10%，换用硅碳负极，能量密度上升 20%至 300wh/kg 以上；
快充优势：电池功率（6倍于21700电池）4680 电池不仅从材 料体系适配快充，同时改变结构提高充电倍率，比如采用全极耳设计。
安全可靠：圆柱电池周边隔热能力更强。4680 采取顶部水冷和侧面水冷 相结合的方式。无极耳设计进一步提高散热性
降低了电池成本（14%于2170电池）
解析特斯拉4680电池材料创新
1）超高镍多元正极：NCMA 四元材料在提升镍含量的 同时兼顾了降本和材料稳定性。国内高镍正极竞争格局较为集中，CR5 达到 86.4%，当升科技是其中的佼佼者；
2）硅碳硅氧负极：理论最高克容量可达 4200mAh/g，是石墨的 10 倍多，目前量产克容量已超过 400mAh/g。国内实现硅基负极量产及批量供货的企业有杉杉股份、贝特瑞；
3）单壁碳管导电剂：碳纳米管 可以缓解硅负极膨胀问题，改善循环性能，减少电解液损耗，提升寿命性能。单 壁碳纳米管性能更优。天奈科技正在积极研发相关产品；
3.1 硅负极
3.1.1 优势
1）理论能量密度更高：石墨负极理论最大电池容量372Wh/kg，硅负极理论最大电池容量可达4200Wh/kg。
2）安全性更好：硅的电压平台比石墨高，现在负极石墨都会产生锂枝晶，是因为它们的电压平台接近锂的析出电位，支晶刺破隔膜，正负极将发生短路，严重威胁电池安全。
3）成本更低：硅材料来源广，储量丰富，制作成本较低，对环境友好 。采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可以提升8%以上，体积能量密度可以提升10%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%。
3.1.2 劣势
1）循环性能差：嵌锂后体积膨胀，石墨在锂离子嵌入后体积无明显膨胀情况，但硅在锂离子嵌入后体积膨胀四倍以上，来回几次膨胀收缩后电池就报废了。
2）导电性差：硅的低电导性限制其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能；体积变化使活性物质与导电剂粘结剂接触差，导电性下降；硅表面的SEI膜厚且不均匀，影响导电性与电池整体比能量。
3.1.3 4680电池创新设计
Tesla对原材料重新设计，采取高弹性材料，并通过增加弹性的离子聚合物涂层，可以稳定硅表面结构，并使成本降低5%。
Tesla硅负极工艺原理
3.1.4 硅碳负极为硅负极的发展方向
电池企业积极应用硅碳负极：硅碳负极目前主要应用于圆柱电池，宁德时代、力神电池、国轩高科与普莱德等动力电池厂商高比容量电池方案中，硅碳负极为明确发展方向。
硅碳负极研发生产提速：国外硅碳产业化较为领先，国内厂商正积极追赶，目前国内负极厂商已扩大硅碳负极投入，贝特瑞、杉杉、国轩高科、正拓能源可实现量产。其中贝特瑞硅碳负极供给松下动力电池，进入特斯拉产业链。部分电池企业如CATL、比亚迪、国轩高科、比克和天津力神等企业均在硅碳积极布局。
硅碳电池是高能量密度发展的必然趋势，随技术瓶颈的克服与终端客户接受度提升，硅碳将成本下降，实现大规模量产， CNCET预计23年我国硅碳负极材料产量及消费量将达到6万吨，未来硅碳负极市场前景巨大。
3.2 正极
不同的电极用在不同的产品上，铁锂版的4680会用在低续航的车型和能源储蓄电池，主打更多循环次数；镍锰锂4680电池用在中等续航的车型和家用电池上；高镍4680电池用在cybertruck和Semi上。
Tesla正极材料主打高镍无钴化方向，但没有提出与主流路线之外的创新：使用NCA单晶路线，通过提升电压来提升能量密度，材料热稳定性媲美磷酸铁锂。
3.2.1 NCA
三元正极材料路线一般分为两条：1）Tesla采取的NCA（镍钴铝）；2）NCM（镍钴锰），比如宁德时代使用的NCM523、NCM622、NCM811。
NCM与NCA区别
正极材料中元素的作用为：
镍：提升电池能量密度，降低电池成本。是电池提升续航的关键。
钴：作为正极支架结构坚固，但价格昂贵，并对环境造成污染。
锰、铝：提高材料的导热性，是热稳定性，更安全的关键。
铁：镍的替代材料，能量密度不高，但价格便宜，充放电次数更高。
相比与NCM，NCA的能量密度更大，工艺要求也更高，但安全性差些。Tesla提高镍的含量，降低钴的含量，从而提升能量密度，降低成本。
NCM中钴含量在逐渐降低
3.2.2 单晶化
与提高镍元素来提高能量密度不同，单晶化是通过提高正极材料的电压来提升能量密度：单晶材料相对于传统的多晶材料更适合做高电压，没有晶界，可提升三元电池的热稳定性和循环性能。
单晶化正极镍含量
单晶化提升电池循环性能
以5系为代表高电压单晶材料镍55电池，只采用了和NCM523相同的镍含量，就可实现NCM811的能量密度，并且有更突出的材料方面的热稳定性，成本比NCM811更低。
镍55电池和NCM系电池成分对比
3.2.3 4680电池正极趋势
4680电池实际有三种不同的正极材料：铁锂、镍锰铝、高镍。
三种4680电池（铁锂、镍锰铝、高镍）运用产品
a）4680电池目前以高镍方向为主
4680高镍版为Tesla目前主要方向，未来用在高续航的Cyber truck和Semi上，同时长续航和高性能版本的Model 3（参数丨图片）和Model Y也可使用。
b）4680电池镍锰版将紧跟高镍版
在4680高镍版技术成熟后，将研发4680镍锰版，将应用在中等续航Model Y及家用电池等产品上。
c）4680电池未来也有可能使用铁锂正极
4680电池也有可能使用铁锂正极：Tesla电池发布会中，并未提及其循环性能，因为硅基阳极体积膨胀降低充放电次数，在镍锰版4680电池技术成熟后，铁锂版的4680电池大概率也可推出，应用于低价车型、能源储蓄电池中，主打高循环性能。
电池型号从高镍版陆续到镍锰版最后到铁锂版的4680电池逐渐发展，会拉动相关材料的需求。
解析特斯拉4680结构创新
4.1. 全极耳
4680电池通过极耳结构的改变，大幅提升了电池功率、优化了散热性能、生产效率、充电速度。
4.1.1. 全极耳结构
传统电池只有两个极耳，分别连接正极与负极，而4680电池实现了全极耳（直接从正极/负极上剪出极耳），从而大大增加了电流通路，并缩短了极耳间距，进而大幅提升了电池功率。
4.1.2. 全极耳优势
1）提升了输出功率：电池电流通路变宽，且内阻大幅减少，内部损耗随之降低，进而大幅提升了电池功率（6倍于2170电池）。
2）提升安全性：圆柱电池与片状电池不同，其散热为轴向居多，热量从极耳处散出。传统圆柱电池如2170只有两个极耳，热量传输通道窄，因此散热效果不好。4680电池极耳面积大大增加，热量传输通道宽阔，大大改善了散热效果（只有传统圆柱电池的20%），增强了电池的热稳定性。
3）快充性能大幅提升：由于全极耳结构，电子更容易在电池内部移动，电流倍率提高，因此充放电速度更快。
4）提高生产效率：消除生产线添加极耳的流程和时间，节省设备空间，减少出现制造缺陷的可能。
4.1.3. 全极耳工艺难点
1）全极耳制作中，极耳的收集问题：通俗的理解就是把极耳折在一起的工艺，目前有揉压极耳、切叠极耳、多极耳三种：
1）揉压极耳的极耳形态不受控，容易发生短路，制造时两段封闭，电解液渗入阻碍大；2）切叠极耳（Tesla）斜切成片卷起，比无规则挤压好一些，占空间较小，但表面起伏度较大，制造时两段仍封闭，注液不能连续生产；3）多极耳很难折叠整齐，极耳位置误差在外圈易被放大。
2）全极耳与集流盘或壳体连接中，对激光焊接技术要求较高：从点焊（传统两个极耳）到面焊（4680电池全极耳），焊接工序和焊接量都变多，激光强度和焦距不容易控制，易焊穿烧到电芯内部或者没有焊，目前电池良率较低（92%）。
Tesla切叠极耳成品
4.1.4. 全极耳带来的机遇
从以往2170电池的脉冲激光器点焊，到目前4680电池线或激光点阵，激光焊接工艺提升，可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，整体造价增加。
4.2. 大电芯
4.2.1. 性能表现
4680电池较之前2170电池在直径和高度上具有提升，直径从27mm变为46mm，高度从70mm变为80mm，电芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大。
4.2.2. 尺寸变大优势
1）降低电池成本：降低壳体在单位电池容量上的占比，结构件和焊接数量也显著减少（成本相比2170电池降低14%）。
2）提升能力密度：随着电池尺寸增大，电池组中电池数量减少，金属外壳占比减少，正极、负极等材料占比增加，能量密度提高。
3）BMS系统更加省心：电池组中电池数量减少，对于电池的监测和状态分析更为简单。
4）结构强度增加，与CTC技术完美结合：4680尺寸更大结构强度更高，其作为结构电池成为车结构的一部分，既提供能源，也用作结构起支撑作用，节省了空间也减少了重量（10%），因此提升了续航里程（14%）。
4.2.3. 尺寸变大劣势
增加发热量：电池尺寸越大，发热越多，散热越难，因此热量控制更困难，电池爆炸产生的威力越大，为之前电池厂商想增加电池尺寸的最大瓶颈，Tesla通过全极耳技术进行了热稳定性能的突破。
4.2.4. 实际性能表现
随着电池尺寸增大，电池组中电池数量减少，金属外壳占比减少，正极、负极等材料占比增加，能量密度提高。与2170电池相比，4680电池能量方面提高了5倍，目前续航里程的提升（16%）主要来自CTC技术（14%），随着材料体系的不断升级，电池能量密度有进一步提升空间。
4.2.5 CTC技术（Cell to Chassis）
4680电池组取消了模组设计，将单体电池和底盘集成在一起，将驱动电机、电控系统、逆变器和车载充电器等设备也集成在一起，并由重新优化过的电池管理器来分配动力。该集成技术被称为CTC（Cell to Chassis）。
整个电池系统总重约438kg，冷却系统与电池共重348kg，电池管理器、上下壳体及线缆经过优化共重约90kg。对比Model 3的电池布置形式，可以看出4680电池组的重量要轻了不少。
解析特斯拉4680电池工艺
制造工艺要求提升：独创干电池涂布、极片极耳切割一体化、激光焊接以及 CTC 结合一体化压铸方 面，与传统圆柱相比，存在较为明显的差异化方案。
5.1. 干电池技术
干电极技术可同时用在正负极上。
5.1.1. 传统湿法工艺
需要将材料放置溶液中，再进行干燥和压成膜：使用有粘合剂材料的溶剂，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一种常见溶剂，将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后，将浆料涂在电极集电体上并干燥，其中溶剂有毒需回收，进行纯化和再利用，中间需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机器。因此特斯拉在对4680电池进行设计时，是通过使用干电极技术来解决这一问题的。
5.1.2. 干电池工艺
干电极工艺彻底跳过加入溶液步骤，可省略繁复的涂覆，烘干等工艺，大幅简化生产流程：将活跃的正负极颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纤维化，直接用粉末擀磨成薄膜压到铝箔或者铜箔上，制备出正负极片。
干电极技术相比起传统技术，在正极达到相同使用需求时，材料可以多添加一些，因为粉的密度高于液体，因此电极材料厚度也从55微米增加至60微米，这样可以增加电极的活跃度，并使能量密度提升约5%左右，进一步提升了电池循环寿命。当然，由于省了溶剂，它的制作成本也更低。特斯拉显然在很早之前就意识到谁拥有更可靠的电池技术，那么谁就掌握了未来新能源汽车的核心，所以特斯拉早在2019年就收购了全球领先的电池技术公司Maxwell，并将其开发的干电极技术用于新一代4680电池的制造中。
Tesla干电池工艺展示
5.1.3. 干电池优势
1）工艺简单，节省成本：不采用溶剂，省去了昂贵的涂覆机。
2）提升生产效率：干电极技术使生产速度提升至以前的七倍。产能密度地加 16 倍，与湿电极技术相比，成本降低 10%-20%;
3）增加电池能量密度：有溶剂的情况下，锂与混有锂金属的碳不能很好的彼此融合，有第一次循环容量损失问题，干电池技术会大大改善这种问题，从而提升电池能量密度。同时增加正极材料厚度，从55μm提升至60μm 提升活跃电极材料比，使能量密度提升5%同时，保证功率密度。大于 300Wh/kg，并存在 500Wh/kg 的实现路径:
4）延长电池寿命:改善电池耐久性，电池寿命翻倍
5）与行业趋势(无溶剂，无钻化，下一代材料，固态电池)的高匹配度&保护环境。
5.1.4. 干电池工艺难点
目前工艺不成熟，电池要做厚，圆柱要卷起来，容易开裂。
5.2 卷绕
由于有极耳，电池生产就需要不停地启动和停止，而 4680 为全板耳，卷绕工艺可以实现连续高速不同断生产，达到 300ppm 的高速制造，而方形铝壳一般仅为 10-20ppm。
5.3 装配
通过连续流水装配提高效率。特斯拉设计一条产线产能为 20GWh，每条线的产量增加七倍，特斯拉与 Grohmann 和Hibar 机器设计团队垂直整合，将装配环节集成到一台机器上。删减了中间不必要的运输步骤。
5.4 化成
通过提高化成效率，化成投资成本减少 86%，占地面积减少75%。化成指对电池充放电并检测电池的质量，典型化成对单节电池充放电，而特斯拉同时对上千节电池充放电，显著提升化成设备的成本效益和密度。
特斯拉电池拆解
电池包和座椅集成度非常高，车主几乎是坐在电池上开车。座椅和中央扶手等部件直接安装在电池底盘的上盖，座椅与电池包中间仅间隔几根横梁。
电池包通过38个固定螺栓与车身连接，拆掉这些固定螺栓，断开线束就能把电池包以及前排主副驾座椅、中央扶手箱等部分通过升降机完整地从车身脱离开来。
4680电池包整体采用了灌胶的方式，对电芯和零部件进行固定。这种粉红色胶水（聚氨酯）用量很大，不仅灌满了表面，而且将电芯的内部空间完全填满。胶水主要起两个作用，一是受力与保护，灌胶将所有的电芯及零部件融为一个整体，共同受力，并且胶水有弹性，可以吸收能量，进而保护电芯；二是固定电芯，由于4680电芯是圆柱形，电芯之间本身就有很多缝隙，电池包又省去了传统模组，电芯之间的缝隙更多，灌胶可以将这些缝隙填满，防止电芯的位置发生松动。
干冰来清除胶水
电池包最上部是一层柔性尼龙材料的盖板，呈蜂窝状结构，上面集成了电压采样和温度传感器的线束。
下面一层，是把电芯连接成串并联的汇流排。电芯和汇流排之间，不同于之前2170电池包中所采用的wire bonding焊接，4680电池选择了激光焊接，增强连接可靠性。9个电芯并联为一组，每组电芯的正极全部连起来，然后汇总到下一组电芯的负极。4680电池由于无极耳（全极耳）的设计，只有极柱是一个正极，极柱以下的表面壳体都是负极，因此，集流器被设计成了树杈形状。
整个4680结构电池包总共包括828颗电芯，被三块隔板分为四个区域，隔板材料为酚醛树脂或是高密度聚乙烯。根据此前特斯拉的介绍，4680电池包完全取消了传统模组，但实际看来，特斯拉只是取消了传统的物理隔板。这样设计的好处是能够减少热失控的几率。
在散热上，4680电池包采用了蛇形的冷却板，冷却板在两排电芯的中间缝隙穿过，贴附着两侧电芯的柱面，冷却板里面有供冷却液流过的小管道，类似于Model Splaid、ModeY的冷却回路方案。但在4680电池包里，但根据电芯更大的尺寸和重量，冷却管路更厚了一些。每排电芯之间都有聚苯乙烯材料制成的分隔片，起到了很好的绝缘作用。
电芯底部也不是直接固定在底盘上，而是被嵌在一个个黑色的ABS塑料底座上。特斯拉还在电芯底部和蜂巢底座之间加了一层云母板，起绝缘作用。底部只有排气管路。
如果发生了过充的问题，整个车身是向下排气的。在电池包的一侧，四个BMS电池管理系统的电路板，被聚丙烯塑料件密封保护起来。而在之前的特斯拉Model Y/S 上，BMS都位于电池包的底部。整个电池包电气部分被橘黄色的塑料板顶住，通信线通过顶部管道连接到BMS。
拆完了整个4680电池包后，那么问题来了，这样的电池包能维修吗？从灌胶的技术来看，特斯拉这种CTC电池包（Cell to Chassis，电池车身一体化技术）维修的可能性几乎为零。因为维修涉及到涂胶，重新灌胶，密封防水测试等复杂的工序，在成本上不划算。
电芯拆解
特斯拉4680应用展望
1）特斯拉在2020年率先发布，2022年12月的倒数第二周美国加州弗里蒙特工厂生产了86.8万颗大圆柱形锂离子电池电芯，能够支持1000辆Model Y车型使用。4680再扩产100GWh、23年有望看到产能放大。
1月25日，公司宣布投资36亿美元继续扩建内华达超级工厂，将增加100GWh的4680电芯工厂，适配150万辆轻型车（S3XY），同期扩产的Semi工厂也有望适配。
现规划4680产能：包括加藤路、德州工厂及内华达工厂（柏林工厂4680电芯产线预计受IRA影响迁回德州工厂），初步估计产能达到150GWh左右。
量产进度：22年12月公司宣布加藤路初始产线已实现年化约4.4GWh产能，我们预计23年将看到特斯拉4680产能从1到10。
2）亿纬锂能在大圆柱电池方面布局较为领先，2021年已生产出4680和4695成品，并获得下游车企认可。此次规划的20GWh乘用车用大圆柱电池产能预计在2023年开始量产。
3）松下计划2022年3月在日本开始试生产4680电池，4680电池产品开发的技术目标已基本实现，但大规模量产仍存在技术门槛。
4）LG、三星、宁德、比克、蜂巢等电池企业也在研发中，大圆柱电池的应用会进一步推动高镍材料的发展。
2022年6月，LG新能源宣布投资5800亿韩元（约45亿美元），在韩国忠清北道梧仓第二工厂扩建9 GWh的4680圆柱电池产能，项目预计在2023年下半年开始大规模生产。此外，LG新能源还宣布在美国亚利桑那州投资1.7万亿韩元建立全资动力电池工厂，规划建设年产11GWh圆柱电池项目，预计2024年下半年投产。
同样据insideevs.com报道，2022年6月松下向特斯拉发送了4680电池样品。松下旗下能源公司的CEO Kazuo Tadanob表示，松下预计将于2023年5月在日本实现4680电池的量产。2022年3月，松下旗下能源公司宣布在日本和歌山工厂建设新生产设施，用于生产4680电池，两条产线规划产能为10GWh。
总结
4680电池核心创新工艺为：大电芯+全极耳+干电池技术，增强了电池功率与安全性，提升了生产效率、快充性能，降低了电池成本，能量密度、循环性能有进一步的提升空间。
4680大圆柱型电池的量产之所以困难，很大原因是工艺方面的瓶颈，其采用的干式涂布，全极耳技术，在揉平、焊接、注液等方面均存在一定难度。
目前仅有美国本土的部分车型使用了4680电池，而从实际的表现来看，这些搭载新电池的车型，并没有因此而提高续航，反而出现了不同程度的下降。