一、特斯拉電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本和設備投資成本降本目標

特斯拉正在大力推動松下、LGES 等電池供應商制造和開發(fā) 46 系大圓柱電池，通過采用無鈷正極材料（NMx）、硅碳負極材料及離子聚合物涂覆技術、整車電池一體化及干電極生產(chǎn)極片技術等，共同推動電池度電成本從 110-120 美元下降到 48-53 美元，降幅為 56%（電芯設計、正極、負極、電池工廠、整車匹配分別貢獻下降 14%、12%、5%、18%、7%），參考松下、LGES、三星 SDI 在美產(chǎn)線投資成本，單 GWh產(chǎn)線的設備投資額從 1.09-1.33 億美元下降到 0.34-0.42 億美元，降幅為 69%（電芯設計、正極、負極、電池工廠、整車匹配分別貢獻下降 7%、16%、4%、34%、8%）。

二、46?系大圓柱電池持續(xù)降本

參考億緯鋰能發(fā)布公告數(shù)據(jù)，結合各單價假設條件，初步得到以NCM811/Gr?時，電池正極材料和負極材料成本分別為?0.271、0.060?元/Wh，當更換為超高鎳?Ni90?正極和硅碳負極?Gr-SiOx時，正極材料和負極材料成本分別降低為?0.242、0.057?元/Wh，分別降低?11%、6%。

假定其他條件不變時，正負極材料成本下降導致電池原材料成本由原來的?0.521?元/Wh?下降到0.489?元/Wh，降幅?6%。

超高鎳正極和硅碳負極適配 4680 圓柱電池，且實現(xiàn)更低成本。

正極適配方面，9 系超高鎳正極鎳含量比 8 系更高，活性高，更容易和電解液發(fā)生副反應，圓柱電池電解液用量少，且殼體本身耐壓能力強，對產(chǎn)氣有較高的承受能力。

負極適配方面，硅碳負極膨脹系數(shù)較高，圓柱電池耐壓承受能力強，選用硅碳負極能有效提升電池能量密度。

正極降本方面，一是材料本身成本低，9 系高鎳正極中鈷含量低，后續(xù)價格比 8 系成本低；二是能量密度更高，9 系鎳含量比 8 系更高，導致能量密度更高，所以單 Wh 電池的正極材料用量減少。

負極降本方面，隨著硅碳負極工藝技術不斷成熟，生產(chǎn)成本不斷下降。

干法電極技術減少極片生產(chǎn)工序，實現(xiàn)降本增效。特斯拉 4680 電池創(chuàng)新性地使用超級電容器中的干法電極技術，實現(xiàn)降本增效。電極制備方式中，傳統(tǒng)濕法電極技術需要使用粘結劑、溶劑與活性材料混合再涂至電極上干燥，而干法工藝無需溶劑，直接將活性電極材料顆粒與四氟乙烯（PTFE）粘結劑混合，使其纖維化，直接將粉末搟壓成薄膜，然后熱壓到極片上，可省略輥壓、干燥、NMP 溶劑回收等工序，大幅簡化生產(chǎn)流程，提升生產(chǎn)效率，節(jié)省成本。據(jù)特斯拉電池日預測，干法電極工藝可以將生產(chǎn)成本降低 16%，產(chǎn)線投資成本降低 34%，極片生產(chǎn)占地減少 70%。

目前特斯拉已實現(xiàn)負極干法電極量產(chǎn)，正在攻關正極干法技術。根據(jù)美國加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院對特斯拉4680 電池的拆解結果，目前特斯拉已在負極中使用干法電極技術，其負極使用的是人造石墨，本身帶潤滑作用，在粉體傳輸和輥壓過程中流動性較好。正極材料干法工藝難度較大，正極材料在纖維化完成后，由于材料呈黏性絮狀并相互交聯(lián)，同時正極材料本身自潤滑性差，在連續(xù)傳輸過程中，極易出現(xiàn)偏析、架橋、結團等現(xiàn)象，自支撐膜制作難度較高，目前特斯拉仍在攻關該項技術。

三、46?系大圓柱電池增效

大圓柱全極耳方案減小內(nèi)阻/增加熱傳導，可實現(xiàn) 4C-6C 快充，快充時間降至 15 分鐘。

大倍率充放電時正負極極耳溫度最高，是快充的瓶頸。4680 電池極片長度達到 3.8 米，如果采用單極耳，會導致電池內(nèi)阻明顯增加。將正負極集流體兩端變成可以進行面接觸的極耳，通過集流體與集流盤、正負極（蓋板）的全面積連接，形成穩(wěn)定的全極耳導電結構，使得集流體與正負極之間的電流傳輸方式由傳統(tǒng)的線傳輸變?yōu)槊鎮(zhèn)鬏敚瑥亩蠓嵘龑Я髅娣e和過電流能力，降低電池內(nèi)阻和發(fā)熱量，實現(xiàn)安全快充。

通過模擬仿真對全極耳電池和單極耳電池進行充放電過程發(fā)熱對比，發(fā)現(xiàn)全極耳設計產(chǎn)熱速率要比單極耳產(chǎn)熱速率低兩個數(shù)量級以上，驗證了全極耳設計可以明顯降低熱效應。數(shù)據(jù)顯示，4680 圓柱電池能夠在 20 分鐘內(nèi)完成從 10%到 80%SOC 的快充，相較于 21700 電池的 30 分鐘，時間縮短 33%。

4680 圓柱電池一致性高、熱失控阻隔性好。

圓柱電池是以卷繞工藝進行制造，通過加快轉速來提高生產(chǎn)效率，而軟包和方殼的疊片工藝的效率提高受限。在卷繞過程中，為保證電池具有高一致性，需要對卷繞張力進行控制。目前松下等國外企業(yè)對圓柱電池卷繞張力的控制較好，大批量生產(chǎn)的圓柱電池產(chǎn)品一致性高，良率能達到 97%~99.0%，可以避免由于電池一致性差導致的過充、過放和局部過熱等危險。

4680 圓柱電池成組時相互接觸面積小，熱失控阻隔性好。

從單體角度看，圓柱電池熱膨脹時殼體均勻受熱，不會出現(xiàn)側面鼓脹、變形等影響電池壽命的問題。從模組角度看，圓柱電池蜂窩式排列，電芯間填充隔熱灌封膠，電芯之間接觸面積幾乎為零，熱量必須經(jīng)過灌封膠再傳至周邊電芯，電芯隔熱效果好，能做到熱失控不蔓延，從而有效提高電池熱失控安全性。

圓柱結構適配超高鎳/硅碳，進一步提升電池能量密度。

目前 4680 圓柱電池采用 NCM811 正極和人造石墨負極，電池能量密度達到 244Wh/kg，相對于成熟的松下 21700 圓柱電池能量密度低 9.2%，但是未來可以通過降低外殼壁厚和改用硅碳負極，可以將能量密度提升至 292Wh/kg。另外，超高鎳正極材料及無鈷材料等的應用將繼續(xù)提升 4680 圓柱電池的能量密度。

46 系大圓柱電池正極可以用 9 系高鎳，其鈷含量低，后續(xù)成本比 8 系便宜，能量密度更高。電解液方面，應用高安全新型鋰鹽 LiFSI，進一步穩(wěn)固電池安全性。在負極中摻雜硅或氧化亞硅可顯著提升電池容量，但硅在充放電過程中會產(chǎn)生巨大的體積變化(硅在充放電過程中容易產(chǎn)生 300%的體積膨脹，而石墨只產(chǎn)生 10.6%的體積膨脹)，從而引發(fā) SEI 膜破裂使未鈍化的表面暴露出來，導致電池充放電循環(huán)期間電解液在硅表面持續(xù)分解，致使電池容量衰減。4680 電池的不銹鋼殼體機械強度大，可充分吸收負極的膨脹力，同時卷繞結構的 4680 電池極片各個位置膨脹力均勻，減少破損和褶皺的出現(xiàn)，而方型電池在 R 角處易出現(xiàn)應力集中而導致破損和褶皺。

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