【时代伯乐·技术】4680大圆柱电池技术全面解析及产业化现状

“ 4680大圆柱电池，什么是直径46mm？”

01 锂电池三种封装形式各有优劣势

目前，锂电池封装形式技术路线主要包括圆柱、方形、软包三种形式。

• 方形：通常采用卷绕或者叠片工艺进行裸电芯的制作，以方形的铝壳或者钢壳作为封装材料。方形电池有成组效率高、单体容量大、结构简单的优点，但其一致性较低、散热难度大。

• 软包：软包动力电池采用铝塑膜作为外壳，通常采用叠片工艺进行裸电芯的制作。软包电池有单体能量密度高、电化学性能良好、安全性高、设计灵活等优点，但其产品一致性要求更高、成组效率相对较低、成本相对较高。

• 圆柱：圆柱电池通常采用圆柱形的钢壳进行封装，裸电芯制作采用卷绕工艺。圆柱电池具有一致性好、生产效率高、系统层面散热能力强，尺寸升级后可一定程度上改善其原本的单体能量密度低、模组所需电芯多及其导致的寿命差、管理复杂等问题。但总的来说，其能量密度较低、产品的成组效率较低仍然是较为明显的劣势

表1 锂电池三种封装形式特点对比

02 为什么选择4680大圆柱

圆柱电池向大直径发展，能量密度得到提升：特斯拉21700电池较 18650 电池实现了单体能量50%的提升；4680电池较21700电池能量提升了5倍，功率提升了6倍，续航对应提升16%。随着电池尺寸的增大，电池不贡献能量密度的结构件等重量或体积占比会减小，从而电池的能量密度可以得到提升。此外，单体电池尺寸和容量提升后，整体电池包的空间利用率和成组效率得到相应提升，从而带来电池包的能量密度提升以及成本的下降（4680 电池相比于21700 电池单KWh 成本降低 14%）。

46mm 外径是兼顾续航和经济性的设计方案：在动力领域，圆柱电池尺寸增大虽然能够提升能量密度、减少整车使用的电芯节数，降低电池管理系统的管理难度，然而也会带来性能和其他方面的问题。随着外径的增大，电池不贡献容量的部件占比会减少，生产效率会得到提升，因此成本会随之降低。

当外径增加到46mm后，整车的续航开始下降，同时降本的边际效益也逐步趋缓，因此综合考虑电池的整体性能和经济性两方面，46mm外径是当前技术水平下的最优解。大圆柱电池的高度尺寸则主要是与整车厂的底盘和电池包设计有关，目前主流的高度尺寸为80/95mm。其中，80mm高度设计以特斯拉为代表，而95mm高度设计以宝马为代表。

“ 4680大圆柱带来全新电池概念，在采用无极耳、硅碳负极等新材料与新技术下，其电芯能量提升 5 倍，输出功率提升 6 倍”  

03  4680引入全新电池概念

据高工锂电，2023年国内动力电池中方形、圆柱、软包出货量分别为 133.6、4.9、 4.2GWh，占比分别为 93.6%、3.4%、2.9%。

• 方形电池：成组效率突出、高膨胀化学体系（如硅碳负极、天然石墨）方面不如圆柱；

• 软包电池：在安全性、循环寿命及充放电倍率等方面好、一致性不佳，容易发生漏液。

• 圆柱电池：工艺成熟、PACK 成本低，电池良率及电池组一致性高，且电池组散热面积大。

图1 传统方形、圆柱型、软包电池性能比较

特斯拉在超级电池日上发布第三代 4680 电芯。46mm 是在遍历所有关键指标，发现成本最小的电池外径。4680 在采用无极耳、硅碳负极等新材料与新技术下，能量提升 5 倍，输出功率提升 6 倍；同时可以让电动车续航提升 54%，每千瓦时电池价格下降 56%，生产成本降低 69%。

图2 46mm是性能和成本权衡下的最优选择

4680 的出现重新定义圆柱电池，将带动正极材料、负极材料、封装技术以及结构件等领域的全面突破，带动全产业链技术革新。

04  4680无极耳技术

极耳的作用是将电子从正负极的极片中引导出来，即电池正负极在充放电时的接触点。极耳分为三种材料：电池的正极使用铝（Al）材料、负极使用镍（Ni）材料和铜镀镍（Ni-Cu）材料。

图3 极耳的作用是将电芯从正负极引导出来

电子在电池内部运动过程中，需横穿整个电芯，到达极耳，因此随电池尺寸增加，路径变长，电阻增大。在大电流充电条件下，极片会产生大量热量。特斯拉经过测算，随电池尺寸增加，传统极耳电池的快充时间将明显增长。

图4 电子需要穿过电池，流向极耳

特斯拉 4680 推出无极耳技术（全极耳技术）。通过在电极端镀上导电材料，使正负极集流体可以直接与盖板、壳体连接，实现电流在电极集流体、盖板、壳体之间传导，大大减少了电子的传输路径。

图5 新型无极耳技术，减少电极组件

无极耳优势 1：减小电阻。根据公式：𝑅 = 𝜌*(L/A)，电路的电阻与材料的长度成正比，与横截面积呈反比。因此，无极耳技术下的电池内阻横截面积增大，电流传导面积增大，电流传导距离缩短，可降低内阻近 10 倍。

注：传统 18650 电池卷绕长度是 800mm，极耳从集流体上把电导出来长度为 800mm，相当于电流传导距离为 800mm，电阻约 20mΩ；4680 全极耳电池把整个集流体作为极耳，电流从沿极耳到集流盘的横向传输变为集流体纵向传输，整个导电距离由 800～1000mm 变成了 80mm（约电池高度），电阻降至 2mΩ，电阻减小了近 10 倍。

图6 全极耳技术减少传导距离

无极耳优势 2：解决散热问题。根据公式𝑃 =( 𝐼^2)*𝑅，欧姆热可显著减小。根据实验数据，当电池在 1C 强度下放电 60 秒，单极耳电池的放热量接近 6000J，全极耳电池总放热量约 4200J，放热量减少了 30%。

无极耳优势 3:降低电池成本。在去除极耳后，电池柱体的绕制和涂料流程都得到了简化。生产工序简化，每 KWh 成本降低 14%。

05  4680干电极技术

湿法工艺包括混料、涂布、烘干、NMP 回收、辊压的流程。

干法工艺通过将正负极颗粒与聚四氟乙烯混合，使其纤维化，直接将粉末薄膜压制在铝箔或铜箔上，制备电极片，省去了繁琐的涂布、烘干、回收流程。

图7 湿法工艺与干法工艺流程

干法工艺的优势主要包括：

• 增效降本：干法电极制备流程简化，生产速度提升至原本的 7 倍。也避免了涂布、回收过程所需的复杂设备成本。

• 能量密度提升：干电极具备更高的压实密度，且负极材料融合好，便于负极补锂。目前，干电极能量密度超过 300Wh/kg，提升了 5%，远期有望达 500Wh/kg。 

• 适配高镍、掺硅电池体系：动力电池逐渐向高镍掺硅发展，干电极可以减少湿度对高镍正极的影响，对硅基负极的膨胀也有更强承受力。

• 延长使用寿命：由于避免了粘结剂的使用，电池使用寿命明显延长。

06 大圆柱大势所趋，46800全方位领先 21700

（1）4680 大容量，高能量密度 

• 重量/体积：21700 圆柱重量68.64g、体积 24.25cc；4680 大圆柱重量352.44g，体积 132.95cc。

• 电池能量：21700 圆柱电池能量约 18.12 Wh，4680 圆柱电池能量约为 100Wh。 

• 能量密度：21700 重量能量密度与体积能量密度 263.93 Wh/kg 和 747.05 Wh/L，4680 大圆柱能量重量密度与能量体积密度分别为 282.36 Wh/kg 和 752.15 Wh/L。

图8 2170 与 4680 性能对比（单电芯）

（2）4680 大圆柱可有效降低BMS管理难度 

圆柱电池的使用瓶颈主要为精确的BMS系统。以 ModelY 高续航为例，一辆 ModelY 需要 21700 圆柱电池约 4416 颗，4680 大圆柱电池的单电芯带电量约为 100 Wh，同样的一辆 ModelY 需要的大圆柱电芯数量为800 颗，4680 大圆柱电池大幅减少电池数量，降低 BMS 管理难度。

（3）4680 显著降低整车成本 

特斯拉 4680 电池从多个方面降低单 KWh 电池成本：电芯设计、电芯生产、正负极材料、整车制造等。按照特斯拉的目标，汽车层面将实现 54%续航里程的提升，电池单 KWh 成本减少 56%，投资成本层面，每 GWh 可以实现减少投资69%。

07 其他企业先后跟进布局大圆柱

宝马宣布将从 2025 年起率先在“新世代”车型中使用圆柱电芯，且向宁德时代和亿纬锂能（维权）授予了价值超过百亿欧元的电芯生产需求合同。远景动力将从 2026 年起为宝马新一代车型提供圆柱电池。

蔚来计划在合肥建设第一座电池工厂，生产类似于特斯拉的大圆柱电池，规划产能 40GWh，可用于 40 万辆电动车。

松下2022 年在美国堪萨斯州 30GWh 动力电池工厂正式动工，23 年开始导入生产设备，2024 年 4-9 月量产，预计 2031年前在美国新建两家或以上工厂提高 4680 电池产能。

LG 新能源于 2022 年 6 月宣布在韩国忠州工厂新设 4680 电池生产线，为特斯拉供货，产能预计达 9GWh，正式投产时间为 2023 年下半年。

三星 SDI 已在韩国天安建立了一条 4680 电池测试产线，若测试顺利，计划明年在马来西亚建设 4680 电池量产线，规划产能 8-12GWh，为特斯拉供货。

特斯拉截至2023 年6月底，公司 4680 电池累计产量超1000万颗，总产量约 1GWh；到 2023 年10月累计完成产量超 2,000万颗，总产量达到2GWh。

亿纬锂能规划 61GWh+的大圆柱产能。22 年 3 月，其宣布将在匈牙利建圆柱电池工厂，为宝马供应圆柱电池；8 月，首件搭载 46 系列大圆柱电池的系统产品成功下线。预计 23 年形成 20GWh，客户包括宝马和大运。截至 23 年 11 月，公司已取得未来 5 年合计 486GWh 的 46 系列大圆柱订单。

宁德时代与宝马签订 2025 年供货长协，在欧洲和中国建造 2 座年产能 20GWh工厂:已规划 8条产线，设计产能12GWh，预计2024年投产。

比克电池于 23 年 1 月 28 日宣布与江苏省常州市签订战略合作协议，将斥资 130 亿元在常州建设其大圆柱电池产线，建成后产能将达到 30GWh。车端，除特斯拉、宝马、蔚来外，保时捷、奔驰、大众、美国造车新势力Lucid 和 Rivian、小鹏、一汽、江淮、东风岚图等一众乘用车企也相继将目光投向大圆柱电池。其中，保时捷曾透露更倾向于选择圆柱电池；大众将考虑从 2025年开始使用圆柱电池；江淮和比克联合开发包括 4680 型号的圆柱电池及电池组。

“ 4680大圆柱电池：与哪些技术更搭配？”

08 巨头推动大圆柱电池大规模量产

圆柱电池自商业化之初，直径经历了 18mm、21mm的设计。2020 年 9 月特斯拉正式发布 4680 大圆柱电池，宝马、宁德时代、亿纬锂能等企业纷纷布局大圆柱电池，综合考虑电池的整体性能和经济性两方面，46mm 外径是当前技术水平下的最优解。大圆柱电池较普通圆柱电池有能量密度高、功率性好能等优势，较市场主流的方形电池有功率性能好、一致性高、强度高等优势。

预计 2026 年全球大圆柱电池装机量有望达到 381GWh，若以 2026年大圆柱电池均价为 0.5元/Wh来计算，则对应总体市场规模将达到 1905 亿元。

09  4680技术壁垒

硅基负极是发展方向：石墨负极比容量趋于理论值，硅基负极材料在能量密度方面有明显优势，大圆柱电池的极片为受力均匀的圆柱形，在极片发生膨胀时不易受到损伤，因此更兼容硅负极。随着高镍三元材料 NCM811、NCA 及其他配套材料的技术逐渐成熟，硅基负极搭配高镍三元材料的体系成为未来高端锂电池发展趋势。

表1 石墨和硅基负极性能对比

正极主要在高电压和高镍化：根据能量密度 W=qU（容量×电压）的计算公式，容量与电压两者共同决定了材料的能量密度。在动力电池应用领域，NCM 三元材料因其容量大且充电电压由 4.25V 提升至 4.40V可实现能量密度约 10%的提升，有较大潜力而有望在大圆柱电池里面受到广泛应用。

表2 中镍和高镍三元材料性能对比

大圆柱提高技术壁垒预镀镍：由于对耐压强度的要求，大圆柱通常采用钢壳作为封装壳体，而锂电池钢壳的原材料钢带需要进行预镀镍处理来增强耐腐蚀性。当前预镀镍环节主要被新日铁、东洋钢板等日本厂商所垄断，未来随着国内龙头厂商的验证和扩产完成，有望逐步实现国产替代。

锂电池钢壳的原材料主要是钢带，镀镍环节分为预镀镍和后镀镍两种工艺，是为了防止电池正极活性材料对钢壳氧化，增强耐腐蚀性的一种方式。预镀镍工艺是一种在电池壳冲压之前对基础钢材进行镀镍。

相较于后镀镍工艺，预镀镍工艺对高速连续预镀镍的生产设备、电镀液配方、扩散退火温度参数以及钢带平整技术等方面均对生产厂家有着更为严苛要求。

特斯拉4680圆柱电池

一、电池参数

（1）电池为无极耳4680大圆柱电池，相比21700电池容量提升 5 倍；

（2）电化学方面，采用硅负极、高镍无钴正极、干法工艺等全新设计（采用新的材料抑制硅膨胀，用覆膜材料先给硅涂膜）；

（3）电池成组设计方面，电芯和底盘集成上进行优化。通过优化，使最终的新型电池续航里程提升 54%，单位成本下降56%，单位产能投资额下降 69%。

（4）模组采用蜂窝式设计，并通过无模组技术，该电池包能量密度可达300Wh/kg。

二、电池结构

无极耳电池的尺寸为46mm*80mm，所以特斯拉把它命名为4680电池。这款电池的直径提高了一倍，电动汽车的电池能量密度能提高5倍，功率输出可以提高6倍，从而使得整车的续航里程可以提升16%。

全新的4860电池采用特斯拉所申请的无极耳专利技术，通过去掉电芯中独立的极耳部分，降低内阻，使电池的热稳定可控性提高。但此前有专家评论称，“无极耳”实质与国内圆柱全极耳电池的设计理念基本一致，仅仅是软、硬连接结构的不同。

三、电池包结构

特斯拉4680包的照片，电池之间的紧密间距估计为1-1.5毫米。沿着包的边缘似乎是环状的柔性乙二醇冷却管，每隔一行就连接到包。

比亚迪 4680圆柱电池技术

外观

据报道，在电池顶部的小插头（正极端旁边）是一个防爆阀。

主要特点

磷酸铁锂电池

重量能量密度 = 129Wh/kg（测量值为147Wh/kg）

体积能量密度 = 350Wh/L（测量值为370 Wh/L）

参数

虽然提到大圆柱电池，大家首先想到的大多会是特斯拉，但宝马也是关注焦点之一。主要原因在于宝马在逐渐倾向圆柱电池的过程中，发表了明确的路线和时间规划。

2022年4月，宝马集团正式发布了下一代圆柱电池，并命名为“第6代电池”。按计划，该电池将安装在宝马2025年发布的下一代电动汽车中。

值得指出的是，宝马46系列大圆柱电池有两种型号，即直径46毫米，高度分别为95毫米和120毫米。

为此，宝马计划在全球建造六座工厂，并集齐了宁德时代、亿纬锂能、远景动力三个强力“后援团”。其中，宝马与宁德时代和亿纬锂能签订了总价值超过百亿欧元的订单，两家将在中国和欧洲各自建立两座电池工厂，每座工厂的年产能将达20GWh；远景动力将在美国南卡罗来纳州建设一家电池工厂，年产能30GWh，计划2026年投产。

2023年10月，有报道称，宝马年初对外招标的约160GWh电池订单最终由蜂巢能源、宁德时代、亿纬锂能获得。其中，蜂巢能源获得了宝马欧洲区近90GWh 产能的订单，而宁德时代、亿纬锂能则将瓜分国内近70GWh订单。

同时，媒体报道称，宝马此次给到宁德时代和亿纬锂能两家公司的近70GWh订单不仅限于圆柱电池范畴。

这里值得注意的是，宝马此前给宁德时代和亿纬锂能的订单均是圆柱电池，此次却不设范围。

至于蜂巢能源，其已从9月起为宝马MINI车型批量供货，主要提供高镍正极+硅基负极的高能量密度方壳电芯，再加上蜂巢能源更专注于打造“短刀+飞叠”的电池产品，因此，业内人士分析认为，宝马未来向蜂巢能源采购的电池大概率方形电池。

综上，宝马约160GWh电池订单或将掀起新一轮的动力电池封装形式之争。尤其在大圆柱尚未大规模量产且装车应用的情况下，方形电池仍将占据主流，甚至继续扩大占比。

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（转自：广东电池）

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