一. 4680電池概述

1．什么是4680電池？

4680電池是特斯拉推出的直徑46mm、高度80mm的新一代圓柱形電池。對于電池，當能量密度增加時，功率密度將降低。對于高能量密度和高功率密度的圓柱形電池，直徑46mm是最佳選擇。

2．4680電池核心創新

大電池+無極耳+干電池技術

4680電池結構

3．4680電池性能突破

4680電池大大提高了電池功率（是2170電池的6倍），降低了電池成本（是2170電池的14%），優化了散熱性能、生產效率和充電速度，能量密度和循環性能還有進一步提高的空間。

二．4680電池結構改進

4680電池通過改變極耳結構，大大提高了電池功耗，優化了散熱性能、生產效率和充電速度。

1. 無極耳結構

什么是極耳？

從電池元件引出正負極的金屬導體叫極耳。它是蓄電池充放電時的觸點。

電池工作時，電子從正極耳流向負極耳，流動路徑與電池內阻成正比，流動寬度與電池內阻成反比。電池的內部功率損失與內阻的平方成正比。因此，極耳接觸面積越大，極耳間距越短，電池輸出功率越高。

傳統的電池只有兩個極耳，分別連接正極和負極。4680電池無傳統極耳（直接從正極/負極切割電極）。這將大大增加電流路徑并縮短選項卡間距，從而大大增加電池功率。

2. 無極耳電池的優點

a). 輸出功率增加：電池電流路徑變寬，內阻大大

減小，內耗相應減小，從而電池功率大大增加

（是2170電池的6倍）。

b). 改進的安全性：與片式電池不同，圓柱形電池

主要是軸向散熱，散熱片散熱。傳統的圓柱形

電池如2170電池只有兩個極耳，且傳熱通道狹

窄，散熱效果不好。4680電池片面積大幅度增

加，傳熱通道寬，散熱效果大大提高（僅為傳

統圓柱形電池的20%）。這增強了電池的熱穩

定性。

c). 大幅度提高快速充電性能：由于表結構，電子

更容易在電池內移動。這樣可以提高電流率，

從而加快充放電速度。

d). 提高生產效率：省去了在生產線上添加極耳的

過程和時間，節省了設備空間，減少了制造缺

陷的可能性。

3．無極耳制造困難

A． 無極耳制造中收集極耳片的挑戰

在一般意義上，這是一個折疊極耳片一起的過程。目前有三種類型：揉捏片、剪切片、多片：

捏合極耳片的極耳片形狀不受控制，容易短路。制造過程中兩段封閉，嚴重阻礙電解液的滲透；

切割極耳片（特斯拉）被切割成小塊并卷起，這比不規則擠壓更好，占用更少的空間。但表面起伏較大，制造過程中兩段仍處于閉合狀態，無法連續生產；

多個極耳片難以整齊折疊，極耳片位置誤差在外圈容易放大。

B、 無極耳與集熱板或殼體之間的連接需要高激光焊接技術。

從點焊（傳統的兩個耳片）到表面焊（4680電池的無極耳），焊接工藝和焊接量都有所增加。激光強度和焦距不易控制。這使得它很容易焊接或燃燒到電池單元中，導致當前電池產量低（80%）。

4．無極耳的機會

從以前的脈沖激光點焊2170電池到現在的4680電池或激光點陣，激光焊接工藝得到了改進。這可能會從原來的脈沖激光器變為連續激光器，并且總體成本會增加。

三．大型電池單元

1．業績

與之前的2170電池相比，4680電池在直徑和高度上均有改進。直徑從21mm變為46mm，高度從70mm變為80mm。電池芯厚度增加，曲率減小，空心部分變大。

2．尺寸較大的優點

a). 降低電池成本：降低外殼在單位電池容量中的

比例，結構件和焊接件數量也顯著減少（成本

比2170電池低14%）。

b). 提高容量密度：隨著電池尺寸的增大，電池組

中的電池個數減少，金屬外殼比例減少，正負

極等材料比例增加，能量密度增加。

c). BMS更無憂：電池組中的電池數量減少，

使電池監控和狀態分析更簡單。

d). 結構強度提高，與CTC技術完美結合：4680

尺寸更大，結構強度更高。作為結構蓄電池，

它成為車輛結構的一部分。這不僅提供能量，

而且作為結構支撐，節省空間和減輕重量

（10%），從而增加行程（14%）。

3. 尺寸較大的缺點

發熱量增加：電池尺寸越大，產生的熱量越多，散熱越困難。

因此，熱控制難度更大，電池爆炸功率更大。這也是先前電池制造商想要增加電池尺寸的最大瓶頸。特斯拉通過無極耳技術在熱穩定性方面取得了突破。

4. 實際業績

隨著電池尺寸的增大，電池組中的電池個數減少，金屬外殼的比例減少，正負極和其他材料的比例增加，能量密度增加。與2170電池相比，4680電池的能量增加了5倍。目前巡航航程的增加（16%）主要來自CTC技術（14%）。隨著材料體系的不斷升級，電池能量密度還有進一步提高的空間。

四．干電池技術

1．傳統濕法

該工藝要求將材料置于溶液中，干燥并壓成薄膜。

用帶有粘合材料的溶劑，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是常用溶劑之一。將溶劑與粘合劑和負極或正極粉末混合后，將漿料施加到電極集流體上并干燥。溶劑有毒，需要回收、純化和重復使用。中間需要大型、昂貴、復雜的電極涂裝機。

2. 干電池技術

本發明完全跳過了加液步驟，省去了復雜的涂布、干燥等工序，大大簡化了生產工藝。

將活性正負極粒子與聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纖維化。將粉末直接卷成薄膜，壓在鋁箔或銅箔上，制成正負極片。

3. 干電池的優點

a). 工藝簡單，節省成本：不使用溶劑，無需昂貴

的涂布機。

b). 提高生產效率：干電極技術使生產速度提高到

原來的七倍。

c). 增加電池能量密度：在溶劑存在下，鋰和碳與

鋰金屬混合后不能很好地混合，造成第一循環

容量損失的問題。干電池技術將大大改善這一

問題，從而提高電池的能量密度。同時，將正

極材料厚度從55μm增加到60μm，提高了活性

電極材料比。在保證功率密度的同時，能量密

度提高了5%。

4. 干電池工藝挑戰

目前技術不成熟，電池需要加厚，極片需要卷起，容易開裂。

五．硅負極

1. 優勢

較高的理論能量密度：石墨負極理論最大電池容量為372Wh/kg，硅負極理論最大電池容量可達4200Wh/kg。

b). 更好的安全性：硅比石墨具有更高的電壓平臺?，F在負極石墨會產生鋰樹枝晶。這是因為它們的電壓平臺接近鋰的沉淀電位，并且樹枝晶穿透隔膜。正極和負極會短路，嚴重威脅蓄電池安全。

c). 成本低：硅材料應用廣泛，儲量豐富，生產成本低，環保。采用硅負極材料的鋰離子電池的質量能量密度可提高8%以上，體積能量密度可提高10%以上。同時，每千瓦時電池的成本至少可降低3%。

2. 缺點

a). 循環性能差：嵌鋰后體積膨脹，石墨嵌鋰后體積膨脹不明顯。然而，硅在鋰離子插入后膨脹超過四倍。經過幾次膨脹和收縮，電池報廢。

b). 導電性差：硅的導電性低，限制了其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能。體積變化使活性材料與導電劑粘結劑接觸不良，導電性降低。硅表面的SEI膜厚且不均勻，影響電池的電導率和整體比能。

3. 4680電池創新設計

特斯拉重新設計原材料，采用高彈性材料，通過添加彈性離子聚合物涂層，可穩定硅表面結構，降低成本5%。

4. 硅碳陽極是硅陽極的發展方向

a). 電池公司積極采用碳化硅陽極：

硅碳陽極目前主要用于圓柱形電池。CATL、力神電池、國軒高科技、Pride等中國電池廠商對動力電池廠商的大容量電池解決方案有明確的發展方向。

b). 加快碳化硅負極材料的研發與生產

全球碳化硅產業化比較先進，中國廠商正在積極追趕。目前，我國負極制造商已擴大了對碳化硅負極的投資。比亞迪、鄯善、國軒高科技、正拓能源等可實現量產。其中，比亞迪硅碳負極供應松下動力電池，進入特斯拉產業鏈。CATL、比亞迪、國軒高新、BAK、天津力神等電池企業正在積極部署碳化硅。

硅碳電池是高能量密度發展的必然趨勢。隨著技術瓶頸的克服和終端用戶接受度的提高，碳化硅將降低成本，實現大規模生產。

六．正極

不同的電池使用不同的電極：

• 鐵鋰版本的4680將用于低量程型號和儲能電池，側重于更多的周期；
• 鎳錳鋰4680電池用于中檔車型和家用電池；
• 高鎳4680電池用于賽博卡車和半掛車；

特斯拉的正極材料專注于高鎳鈷自由方向。然而，在主流路線之外沒有提出創新：使用NCA單晶路線，通過增加電壓來增加能量密度，并且材料的熱穩定性可與磷酸鐵鋰相媲美。

1. NCA

三元正極材料路線一般分為兩種：

1） 特斯拉采用NCA（鎳鈷鋁）；

2） NCM（鎳鈷錳），例如CATL使用的NCM523、NCM622和NCM811。干電極技術可用于正極和負極

正極材料中元素的作用是：

• 鎳：增加電池能量密度，降低電池成本。這是提高電池壽命的關鍵。
• 鈷：作為一種正極支撐結構，強度高，但價格昂貴，污染環境。
• 錳和鋁：提高材料的導熱性，這是熱穩定性和安全性的關鍵。
• 鐵：鎳的替代材料，能量密度低，但價格便宜，充放電時間長。

與NCM相比，NCA具有更高的能量密度和更高的工藝要求，但安全性較差。特斯拉增加鎳含量并降低鈷含量，從而增加能量密度并降低成本。

2．單晶化

與增加鎳元素以增加能量密度不同，單晶化通過增加正極材料的電壓來增加能量密度。與傳統的多晶材料相比，單晶材料更適用于高壓，無晶界，可以提高三元電池的熱穩定性和循環性能。

以5系列為代表的高壓單晶材料鎳55電池僅使用與NCM523相同的鎳含量即可達到NCM811的能量密度。與NCM811相比，具有更優異的材料熱穩定性和更低的成本。

3．4680電池正極趨勢

4680電池實際上有三種不同的正極材料：鐵鋰、鎳錳鋁和高鎳。

1） 4680電池目前主要向高鎳方向發展

4680高鎳版本是特斯拉目前的主要方向，將用于賽博?卡車和半掛車，未來電池壽命高。同時，還可以使用Model 3和Model Y的遠程和高性能版本。

2） 4680電池的鎳錳版本將遵循高鎳版本

4680高鎳版技術成熟后，開發4680鎳錳版。它將用于諸如中檔Y型和家用電池等產品。

3） 4680電池未來也可能使用鐵鋰正極

4680電池也可以使用鐵鋰正極。特斯拉電池新聞發布會并沒有提到它的循環性能。由于硅基陽極的體積膨脹減少了充放電次數，在鎳錳版4680電池技術成熟后，鐵鋰版4680電池有可能推出并用于低價車型和儲能電池，重點關注高循環性能。

電池型號由高鎳型逐步發展到鎳錳型，最后發展到鐵鋰型的4680電池，帶動了相關材料的需求。

七．結論：

4680電池的核心創新工藝是：大電池+無極耳+干電池技術。這增強了電池的功率和安全性，提高了生產效率和快速充電性能，降低了電池成本，在能量密度和循環性能方面還有進一步提高的空間。

本質上，畢竟，4680電池是一個大尺寸的容器。由于可以填充三元鋰，因此可以自然填充磷酸鐵鋰，甚至進一步降低成本。從目前各大電池廠商的發展趨勢也可以看出，產業鏈上很多方都在積極開發4680電池。

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原文，《(4680 Battery Guide) Lage Cell+ Tabless + Dry Battery

Technology》 2024.11.19

楊超凡 2025.6.22