大圓柱電池“快馬躍進”

“行業的王者”，“未來5-10內中高端電動車的最優解”，“可能是動力電池終極技術方向”……對于大圓柱電池，業內毫不吝嗇溢美之詞。特斯拉CEO馬斯克表示，特斯拉未來所有的電動車型，都將使用4680大圓柱電池。他雄心勃勃地聲稱，公司未來的目標是將4680電池產能擴展到每年1000GWh。

目前全球不少汽車制造商都已宣布，未來幾代汽車將采用具有創新極耳設計的大圓柱電池。寶馬集團表示，計劃將從2025年起在“新世代”車型中使用46mm標準直徑的大圓柱電池。蔚來、保時捷、江淮、東風嵐圖等多家整車廠也均表示旗下車型會搭載4680大圓柱電池，戴姆勒、大眾、小鵬、一汽等也均在考慮使用。

　　在電池制造商方面，國內的寧德時代、億緯鋰能、比克電池、遠景動力，國外的松下、LG新能源、三星SDI等都已經確認正在進行4680型圓柱電池的原型開發。業內研究機構指出，預計未來幾年全球會有更多車企及電池廠將跟進4680電池結構創新的趨勢，這或將成為圓柱動力電池大規模應用的轉折點。

　　新年伊始，大圓柱電池賽道就開啟了“超燃模式”，眾玩家頻頻“亮劍”。1月28日，總投資130億元的比克電池常州生產基地項目簽約，將建設大圓柱電池產線及國際化研發中心，建成后總產能為30GWh。根據規劃，比克未來將在海內外擴充80GWh的電池產能。近期，特斯拉則宣布計劃在美國內華達州追加投資36億美元，擴建其現有的超級工廠，這其中包括生產4680大圓柱電池，規劃年產能100GWh。

　　另外，有媒體報道稱，通用汽車希望在未來的電動車型中從軟包電池轉向圓形電池。迄今為止，通用汽車一直使用LG新能源制造的軟包電池，“通用汽車未來很可能會采用特斯拉首創的4680規格的大圓柱電池，”媒體如此評論說。

　　未來隨著大圓柱電池良品率提升與成本下降，大圓柱電池裝機量有望提速。比克電池預測，2025年到2035年在中高端汽車市場上大圓柱電池將會占據絕對的統領地位。比克電池副總裁樊文光指出，當下的動力電池市場方殼、軟包、圓柱三分天下，各方面的性能優勢決定了大圓柱動力電池是未來5-10內中高端電動汽車的最優解。

　　根據光大證券的研報預測，在特斯拉等銷量高企、4680技術不斷成熟的背景下，預計2025年全球4680電池裝機量預計將達264GWh，在全球動力電池裝機量和圓柱電池裝機量中的滲透率分別達到22%和68%。

01 超級“六邊形選手”

　　從技術上講，大圓柱電池可以被叫做“六邊形選手”，它各方面的性能是最均衡的。

　　目前幾種主流形態中，圓柱電池安全性最高，這主要由于其單體和電池包結構特性，單體最小，有效分散風險;單獨外殼保護和獨立泄壓裝置，多重保障;電芯蜂窩狀排列，空隙保障了足夠大的單體與外部熱交換面積; 更重要的是,中心對稱的圓形結構可以在全生命周期有效束縛內部極片的膨脹，使得電芯外部不發生任何形變。

　　“大圓柱的高安全性，使它成為搭載兼顧高能量和超級快充的最佳載體。”有業內人士分析指出。大圓柱電池能夠在保障安全和足夠的續航里程的同時，進一步提升快充性能，助力電動車使用體驗媲美燃油車。

　　去年年底，一篇發表于國際頂級能源類期刊《Journal of Power Sources》的學術論文引起了業內關注，該論文首次采用了真實商業化的全極耳大圓柱電池，驗證了12分鐘超級快充的可能性，全面展示了開發成熟的全極耳大圓柱電池的巨大潛力。值得一提的是，這篇文章采用的電芯來自中國制造商，在國內率先發布4680電芯的比克電池。

　　通過模擬計算和實驗驗證，該論文探究了幾種條件下電芯的最優化充電時間和熱管理策略，使得在電芯不發生析鋰的前提下：20°C環境下，可在11分53秒內將電池電量從10%充到80%;在零下20°C環境下，可將10%-80%的快充時間優化到15分58秒的水平。這些發現為行業提供了大圓柱電池快充性能展望：從10%充電狀態到80%充電狀態只用不到12分鐘。

　　探究起來，快充性能的本質依然是體系的能量密度，因為更短的充電時間與更高的能量密度可以說是魚與熊掌的關系，快充性能的提升勢必會對能量密度提出挑戰。而大圓柱電芯的高安全上限，使得它可以支持更高能量密度的化學體系。例如高鎳三元正極、硅碳負極等，這些都是在方形和軟包等平行極片結構的電芯上很難實現應用的體系。

　　而在成本方面，大圓柱電池優勢也十分明顯。例如，特斯拉4680圓柱電芯的制造成本比2170圓柱電芯成本要低17%左右，生產速度最高可提升7倍。馬斯克希望未來把4680成本降至70美元/kWh，預計屆時其電池生產成本較目前中國國內動力電池的生產成本下降約一半。

02 不同于特斯拉的全極耳技術

　　雖然大圓柱電池具備優異的性能和廣闊的應用前景，不過目前全球范圍內擁有成熟技術的企業并不多，而比克電池是其中的佼佼者之一。據了解，自2021年初在國內率先發布全極耳大圓柱電池至今，比克在大圓柱電池技術研發和市場化推進上持續領先。與特斯拉的無極耳概念類比，經過多年的探索，比克電池形成了獨有的全極耳技術路線。

　　比克全極耳技術通過對結構件的優化設計，及生產設備和工裝夾具的配合，實現了比傳統圓柱電芯還要高效的工藝解決方案。經測試，采用全極耳的電芯，比同體系傳統單極耳電芯的內阻降低了70%以上。這意味著極高的功率輸入(充電)及輸出(放電)，受到了國際客戶的廣泛認可。

　　憑借大圓柱的結構優勢，比克通過搭載高鎳正極、硅負極、摻硅補鋰等先進技術，使電池能量密度大大提升，為整車提供800公里以上的續航里程。比克目前圓柱電池正極鎳含量已由Ni50提升到Ni90，容量持續提升。同時，比克硅氧材料也由一代硅發展到三代硅，將首效由77%提升至86%，基本達到與正極效率匹配，并采用了先進的補鋰技術，正極利用率逐步提升。

　　據悉，比克大圓柱目前主要有46系、3x系和26系等系列。其中46系電芯已經開始陸續有樣品批量交付，性能表現符合預期。目前電芯能量密度在280Wh/kg至330Wh/kg之間。26系則以26105鋁殼電芯為主，目前處于B樣階段，應用于整車可達700公里以上續航，預計將于2024年量產，屆時能量密度將達290Wh/kg。3x系則處于二者之間，是比克為了進一步綜合優化性能、成本、系統設計等因素開發的新平臺。

　　在全極耳技術、先進化學體系和電芯設計能力的加持下，比克即將量產的大圓柱產品，可以實現5分鐘內將電量從10%快充至50%，相當于200-300Km續航里程，12分鐘內將電量從10%充至80%，相當于520公里續航里程，同時支持高速服務站等應用場景下4C以上充電倍率的超級快充需求，與現在的燃油車加油體驗幾乎一致。這個數據在前述學術論文中也得到了實驗數據的驗證。

　　而在消費者極為看重的安全性方面，通過結構設計，比克大圓柱電池可以使電芯實現定向泄壓，保證單體電芯發生熱失控時，不會蔓延到周圍的電芯產生連鎖反應，保證整包層面的熱安全，從而實現整車層面零熱擴散，保證電池包整體的安全和電池全生命周期品質的始終如一。

　　未來大圓柱電池必定將大顯身手。市場研究機構Canalys預計，2025年全球電動車銷量將突破2000萬輛，對應的動力電池需求將超過1600GWh。業內推測，到2025年大圓柱電芯至少占全球動力電池30%以上的市場份額，超過2021年全球動力電池總需求量。

　　不難想見，屬于大圓柱電池的春天就要到來了，也將助推全球新能源汽車產業發展邁向更高階段!

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