Fake it till you make it。

很多時候做成事情的第一步便是「把牛吹出去」，2020 年特斯拉在電池日上亮相了劃時代的 4680 電池，而那時距離 4680 電池概念的提出僅僅才過去了 1 年，2019 年由松下和歐洲的一個化學實驗室基于全極耳的理論對圓柱電池進行優化和改進，最後覺得 4680 電池是個不錯的方案。

如果以松下的風格，至少得等到 2022 年才開始對外宣傳，到 2025 年後才可能開始大規模量産，畢竟實驗室裡做出來跟大規模量産完全不是一回事，但特斯拉就是敢「吹出去」，而且這次似乎又吹成了。

在剛結束不久的電動汽車百人會 2022 上，松下、比克電池、億緯锂能幾大電池巨頭都表示了對 46 系大圓柱電池的看好，同時在 1 月份特斯拉宣布在加州的工廠内已經試點生産了 100 萬個 4680 電池，距離 4680 電池的正式裝車已經近在咫尺了。

下面就重點聊聊特斯拉 4680 電池的核心技術創新以及未來對市場的影響。

認識 4680 電池

在介紹特斯拉 4680 電池的核心技術之前，先通過幾個問答簡單了解一下 4680 電池。

什麼是 4680 電池？

4680 電池即直徑 46 mm、高 80 mm 的圓柱電池，目前特斯拉使用的 18650 和 2170 電池也符合這一命名規則，其中 18650 電池最後一個「0」的含義是圓柱，隻不過 2170、4680 電池省略了。

為什麼是 4680 電池，而不是更大或更小的？

首先來看直徑「46 mm」這個指标，從安全性來看，雖然整車電池節數減少可以降低 BMS 的管理難度，但是大電芯的散熱是個難題，46 mm 是個平衡範圍内的點。從提升續航和降本的角度來看，特斯拉認為 46 mm 以後整車的續航開始下降，同時降本的邊際效益變得非常低，因此 46 mm 是最優解。另外從内部應力和角度來看，46 mm 也是一個比較臨界的點，在化學性能、生産工藝沒有本質上的突破前，46 mm 是一個黃金尺寸。

另一個參數高度「80 mm」，其實目前業界還沒有定論，主要因各家底盤設計而異，比如寶馬采用的是 4695 方案，還有的廠商規劃了 46105 的方案，即高度為 105 mm。但這個高度也不能太高，一方面是徑向散熱會成問題，另一方面這樣會明顯增加底盤厚度，從而影響設計美感和風阻。

為什麼特斯拉鐘情于圓柱電池？

簡單來說就是路徑依賴，特斯拉 2004 年成立，2008 年推出首款車型 Roadster，當時市面上還沒有非常成熟的動力電池方案可選，而松下的 18650 電池在民用領域已經非常成熟穩定，安全性和一緻性都達到了非常高的水準，特斯拉于是選擇了用幾千個單體電池組裝的方案，雖然對 BMS 的考驗比較大，但在當時确實也比其他動力電池方案更為靠譜。

随着動力電池的發展，18650 電池逐步升級為 2170 電池，特斯拉以及它的供應商松下、LG 化學等就越來越專精于圓柱電池，不過這次 4680 電池對圓柱電池來說也是一次擠爆牙膏的升級。

牙膏擠爆，特斯拉 4680 電池的核心技術創新點

從 18650 到 21700 的升級從數字就可以看出來頗有點擠牙膏的味道，有點像最近兩年的高通骁龍芯片，而 4680 電池相比 2170 電池，不僅是體積增加了 448%，更多的是與全極耳、高矽負極、與 CTC 結合等革命性的技術相結合，最終才有了續航增加 54%，成本下降 56%，單位産能設備投資額下降 69% 的擠爆牙膏式的提升（當然特斯拉的 PPT 向來有些水分，這應該 4680 電池叠代兩三次後達成的效果）。

全極耳：開得遠，還要充得快

傳統的電池有一個非常大的限制：能量密度和功率密度不能兼顧，舉個例子，本田雅閣混動的三元電池能量密度隻有 82 Wh/kg，而純電車型的三元锂電池能量密度一般在 150—180 Wh/kg，這是因為 HEV 锂電池核心參數是功率密度，畢竟電池小（雅閣混動的電池容量僅為 1.3 kWh）又要帶動大功率的電機，隻能犧牲一些質量能量密度。

而特斯拉 4680 電池通過采用全極耳（特斯拉宣傳是無極耳）的方案來讓二者兼顧，極耳簡單來說就是正負極充放電時的接觸點，傳統電池在正負極各有一個極耳，這樣就帶來一個問題，電流從正極流向負極時，如上圖左邊所示，要穿越很長的橫向路徑，這樣内阻自然上來了，不僅損耗電池的能量，而且發熱問題難以解決。

而根據特斯拉專利可以看到 4680 電池的結構中正負極上分布着均勻的極耳，這樣大大縮短了極耳間距，比如 2170 電池電子在集流體裡流過整個卷繞極片的展向長度，路徑約 900 mm，而 4680 的正負極薄膜是 2170 電池的 4—5 倍，如果依然采用單極耳，那麼電子的路徑會長達 3.8 米，内阻也會相應增加 4 倍，而全極耳的方案能讓這一路徑縮短為電池的高度，即 80 mm，根據特斯拉的介紹，4680 電池内阻發熱隻有 2170 電池的五分之一。再加上全極耳大大增加了電流通路，這樣電子更容易在電池内部移動。

因此全極耳的 4680 電池就具備了大功率放電和超充的天賦，根據 Insideevs 的研究報告，400 V 的 4680 電池系統充 70% 電量需要 15 分鐘，而采用 800 V 電池系統的保時捷 Taycan 和現代汽車的 IONIQ 分别需要 18 分鐘和 22 分鐘。未來如果 4680 電池采用 800 V 電壓系統，充電速度還會更快。

高鎳正極 高矽負極：單體能量密度達到 300 Wh/kg 的關鍵

目前特斯拉的 4680 電池正極采用的仍是 NCM 811 高鎳方案，這個大家已經比較熟悉了，未來 4680 正極還會向更高比例的鎳（如 NCM 9/0.5/0.5) 以及「無钴」和「四元」方面演化。

正極方面的變化不大，要實現更高的能量密度，負極也十分關鍵。目前絕大多數電池都是石墨負極，但石墨的理論比容量為 372 mAh/g，實際上已經達到了約 330—370 mAh/g，已經觸及天花闆。而矽的比容量能達到 4,200 mAh/g，是石墨的 10 倍以上，因此在負極摻入一定比例的矽一直是電池能量密度突破的方向。

實際上早在 2017 年搭載 2170 電池（來自松下）的 Model 3 上，特斯拉就已經引入了「摻矽」的技術，隻是比例還比較小（大約摻了 5—6% 的矽合金），對能量密度的提升還不太明顯。國内也有一些廠商已經采用「摻矽」的負極，比如 CLTC 續航能達到 1,000 km 的廣汽埃安 LX 144.4 度的大電池的負極就摻了一定比例的矽，另外智己汽車還有蔚來即将在第四季度量産的 150 kWh 的「固态」電池也用了這一技術。

雖然說「摻矽」能立竿見影地提升能量密度，但矽先天不如石墨穩定容易膨脹，一般碳基負極在嵌锂反應中體積的膨脹不超過 10%，而矽基則能膨脹 360%，從而引發 SEI 膜破損等副反應，導緻電池容量衰減。

相對來說 4680 電池的結構更适合「摻矽」，首先圓柱電池極片卷繞的特點可以盡量使極片各個位置膨脹力均勻， 減少破損和褶皺的出現，方型和軟包電池在 R 角處易出現應力集中而導緻的破損和褶皺，另外 4680 電池的不鏽鋼殼體機械強度大，可充分吸收負極的膨脹力。因此理論上 4680 電池負極中能摻入更多的矽，預計能達到 10% 以上，能量密度從而有顯著提升。

CTC 技術：天生好搭檔

從第一性原理出發，要提高電池包的能量密度，「中間件」肯定越少越好，打個比方想讓一個盒子裡裝最多的雞蛋，最好是把雞蛋托盤去掉，也就相當于把模組件去掉，更極端一些，盒子也不要了，也就是 CTC（Cell to Chassis）技術了，也有的叫 CTV（Cell to Vehicle）。

而 4680 電池天生就有這個潛質，首先 CTC 對電池的結構強度有一定的要求，電池本身要承擔不小的機械強度，相比于 18650 和 2170 電池，4680 單體電池更大結構強度更高，并且一般方殼電池是鋁殼的，而 4680 外殼是不鏽鋼的，天生結構強度就有保證 。另外采用 CTC 技術基本意味着告别維修和更換了，如果發生激烈的碰撞或電池的一緻性出現問題，那麼可能就隻能換車了，而圓柱電池的一緻性一直是優勢所在。最後相對比方殼電池，圓柱電池的布局會更靈活，能适應各種不同的底盤，再結合全極耳高能量密度高充放功率的優勢，未來在 HEV 和 PHEV 領域的潛力也非常大。

除了全極耳電池、高鎳 高矽以及 CTC 技術外，特斯拉 4680 電池還有其他一些技術的應用，比如在隔膜上塗抹 PVDF 防止矽負極膨脹，負極添加矽納米管提升導電性，另外特斯拉第二代 4680 電池還可能用上幹電極的工藝，總之這次特斯拉是要把牙膏擠爆了，就看對手們如何接招了。

4680 圓柱電池 VS CTP 方形電池，甯德時代危矣？

數據顯示 2019 以來，中國動力電池市場方形電池一直占據着 80% 左右的份額，甯德時代占據了其中的一半以上，4680 電池首先沖擊的自然也是甯德時代。

這裡先抛開國内主要圍繞奔馳等歐洲客戶展開的軟包電池，重點對比下 CTP 方形電池和 4680 圓柱電池的優劣勢以及發展趨勢。

首先從結構上方形電池的成組效率是明顯優于高于圓柱電池的，預計優秀的 CTP 方形電池能達到 80%—90%，4680 CTC 能達到 70% 以上，這點也不難理解，4680 電池雖然比之前大了不少，但跟大的方形電池比還是很小的，一輛 Model Y 上大約需要 960 顆 4680 電池，換成方殼可能隻需要 6 到 10 塊，數量越少，與化學物質無關的其他部件占比就越低。

不過由于方形電池單體電芯大，并且是面接觸，這樣就給方形電池的散熱和熱失控防護帶了很大的難度，因此方形電池三元電池正極并不太适合往超高鎳的方向發展，同時上面說到方形電池的負極不适合添加太多「矽」，因此方形電池的單體能量密度無法做得太高。

而圓柱電池因為單體電芯小，本身比較容易散熱，再加上全極耳的應用讓熱量集中在下面更容易針對性散熱，因此可以采用比較激進的高鎳方案，再配合高矽負極，單體能量密度能達到 300 Wh/kg，未來如果采用超 90% 比例鎳的正極，單體能量密度能達到 350—400 Wh/kg 。

這樣下來，雖然方形電池的集成效率高，但 4680 圓柱電池的單體能量密度高，綜合下來，二者的系統能量密度差不多。

而圓柱電池作為已經商業化超過 30 年的品種，工藝最為成熟，在生産效率、良品率、投資成本等方面都有一定優勢。比如良品率方面，松下的 2170 電池能達到 99% 以上，相比方形電池能達到 90% 就已經是非常優秀的水平了。

另外在生産效率方面，同樣采用卷繞工藝的話，圓柱電池同心圓卷繞的特性先天效率就高出不少，比如按照億緯锂能最新的産線，每分鐘可以生産 200 顆 2170 電池，而類似産線的方形電池 200 Ah 以内的一般一分鐘能生産 10—12 個、200 Ah 以上的大方形一分鐘産量不足 10 個。如果是一台搭載 80 度電的新車，圓柱電池的生産大約需要 20 分鐘，而方形電池則需要 30 分鐘。

如果 4680 電池大規模量産順利，預計 2024 年後每 kWh 的 4680 電池成本比三元方形電池便宜 50—100 元，一輛 100 度電池的電動汽車成本能低出 5,000—10,000 元。

因此從三元電池體系（包含無钴電池、四元電池）的角度來看，如果 4680 電池的良品率能快速提升，将憑借一定的成本優勢，同時超高的充放電功率，在中高端市場将逐步對方形三元锂電池形成替代效應。

而在中低端市場仍以磷酸鐵锂電池為主，而磷酸鐵锂先天就比較穩定不容易熱失控，因此就更适合集成效率高但不容易散熱的方形電池。因此未來的局面很可能是一些高端車型開始逐步使用 4680 三元電池，中低端則以 CTP 方形磷酸鐵锂電池為主。

那麼甯德時代就要面對 4680 電池和比亞迪刀片電池兩面的夾擊了，比亞迪本身就是以電池起家的，再加上多年來一直專攻磷酸鐵锂電池，随着弗迪電池的産能開始大幅擴張，這裡可以參考文章《收下蔚來、小米，弗迪的進攻才剛開始》，勢必要吃掉一部分甯德時代的份額。

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