一. 4680电池概述

1．什么是4680电池？

4680电池是特斯拉推出的直径46mm、高度80mm的新一代圆柱形电池。对于电池，当能量密度增加时，功率密度将降低。对于高能量密度和高功率密度的圆柱形电池，直径46mm是最佳选择。

2．4680电池核心创新

大电池+无极耳+干电池技术

4680电池结构

3．4680电池性能突破

4680电池大大提高了电池功率（是2170电池的6倍），降低了电池成本（是2170电池的14%），优化了散热性能、生产效率和充电速度，能量密度和循环性能还有进一步提高的空间。

二．4680电池结构改进

4680电池通过改变极耳结构，大大提高了电池功耗，优化了散热性能、生产效率和充电速度。

1. 无极耳结构

什么是极耳？

从电池元件引出正负极的金属导体叫极耳。它是蓄电池充放电时的触点。

电池工作时，电子从正极耳流向负极耳，流动路径与电池内阻成正比，流动宽度与电池内阻成反比。电池的内部功率损失与内阻的平方成正比。因此，极耳接触面积越大，极耳间距越短，电池输出功率越高。

传统的电池只有两个极耳，分别连接正极和负极。4680电池无传统极耳（直接从正极/负极切割电极）。这将大大增加电流路径并缩短选项卡间距，从而大大增加电池功率。

2. 无极耳电池的优点

a). 输出功率增加：电池电流路径变宽，内阻大大

减小，内耗相应减小，从而电池功率大大增加

（是2170电池的6倍）。

b). 改进的安全性：与片式电池不同，圆柱形电池

主要是轴向散热，散热片散热。传统的圆柱形

电池如2170电池只有两个极耳，且传热通道狭

窄，散热效果不好。4680电池片面积大幅度增

加，传热通道宽，散热效果大大提高（仅为传

统圆柱形电池的20%）。这增强了电池的热稳

定性。

c). 大幅度提高快速充电性能：由于表结构，电子

更容易在电池内移动。这样可以提高电流率，

从而加快充放电速度。

d). 提高生产效率：省去了在生产线上添加极耳的

过程和时间，节省了设备空间，减少了制造缺

陷的可能性。

3．无极耳制造困难

A． 无极耳制造中收集极耳片的挑战

在一般意义上，这是一个折叠极耳片一起的过程。目前有三种类型：揉捏片、剪切片、多片：

捏合极耳片的极耳片形状不受控制，容易短路。制造过程中两段封闭，严重阻碍电解液的渗透；

切割极耳片（特斯拉）被切割成小块并卷起，这比不规则挤压更好，占用更少的空间。但表面起伏较大，制造过程中两段仍处于闭合状态，无法连续生产；

多个极耳片难以整齐折叠，极耳片位置误差在外圈容易放大。

B、 无极耳与集热板或壳体之间的连接需要高激光焊接技术。

从点焊（传统的两个耳片）到表面焊（4680电池的无极耳），焊接工艺和焊接量都有所增加。激光强度和焦距不易控制。这使得它很容易焊接或燃烧到电池单元中，导致当前电池产量低（80%）。

4．无极耳的机会

从以前的脉冲激光点焊2170电池到现在的4680电池或激光点阵，激光焊接工艺得到了改进。这可能会从原来的脉冲激光器变为连续激光器，并且总体成本会增加。

三．大型电池单元

1．业绩

与之前的2170电池相比，4680电池在直径和高度上均有改进。直径从21mm变为46mm，高度从70mm变为80mm。电池芯厚度增加，曲率减小，空心部分变大。

2．尺寸较大的优点

a). 降低电池成本：降低外壳在单位电池容量中的

比例，结构件和焊接件数量也显著减少（成本

比2170电池低14%）。

b). 提高容量密度：随着电池尺寸的增大，电池组

中的电池个数减少，金属外壳比例减少，正负

极等材料比例增加，能量密度增加。

c). BMS更无忧：电池组中的电池数量减少，

使电池监控和状态分析更简单。

d). 结构强度提高，与CTC技术完美结合：4680

尺寸更大，结构强度更高。作为结构蓄电池，

它成为车辆结构的一部分。这不仅提供能量，

而且作为结构支撑，节省空间和减轻重量

（10%），从而增加行程（14%）。

3. 尺寸较大的缺点

发热量增加：电池尺寸越大，产生的热量越多，散热越困难。

因此，热控制难度更大，电池爆炸功率更大。这也是先前电池制造商想要增加电池尺寸的最大瓶颈。特斯拉通过无极耳技术在热稳定性方面取得了突破。

4. 实际业绩

随着电池尺寸的增大，电池组中的电池个数减少，金属外壳的比例减少，正负极和其他材料的比例增加，能量密度增加。与2170电池相比，4680电池的能量增加了5倍。目前巡航航程的增加（16%）主要来自CTC技术（14%）。随着材料体系的不断升级，电池能量密度还有进一步提高的空间。

四．干电池技术

1．传统湿法

该工艺要求将材料置于溶液中，干燥并压成薄膜。

用带有粘合材料的溶剂，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是常用溶剂之一。将溶剂与粘合剂和负极或正极粉末混合后，将浆料施加到电极集流体上并干燥。溶剂有毒，需要回收、纯化和重复使用。中间需要大型、昂贵、复杂的电极涂装机。

2. 干电池技术

本发明完全跳过了加液步骤，省去了复杂的涂布、干燥等工序，大大简化了生产工艺。

将活性正负极粒子与聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纤维化。将粉末直接卷成薄膜，压在铝箔或铜箔上，制成正负极片。

3. 干电池的优点

a). 工艺简单，节省成本：不使用溶剂，无需昂贵

的涂布机。

b). 提高生产效率：干电极技术使生产速度提高到

原来的七倍。

c). 增加电池能量密度：在溶剂存在下，锂和碳与

锂金属混合后不能很好地混合，造成第一循环

容量损失的问题。干电池技术将大大改善这一

问题，从而提高电池的能量密度。同时，将正

极材料厚度从55μm增加到60μm，提高了活性

电极材料比。在保证功率密度的同时，能量密

度提高了5%。

4. 干电池工艺挑战

目前技术不成熟，电池需要加厚，极片需要卷起，容易开裂。

五．硅负极

1. 优势

较高的理论能量密度：石墨负极理论最大电池容量为372Wh/kg，硅负极理论最大电池容量可达4200Wh/kg。

b). 更好的安全性：硅比石墨具有更高的电压平台。现在负极石墨会产生锂树枝晶。这是因为它们的电压平台接近锂的沉淀电位，并且树枝晶穿透隔膜。正极和负极会短路，严重威胁蓄电池安全。

c). 成本低：硅材料应用广泛，储量丰富，生产成本低，环保。采用硅负极材料的锂离子电池的质量能量密度可提高8%以上，体积能量密度可提高10%以上。同时，每千瓦时电池的成本至少可降低3%。

2. 缺点

a). 循环性能差：嵌锂后体积膨胀，石墨嵌锂后体积膨胀不明显。然而，硅在锂离子插入后膨胀超过四倍。经过几次膨胀和收缩，电池报废。

b). 导电性差：硅的导电性低，限制了其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能。体积变化使活性材料与导电剂粘结剂接触不良，导电性降低。硅表面的SEI膜厚且不均匀，影响电池的电导率和整体比能。

3. 4680电池创新设计

特斯拉重新设计原材料，采用高弹性材料，通过添加弹性离子聚合物涂层，可稳定硅表面结构，降低成本5%。

4. 硅碳阳极是硅阳极的发展方向

a). 电池公司积极采用碳化硅阳极：

硅碳阳极目前主要用于圆柱形电池。CATL、力神电池、国轩高科技、Pride等中国电池厂商对动力电池厂商的大容量电池解决方案有明确的发展方向。

b). 加快碳化硅负极材料的研发与生产

全球碳化硅产业化比较先进，中国厂商正在积极追赶。目前，我国负极制造商已扩大了对碳化硅负极的投资。比亚迪、鄯善、国轩高科技、正拓能源等可实现量产。其中，比亚迪硅碳负极供应松下动力电池，进入特斯拉产业链。CATL、比亚迪、国轩高新、BAK、天津力神等电池企业正在积极部署碳化硅。

硅碳电池是高能量密度发展的必然趋势。随着技术瓶颈的克服和终端用户接受度的提高，碳化硅将降低成本，实现大规模生产。

六．正极

不同的电池使用不同的电极：

• 铁锂版本的4680将用于低量程型号和储能电池，侧重于更多的周期；
• 镍锰锂4680电池用于中档车型和家用电池；
• 高镍4680电池用于赛博卡车和半挂车；

特斯拉的正极材料专注于高镍钴自由方向。然而，在主流路线之外没有提出创新：使用NCA单晶路线，通过增加电压来增加能量密度，并且材料的热稳定性可与磷酸铁锂相媲美。

1. NCA

三元正极材料路线一般分为两种：

1） 特斯拉采用NCA（镍钴铝）；

2） NCM（镍钴锰），例如CATL使用的NCM523、NCM622和NCM811。干电极技术可用于正极和负极

正极材料中元素的作用是：

• 镍：增加电池能量密度，降低电池成本。这是提高电池寿命的关键。
• 钴：作为一种正极支撑结构，强度高，但价格昂贵，污染环境。
• 锰和铝：提高材料的导热性，这是热稳定性和安全性的关键。
• 铁：镍的替代材料，能量密度低，但价格便宜，充放电时间长。

与NCM相比，NCA具有更高的能量密度和更高的工艺要求，但安全性较差。特斯拉增加镍含量并降低钴含量，从而增加能量密度并降低成本。

2．单晶化

与增加镍元素以增加能量密度不同，单晶化通过增加正极材料的电压来增加能量密度。与传统的多晶材料相比，单晶材料更适用于高压，无晶界，可以提高三元电池的热稳定性和循环性能。

以5系列为代表的高压单晶材料镍55电池仅使用与NCM523相同的镍含量即可达到NCM811的能量密度。与NCM811相比，具有更优异的材料热稳定性和更低的成本。

3．4680电池正极趋势

4680电池实际上有三种不同的正极材料：铁锂、镍锰铝和高镍。

1） 4680电池目前主要向高镍方向发展

4680高镍版本是特斯拉目前的主要方向，将用于赛博​卡车和半挂车，未来电池寿命高。同时，还可以使用Model 3和Model Y的远程和高性能版本。

2） 4680电池的镍锰版本将遵循高镍版本

4680高镍版技术成熟后，开发4680镍锰版。它将用于诸如中档Y型和家用电池等产品。

3） 4680电池未来也可能使用铁锂正极

4680电池也可以使用铁锂正极。特斯拉电池新闻发布会并没有提到它的循环性能。由于硅基阳极的体积膨胀减少了充放电次数，在镍锰版4680电池技术成熟后，铁锂版4680电池有可能推出并用于低价车型和储能电池，重点关注高循环性能。

电池型号由高镍型逐步发展到镍锰型，最后发展到铁锂型的4680电池，带动了相关材料的需求。

七．结论：

4680电池的核心创新工艺是：大电池+无极耳+干电池技术。这增强了电池的功率和安全性，提高了生产效率和快速充电性能，降低了电池成本，在能量密度和循环性能方面还有进一步提高的空间。

本质上，毕竟，4680电池是一个大尺寸的容器。由于可以填充三元锂，因此可以自然填充磷酸铁锂，甚至进一步降低成本。从目前各大电池厂商的发展趋势也可以看出，产业链上很多方都在积极开发4680电池。

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

Technology》 2024.11.19

杨超凡 2025.6.22