特斯拉 4680 vs 比亞迪刀片電池，硬核講解動力電池體系：材料、結構和集成

說到電動車的電池 很多人一定都聽說過比亞迪的刀片電池 和特斯拉的4680電池 作爲兩家電動車巨頭的最新技術 我們經常看到這些概念出現在發佈會 各大媒體 博客和廣告當中 5G2 蜂窩結構 極高的安全性 5倍的單體能量 6倍的功率 成本降低14% 續航提升16% 那這些醒悟的新特性背後都有什麼黑科技呢 經過兩個月的研究 通過閱讀他們背後的專利文件和幾十篇相關論文 我們今天就藉着4680和刀片電池的對比 來仔細研究一下動力電池的材料 結構 集成 以及發展趨勢 這裏提醒一下 今天的內容會比較長 但是每一部分對於整個動力電池的體系都非常重要 因此建議細心地看完 如果趕時間可以根據視頻的分區來看 我們首先來看一下電池材料上的區別 我們如果拆開一塊圓柱電池就可以看到這樣的結構 一片正極極片 一片負極極片 中間夾着一層隔膜以及電解液 然後在正負極片的一端會各帶有一個極耳 用來把電流傳導出去 所謂放電和充電的過程 就是電子穿過隔膜和電解液在正負極之間流動的過程 而這四部分之中 正極材料的成本佔比最大 根據彭博社的研究報告 電池正極材料可以佔到總成本的51% 同時正極材料也是電池材料中區別最大的一部分 我們經常聽到的三原鋰 磷酸鐵鋰 刀片電池的正極材料使用的是磷酸鐵鋰 而4680電池可以使用三原鋰或者磷酸鐵鋰 到底哪種材料更好呢 這是兩種材料的特性對比 這裏簡單提示一下 接下來關於電池材料的部分內容 看過我前一期刀片電池視頻的同學可能已經大概瞭解過 如果是這樣 恭喜你可以直接跳到下一章 關於電池結構的部分 首先三原鋰電芯的能量密度顯著高於磷酸鐵鋰 根據賓夕法尼亞大學王朝安院士團隊的論文 單體的LFP電池 也就是磷酸鐵鋰電池 能量密度大概是180瓦時每公斤 而三原鋰電池的能量密度可以超過250瓦時每公斤 同時三原鋰的低溫放電性能要優於磷酸鐵鋰 在沒有電池加熱和保溫的情況下 0度的LFP電池的有效續航只有MC622電池的58% 如果溫度下降到-10度 就只剩下30%的續航 雖然在能量密度和低溫性能上的表現較差 磷酸鐵鋰材料卻有着更高的壽命和更低的成本 LFP電芯的成本普遍比三原鋰低20%以上 根據20年的研究報告 LFP電芯的循環壽命最高可以達到9000次 而三原鋰最高只能達到2500次 除此之外 三原鋰的熱安全性是要差於磷酸鐵鋰的 三原鋰的高溫分解溫度更低 同時自放熱超過500焦耳每克 而LFP只有不到150焦耳 不僅如此 三原鋰受熱分解時會釋放出氧氣 而自放熱和氧氣的釋放 都會讓三原鋰更容易出現熱失控的風險 這一點在刀片電池的蒸汽實驗裏可以體現出來 最後 磷酸鐵鋰材料在過充電和過放電的性能上都優於三原鋰 因此可以長期充電到100% 而三原鋰的電動車就更推薦充電到90%以下 避免對電動車的性能造成長期的影響 所以我們可以看出 到底哪種材料更好 在這裏還真沒有一個絕對的答案 三原鋰在能量密度和低溫性能上擁有優勢 但同時受到高成本的限制 更適用於關注性能的中高端車型 而磷酸鐵鋰擁有出色的成本和壽命優勢 但同時受限於能量密度和低溫性能 因此更適用於中低端車型和儲能場景 想看出兩種電池的優劣 我們還需要進一步研究 去看一下今天的重頭戲 兩種電池的結構 4680這個編號來自於圓柱電池的尺寸 表面電池的直徑爲46毫米 高度爲80毫米 類似的電池型號還有1865和2170電池 而刀片電池屬於方形電池 之所以叫刀片 是因爲它非常長而且很扁 像是塊非常鋒利的刀片 除了4680對應的圓柱電池 和刀片電池對應的方形電池這兩種分類 第三種場景的結構是軟包電池 三種電池在電動車上都有使用 下面是不同廠商使用的電池類型 可以看出特斯拉是忠實的圓柱愛好者 而比亞迪一直堅守方形電池 通用和寶馬在不同的電池結構上都有涉足 這三種電池在結構上最大的區別 圓柱和方形電池的外殼都爲金屬材質 重量更大的同時都具備一定的結構強度 但這種結構強度的優勢在後面會被利用到 而軟包電池使用的是鋁塑膜外殼 也就是一種尼龍、鋁布和熱風層組成的複合材料 用來隔絕溫度和腐蝕性 材料同時也具備一定的延展性和柔韌度 那除了材料上的巨大區別 三種電池的封裝方式也不一樣 圓柱電池會把它的捲心材料 也就是正極、負極、電極液和隔膜組成的夾層 直接捲成一個銳勢卷 然後在正負極的那一端會引出一段金屬導體 也被稱爲極二 這裏我們需要記住兩個重要的概念 卷繞封裝以及極二 那作爲對比 方形電池的捲心材料通常是這樣封裝的 捲心被捲起來然後壓扁 就可以放到方形電池裏面了 當然你可能注意到了 這樣的方形空間的四個角是沒有被完全利用的 同時又因爲捲心的兩邊都被高度彎曲 也就會在塗層的厚度、導電性上不夠均勻 因此除了這種卷繞的方式 還有一種更先進的疊片方式 也就是把極片切成方塊 然後一層一層的疊加起來 非常類似於我們切好的千層餅 那這種疊片的結構把方形的各個角落都利用到了 因此空間利用率會更高一些 爲了讓大家直觀的感受一下圓柱、方形 和軟包電池的三種封裝方式 這裏是它們的橫截面CT掃描圖 可以看到圓柱電池的截面就像一條銳勢卷 方形的電池就像壓扁的透明膠帶 而軟包電池的截面就像千層餅 當然方形電池也是可以採用疊片 軟包電池同樣可以採用卷繞的 這裏的舉例只是代表了三種電池的典型封裝方式 那對於疊片而言 除了空間利用率很高之外 還有另一個好處來自於極二 疊片由一層一層的極片疊加而成 極片的每一層都有單獨的極二 而卷繞的方式只在於整塊的極片兩端纔有一對極二 因此疊片的極二數量會更高一些 因爲極二是捲心對外通電的通道 那更多的極二就意味着電阻更小一些 這一點在後面會起到很顯著的作用 相比卷繞 疊層這種設計雖然有更多的優勢 但是卻更爲複雜 它需要更精準的裁切以及更多的極二焊接 因此對於工藝的要求會更高一些 那到目前爲止我們提到幾個關鍵詞 外殼的材質 卷繞的方式 和極二的數目 這些都影響了電池的性能 但是到底哪種結構更好呢 你可能還是會覺得沒有一個直觀的印象 那下面是我翻閱了幾十篇論文之後的理解 希望對你有幫助 不管是方形 圓柱 還是軟包電池 不論結構如何 我們最終的性能比拼肯定涉及這樣幾個方面 電池的能量密度 內阻和散熱 我們把剛剛幾個關鍵詞 外殼 卷繞方式和極二放到這裏 就可以得到這樣一張圖表 我們先看能量密度這一欄 因爲圓柱電池採用了柱狀結構 一方面柱狀的最中間是空的 另一方面多個圓柱之間會有明顯的孔隙 因此圓柱電池的空間利用率比較低 造成能量密度也比較低 而方形和軟包電池之間的空隙比較小 因此能量密度較高 再進一步 刀片電池採用疊片方式封裝 又比卷繞的空間利用率更高 因此能量密度會再高一些 而軟包電池因爲連金屬殼都省了 重量更低 因此能量密度是最高的 所以我們就得到了圖中的排序 那我們接下來再看內組這一欄 有人會好奇內組是什麼 爲什麼內組這麼重要 這裏我們需要回到幾年前的高中課本 在電路設計中一個實際的電壓源 會需要被等效成一個理想電壓源 以及一個串聯的電阻 之所以需要這樣做 是因爲我們實際生活中的電源是存在內組的 而這個內組的發熱量和電流的平方成正比 不僅消耗了電池的能量 而且還會發熱影響電池本身的壽命 甚至在極端情況下造成熱失控 因此內組的控制對於任何一個電源的設計都是巨大的挑戰 如果要非常嚴格的講 內組與非常多的因素有關 比如電池結構、溫度、材料的電化學過程等等 這裏我們只挑選最主要的兩個因素 根據這篇電化學學會雜誌去年的研究論文 在電池結構中影響內組最大的兩個因素分別是 正負極土層面積和極耳 這兩點都非常的好理解 在正負極上的極耳越多 電流在極耳之間的流動需要穿過的距離就更短 因此電阻更小 而土層面積越大 電流在正負極之間可以流動的空間也就越大 因此電阻會越小 那麼如何量化圓柱、方形和軟包電池的內阻呢 這裏是論文裏的對比實驗結果 橫者表示土層面積 縱者表示內阻的大小 可以看到商用方形電池的土層面積較大 因此內阻比較小 而相比之下 軟包電池使用疊片方式 極耳數目更多 因此內阻會再小一些 如果我們把4680放進來 那它的位置大概在這裏 爲什麼是在這裏呢 因爲我可以根據2170已知的參數 推斷出4680的極片展開面積 大概是3000平方釐米左右 並且會落在這個範圍 當然4680電池在內阻上的努力 卻不只是增大土層面積這麼簡單 它還有一個突破性的設計 就是無極耳 或者被叫做全極耳設計 如果你理解前面關於極耳位置和數目的介紹 就可以知道 如果我們能夠均勻的增加極耳的數目 內阻也會隨之減小 而4680並不只是簡單的增加幾個極耳的數目 而是把正負極片的一部分製作成了極耳 也就是說它有成百上千片極耳 這裏是特斯拉對應的專利文件 可以看到 極片本身暴露出一小段子出來 然後被剪開成小塊 那這些小塊被摺疊之後 可以全部被當作極耳 就形成了這樣一個完整的圓形平面 極大的提升了導電性 那這種設計不僅增加了極耳的數目 還省去了單獨焊接極耳的步驟 簡化了生產流程 有了全極耳的加持 4680電池的內阻進一步減小 因此快充的時候發熱也會減少 所以4680全極耳的效果到底怎樣呢 這裏我們直接找到了對應的論文 來對比4680的全極耳和傳統極耳的發熱 根據這篇20年的論文 傳統極耳的發熱量是5極耳的5倍以上 那高速充放電的時候溫度區別會更大 全極耳的溫度最高只上升20度 而傳統極耳設計溫度會上升60度 同時5極耳的設計 可以讓熱量分佈更加均勻 更低的溫度以及更均勻的溫度控制 是電池壽命和電池快充的關鍵 感興趣的同學可以看一下 我關於電動車快充的詳解視頻 裏面對於快充的挑戰解決方式 做了非常詳細的解釋 但是刀片電池在內阻和散熱上 也做了很多努力 首先刀片電池因爲體積夠大 每一對極耳對應的塗層面積 應該不差於商用軟包電池 而刀片電池採用了疊片設計 一塊刀片電池有正極38片 負極39片相互交疊而成 內阻上應該可以直接和商用軟包電池抗衡 除此之外 刀片本身的形狀就非常的利於散熱 因爲橫扁的形狀 扁面積和體積的比值 也就是比表面積會更大一些 那這樣刀片的兩面 都可以接觸到散熱片參與散熱 瞭解過這麼多電池結構的內容 我們來做一下總結 刀片電池和4680在結構上 都採用了比傳統設計更大的尺寸 那這種更大的尺寸 也利於提高空間應用率 增大了塗層面積 同時兩者都大幅增加了極矮的數目 從而降低了內阻 使電池擁有更好的充放電性能 不同的是 刀片電池在空間利用率上會更勝一籌 因爲它採用了疊片封裝和方形的設計 集成在一起的時候孔隙會更小 因此刀片電池本身 在安全和散熱上是有天然的優勢的 所以說兩種技術在對應的電池家族裏面 都是最頂尖的水平了 那至於哪種結構在你眼裏更有優勢呢 不同人的結論可能會不同 講完電池結構 接下來我們來看一看電池的集成方式 所謂集成 就是把單顆的電芯 組裝到一起變成電池包的過程 如果我們使用傳統的18650電池 集成出一塊特斯拉Model S 85千瓦時的電池包 就需要7100多顆電池 那如果換成2170這種比較大的電芯之後 就只需要4400多顆 而如果我們使用4680電池 就只需要950顆 作爲參考 將這成百上千顆電芯 組裝成整塊電池包的傳統流程 需要經歷這樣三個主要步驟 首先 單體的電池被包裝成模組 然後模組再通過橫縱排列的方式組成電池包 之所以有模組這個中間環節 是爲了一方面在結構上起到支撐固定作用 同時模組也會管理內部電芯的充放電電流 電壓以及溫控 也正是因爲有了模組這個中間商 電池包就需要各種附加的支撐結構 模組的外殼 固定模組的橫縱量等等 這些結構都佔據了體積和重量 那我們如何衡量電池包集成的效率呢 這裏我們需要引入幾個基本概念 電芯能量密度 電池包能量密度 以及兩個能量密度的比值 電芯的能量密度 衡量的是單顆電芯在同等的重量下 存儲電量的能力 而集成到電池包之後 因爲模組這些中間結構的佔用 電池包能量密度會更小一些 而電池包能量密度和電芯能量密度的比值 叫做質量利用率 質量利用率越高 就說明電池包的集成效率越高 那我們來看一下4680刀片電池 和其他市面上主流的電池包的對比 我們發現 刀片電池和4680的集成效率都高於其他的主流電池包 那它們是如何做到的呢 這裏就需要提到CTP Cell-to-Pack的概念 在中文裏被稱作大模組或者無模組設計 所謂Cell-to-Pack 就是直接把電芯集成到電池包上 省去了模組這個中間步驟 爲什麼4680和刀片電池可以做到呢 首先 爲了省去電池包中間的這些結構部件 就需要保證電芯本身具備一定的結構強度 在不需要額外支撐的情況下 就可以保證電池包甚至整車的強度 其次 去掉模組之後 電源管理系統BMS 就需要直接管理電池包的所有電池 對應的電源管理難度也會增加 舉一個我們常見的例子 以前小學的一個年級 由中隊長管理小隊長 然後小隊長管理各個小隊 那我們現在直接把小隊長給免職了 中隊長管理所有人 但是難度就會增加 在電源管理方面 刀片電池和4680 在體積上都比傳統的設計更大一些 減少了電芯的數目 因此減化了電源管理的複雜程度 一塊傳統的電池包 需要管理7100多顆18650的電芯 用了4680之後 難度直接下降了一個等級 變成了900多顆 接近於以前一個模塊的難度水平 而刀片電池需要的數目就更少 一塊電池包裏只需要幾十塊刀片電池 控制起來會更簡單一些 另一方面 在結構強度上 刀片電池和4680都不約而同的 利用了電池的外殼來作爲結構支撐 並且採用了蜂窩結構 當然這個蜂窩結構 並不是嚴格意義上的六邊形蜂窩 還是說裏面有結構強度的部分 比如電池的外殼 以及電池包的填充材料 形成了一個多孔的結構 每個孔裏面都是電芯 這樣很多孔就類似於蜂窩 而在蜂窩的上下兩面 對應了兩塊高強度的蓋板 這種上下蓋板 把多孔的中間層夾起來的結構 可以在保證結構強度的同時 最大程度減小材料的使用量 我們在新聞裏面看到的板房的牆壁 以及一家小桌子的桌面 都是這種材料 我們具體看一下 刀片電池組成的蜂窩形狀 首先刀片電池在長度的方向上 可以從電池包的一端延伸到另一端 爲外殼提供了橫向的支撐結構 而刀片電池內部的多腔室 縱向上也做出了劃分 因此橫縱的支撐結構就類似於蜂窩 而4680電池組成的蜂窩結構就更加的直接了 這裏是特斯拉4680電池包的拆解圖 可以看到除去電池之外的填充材料 剛好組成了蜂窩的形狀 所以我們回頭來看 4680電池和刀片電池的創新之處 並不只在於電芯結構的本身 而在於它們作爲電池包的一部分時 可以充分的發揮電芯在結構上的優勢 來幫助優化電池包的結構 說到這裏我們就知道兩種電池是如何做到Cell-to-Pack CTP技術的 而它們的集成程度卻並沒有止步於此 既然電池包的內部支撐結構可以被簡化 那如果我們把電池包做爲汽車的一部分 我們是不是可以進一步把電池包當做車的支撐結構 從而替換掉一些現有的車的部件呢 比如說汽車的地板 比亞迪和特斯拉都不約而同的在最新的汽車結構中 去掉了汽車地板這一層 直接讓電池包的上蓋板作爲汽車的地板 這裏我們可以看到特斯拉非常爽快的直接把座椅安裝到電池包上 差不多是能夠做到的最簡單結構了 你認爲這是簡單還是簡陋呢 請在評論或者彈幕裏面告訴我 那這種把電池包深度集成到車體結構的做法 比亞迪把它叫CTB,Cell-to-Body 而特斯拉把它叫Structural Battery,結構化電池 雖然名字不同 目的是相同的 就是讓電池包除了提供電量之外 還能夠爲車體提供一定的結構強度 簡化車身的結構 這裏就不得不說 雖然特斯拉和比亞迪說着不同的語言 每天在新聞版面上相互廝殺 給自己的技術取了完全不同的名字 但是在最重要的蜂窩結構和取消地板這兩個核心技術上 都有着驚人的默契 是不是非常有相愛相殺的感覺呢 聊了這麼多電池結構和集成上的最新技術 作爲一個客觀的博主 我也想討論一下這種高度集成化 對於每個用戶帶來的便利和可能造成的不便 一方面無模組和結構化的電池 減少了不必要的車身重量 並增加了車體本身的強度 優化了重量分配 這些優勢對於大部分人來講是出手可及的 在電動車續航仍然焦慮的今天 在電池成本居高不下的今天 能夠給電動車減重增加續航是有很大的實際意義的 但是另一方面 高度的集成就有着電池的維護和更換成本變得更高一些 有模組的時代部分電池損壞 我們只需要替換對應的模組 而無模組的時代電池損壞就需要替換整塊電池包 如果車身使用的結構電池或者CTB 更換電池包的難度就會更大一些 車身的防水性 電池包的密封性都需要嚴格被控制 那這一點就非常類似於當年手機電池的發展 如果使用手機超過8年的同學 應該都還記得當年的手機都是可以把電池拆下來的 更輕鬆的更換電池給了我們很多的便利性 但也確實帶來了質量控制和安全性上的擔憂 因此後來出於手機厚度 防水和電池安全性的考慮 市面上能夠拆電池的手機越來越少 如果我們把這個趨勢放到電動車上 很多人可能會想到我嘴邊一直沒有說的換電技術 你更看好特斯拉和比亞迪對應的結構化電池 還是未來寧德時代的換電技術呢 請在留言區留下你的評論 如果有機會我會做一期關於換電的視頻 這是白菜的第五個科普視頻 五個視頻總共花了三個月的時間製作 之所以更新速度比較慢 最主要的原因是因爲我對於內容可信度上的要求 所有的信息都儘量拿到第一手資料 多方查證一些著名來源 這麼做雖然會讓內容推進的速度變得非常的慢 但是可以讓大家看到最客觀真實的信息 這也是我們這個信息爆炸時代最稀缺的部分 當然如果你發現了疏漏或者有不同的意見 請在評論裏面附上佐證材料 我們一起學習進步 看到這裏 如果你對這種類型的視頻感興趣 請你幫助轉發和點贊或者關注我的頻道 這是對我最大的肯定 今天的視頻就到這裏 我們下次再見