再谈4680电池——202...技术与市场发展论坛上的演讲_尚随军.pdf

2023.6Vol.47No.6行业评论再谈4680电池2023年第七届新型电池正负极材料技术国际论坛暨首届钠电池技术与市场发展论坛上的演讲苏州宇量电池有限公司 尚随军，毛焕宇在2021年6月举办的第四届先进高功率电池国际研讨会上，首次介绍了4680电池的各种性能及其应用方面的强大优势和发展潜力。传统圆柱电池只有两个极耳，分别与正极、负极相连，而4680电池实现了全极耳连接(直接从正极/负极上剪出极耳)，从而大大增加了电流通路，降低了电池电阻，进而大幅提升了电池的功率性能。截止到2023年，在大约两年的时间里，包括日本松下、韩国LG和三星以及中国的宁德时代CATL、亿纬EVE、比克电池等在内的几乎所有的电池企业都在备战4680电池的研发，进一步说明了4680电池的强大生命力以及光明前景。在大约两年的时间里，相信中国的电池厂商都已基本掌握了全极耳技术的生产制造工艺，并达到了技术要求。1 全极耳电池技术目前在国内发展的全极耳电池技术有两种：揉压式(简称 C-Type)全极耳技术和叠切式(简称T-Type)全极耳技术。图1为揉压式与叠切式全极耳电池的剖面图。两种技术的差异主要有两点：第一，极组两端的长度方向的占比不同，C-Type为57 mm左右，而T-Type仅有2 mm左右；第二，C-Type揉压部分的箔材被揉压而十分混乱，容易造成短路，而T-Type的箔材相对十分齐整，不容易发生短路。综合以上两种差异，C-Type比较适用于长度比较大而且正极比较温和的电池材料，如磷酸铁锂；T-Type适合长度较短的4680电池和比能量高的正极材料，如高镍三元材料。图1揉压式与叠切式全极耳电池的剖面图2Tesla 4680电池的发展情况Tesla在最近的发布会上公布将在三个工厂全部生产4680电池。其中有三点值得我们关注：第一，总产量约为240 GWh的工厂全部生产一种型号的电芯，即4680电池；第二，工厂面积缩减到相同产量2170电池所需工厂面积的五分之一；第三，工艺步骤从33个减少到21个。这三个重要的措施将大大降低新的4680电池的生产成本。将4680电池与现有的方形电池进行比较可知，由于各个车企自己设计的电池包形状都不一致，所以必须设计不同尺寸的电池来适应车企对电池包形状的要求，因此必然产生多种型号的电池，而圆柱4680电池可以通过组合来适配各种形状的电池包，可以试想Tesla 240 GWh的工厂只生产一种型号的电芯，这对于多种型号的方形或软包电池在成本方面将是一个极大的挑战。此外，通过解剖Tesla 4680电池包可知，与方形和软包电池相比，4680电池具有更高的安全性，如图2所示。该电池采用0.6mm壁厚的钢壳，从而防止热失控发生时侧爆引起的热传递；电池包内配置了蛇形冷却管，可以接触到每个电芯的侧面，这是为了当热失控发生时及时切断和降低热量的传递；而且，所有电芯泄压阀开口朝下，全部对准一层约7 mm厚的硅基泡沫灭火材料，当热失控发生时，火焰定向朝下喷到这层灭火材料上，迅速被扑灭。以上所有这些措施都可以实现热失控但不热扩展(Fail-Safe)的目的。将工厂面积缩减到相同产量2170电池所需厂房面积的五分之一的措施也有几个明显的优势，即占地面积减少、能源消耗降低、建筑成本下降、建设周期缩短等，这些都可以大大降低生产和建设成本。在4680电池发展的过程中，最具革命性的改进应属Tesla的干电极技术。这项技术将浆料制备、电极涂布、辊压和分切合四图2Tesla 4680电池包的安全措施698行业评论2023.6Vol.47No.6为一，实现了粉料和箔材入、成品极片出的全自动生产工艺，没有溶剂的溶解、蒸发、回收和精馏步骤，据称效率提高了20倍。Tesla的干电极生产车间如图3所示，此车间的年产能估计可以达到12.5 GWh以上，极大地节省了厂房空间。图3Tesla的干电极生产车间(取自Tesla Investor Day Video,March 1,2023)从节能方面来看，将溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)从极片浆料中烘干出来，又冷却下来，然后进行回收，最后蒸馏提纯，整个过程需要消耗巨大的能量，每10 kWh的电池包需要420 kWh的能量来干燥和回收NMP溶剂1。再加上水性负极的干燥能耗和烘干能耗，所有这些能耗与设备折旧约占制造成本的4%以上。传统涂布机的一系列烘箱、加热管道、热媒体、热交换器、风管、风机、各种NMP传感器、NMP储罐、回收吸收塔、精馏塔、NMP环保、安全设备等与NMP有关的设备投资约占总投资的15%。图4为干电极制造的基本方法之一2。干电极技术可以追溯到2003年由Vincent Hermann等4人申请的专利3，此项技术经过20年的打造，在锂电池制造中即将发挥巨大的作用，锂电池制造将迎来崭新的变革。图4干电极制造的基本方法之一基于干电极技术在综合工艺过程简化、成本下降和效率提升等各个方面的革命性改进，可以把干电极技术比作锂电池制造技术领域的Chat-GPT。经过几年的努力，国内外的4680电池技术已日臻完善，面临着一个重大的飞跃。随着全球电动化的逐步深入，4680电池将在其中发挥极其重要的作用。参考文献：1AHMED S,NELSON P A,GALLAGHER K G,et al.Energy impact of cathode drying and solvent recovery during lithium-ion batterymanufacturingJ.Journal of Power Sources,2016,322:169-178.2MAXWELL TECHNOLOGIES,INC.System and methods for manufacturing a dry electrode:US2022072612A1P.2022-03-10.3HERMANN V,MITCHELL P,ZHONG L,et al.Powder-based electrodes and methods of making same:US 2004022185P.2004-08-16.CJPS699