全極耳成數(shù)量級的降低電池內(nèi)阻和產(chǎn)熱速率

全極耳（無極耳）技術(shù)能夠成數(shù)量級的降低電池內(nèi)阻和發(fā)熱速率，在解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對的優(yōu)勢，特斯拉將其視為突破百萬英里續(xù)航和TWh自建產(chǎn)能的關(guān)鍵技術(shù)，“遠(yuǎn)比看起來更加重要”。但是，特斯拉4680全極耳電池至今仍難量產(chǎn)，松下、LG等電池巨頭紛紛搶跑參與競備。

2020年9月22日，特斯拉“電池日”發(fā)布4680“無極耳電池”，新電池能量提升5倍，功率提升6倍，同時成本降低14%、續(xù)航里程提高16%。

“無極耳電池”更準(zhǔn)確的翻譯應(yīng)該是“全極耳電池”，就是把整個正/負(fù)極集流體都變成極耳，通過集流體與電池殼體或集流盤的全面積連接，大幅降低電池內(nèi)阻和發(fā)熱量，解決高能量密度電芯的發(fā)熱問題，并提高充放電峰值功率，幫助突破圓柱電池做大的瓶頸，正式拉開特斯拉TWH時代的大幕。

01

全極耳成數(shù)量級的降低電池內(nèi)阻和產(chǎn)熱速率

為什么是全極耳？

電芯尺寸越大活性物質(zhì)占比越高，系統(tǒng)集成效率也更高，有助于提高系統(tǒng)能量密度，降低系統(tǒng)成本，無論是特斯拉4680還是比亞迪刀片電池實(shí)質(zhì)都是基于這一原理的設(shè)計(jì)。但是，電池放電過程中電流通過銅箔、鋁箔匯集，并通過極耳導(dǎo)出到外電路，由于電阻的存在，電池在充放電的過程中，特別是大電流充放電的過程中會產(chǎn)生顯著的歐姆熱，引起電池溫度的升高，越粗越大的電芯發(fā)熱越多、散熱越難，因此，如何解決電芯尺寸做大和發(fā)熱減少的悖論成為其中關(guān)鍵。

可見，4680全極耳電池并不僅僅是變大變粗那么簡單。據(jù)專業(yè)人士分析：

傳統(tǒng)的圓柱體電池都是卷繞方式，分為正負(fù)極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞，為了引出電極會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個引出線叫極耳。傳統(tǒng)的1860電池卷繞長度是800mm，以導(dǎo)電性更好的銅箔為例，極耳從銅箔上把電導(dǎo)出來長度最長就是800mm，相當(dāng)于電流要通過800mm長的導(dǎo)線。通過計(jì)算得到電阻大約是20mΩ，2170電池更粗一些卷繞長度大約是1000mm長電阻約23mΩ，這么長的銅箔為保證低的電阻，對銅箔厚度和一致性都會有極高的要求。

特斯拉4680電池為例，全極耳電池把整個集流體都變成極耳，導(dǎo)電路徑不再依賴極耳，電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸，整個導(dǎo)電長度由1860或者2170銅箔長度的800～1000mm變成了80mm（電池高度）。將導(dǎo)電長度，代入銅電阻計(jì)算公式后電阻一下子就降到2mΩ，根據(jù)歐姆定理計(jì)算，電池內(nèi)阻消耗由2瓦特一下子降到0.2瓦特，直接降低一個數(shù)量級。

為研究極耳對于鋰電池充放電是發(fā)熱和內(nèi)部溫升的影響，英國帝國理工大學(xué)的Shen Li等人以模擬仿真的方法，研究了單極耳1（正負(fù)極極耳均在電極的頭部）、單極耳2（負(fù)極極耳在電極的頭部，正極極耳在電極的1/3處）、三極耳（極耳均勻的分布在電極上）、全極耳（22個極耳均勻的分布在電極上）三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行充放電發(fā)熱對比。

從研究結(jié)果來看極耳數(shù)量越多電池內(nèi)部溫升越不明顯，且靠近極耳的位置電池的電流密度更大，因此極耳處產(chǎn)熱速率也更快，從而造成局部溫度升高更大；全極耳設(shè)計(jì)能夠有效的降低局部的電流密度，從而減輕溫度-電流的正反饋，使得全極耳電池的產(chǎn)熱速率要比單極耳電池低兩個數(shù)量級。研究證明，全極耳電池在降低發(fā)熱量，解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對的優(yōu)勢。（引自新能源Leader）

02

特斯拉4680電池量產(chǎn)難

LG/松下?lián)屌軈⑴c竟備

全極耳電池優(yōu)勢如此明顯，特斯拉為什么沒有第一時間量產(chǎn)4680全極耳電池？

馬斯克在電池日發(fā)布會上曾表示，特斯拉正在美國加州的弗里蒙特電動車工廠內(nèi)部建設(shè)4680電池的試驗(yàn)性生產(chǎn)線，已“接近完工”，爭取一年的時間內(nèi)達(dá)到1千兆瓦的產(chǎn)能，三年內(nèi)全面量產(chǎn)。但特斯拉未能展示4680電池實(shí)物，電池日當(dāng)天特斯拉股價(jià)重挫7%！

特斯拉4680全極耳電池發(fā)布后，全球多家汽車巨頭跟進(jìn)并調(diào)整電池路線，韓國LG與日本松下等多家全球巨頭紛紛搶跑，展開全極耳電池全球競備賽。

據(jù)外媒報(bào)道稱，LG已經(jīng)開始為特斯拉4680電池建造一條試驗(yàn)性生產(chǎn)線。目前正在其Ochang工廠改造部分生產(chǎn)線，裝配和電鍍設(shè)備已經(jīng)安裝完畢，最早有望在年內(nèi)開始運(yùn)營；同時，LG計(jì)劃為特斯拉公司配套建設(shè)先進(jìn)的鋰電池工廠，工廠地點(diǎn)位于美國和歐洲，并計(jì)劃在2023年為特斯拉生產(chǎn)全新4680電池。

松下總裁津賀一宏則表示：“我們已經(jīng)開始在美國為特斯拉開發(fā)全新車用電池4680”。據(jù)悉，松下在日本大阪Suminoe工廠為特斯拉準(zhǔn)備的一條4680電池試驗(yàn)性生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)從2021年4月1日開始啟用，并宣布將于下半年在開始美國超級電池工廠量產(chǎn)4680電池。

03

最難的不是制造電芯，而是規(guī)?；a(chǎn)

電芯組裝設(shè)備尤其關(guān)鍵

3電池材料制造商Sila Nanotechnologies的CEO及聯(lián)合創(chuàng)始人、前特斯拉電池系統(tǒng)架構(gòu)師吉恩·貝爾蒂切夫斯基（Gene Berdichevsky）曾表示：“全極耳是最具體、最可見，可能也是最有影響力的全新電芯設(shè)計(jì)。這是個非常好的設(shè)計(jì)，降低了電芯層面的制造成本。但最困難的不是制造電芯，而是能否規(guī)?；a(chǎn)?！?/p>

特斯拉電池日發(fā)布會前，馬斯克也曾表示：新電池技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)用很難，而制造制造電池的設(shè)備更難！尤其是在全極耳電池在組裝方面，馬斯克表示最大愿景是實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的組裝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率成倍增長。

從全極耳電池制造工藝流程來看，前端極片制作和后端檢測激活與傳統(tǒng)電池并無實(shí)質(zhì)變化，變化的關(guān)鍵是全極耳制作、連接等電芯組裝段，需要新增全極耳成型、全極耳與集流盤或殼體連接、檢測及連續(xù)組裝等工藝和設(shè)備。從特斯拉展示的生產(chǎn)視頻來看，特斯拉發(fā)布的設(shè)備包括涂布、卷繞、灌裝、封裝、注液、干燥、分成化容以及各種高速傳輸裝置等，恰恰未公布其最核心的電芯組裝設(shè)備設(shè)備。

（特斯拉產(chǎn)線視頻）

04

產(chǎn)業(yè)協(xié)同

助力圓柱全極耳電池創(chuàng)新智造

圓柱全極耳電池在國內(nèi)并非新興事物，2009年開始就有部分企業(yè)開始推出大圓柱電池，其中部分是以全極耳工藝進(jìn)行連接。目前，國內(nèi)Top10的圓柱企業(yè)多數(shù)在全極耳方面有技術(shù)儲備/探索性研究，更有不少企業(yè)已經(jīng)有了商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)品（尤其在功率性場合）。

但是，在全球巨頭競相參與全極耳電池競備賽中，圓柱全極耳電池創(chuàng)新與智造需要電池企業(yè)、材料企業(yè)、設(shè)備企業(yè)更好的協(xié)同，才能加快全極耳電池開發(fā)效率、提升電池水平，以確保4680等全極耳電池競備中占據(jù)優(yōu)勢。

截止目前，中國已有140余家企業(yè)和機(jī)構(gòu)投入全極耳電池相關(guān)研究，已公開全極耳專利共計(jì)553項(xiàng)，自特斯拉電池日以來增長340項(xiàng)，增幅達(dá)160%。從專利類型來看，圓柱全極耳專利主要涉及電池結(jié)構(gòu)、全極耳工藝、電芯組裝設(shè)備、激光焊接及檢測等相關(guān)方向。

從企業(yè)專利數(shù)量分布來看，國內(nèi)多家TOP10的圓柱電池企業(yè)確已全面開始全極耳專利布局。逸飛激光（含武漢逸飛與江蘇逸飛）是所有企業(yè)中技術(shù)和專利布局最突出的，圓柱全極耳專利共計(jì)102項(xiàng)，其中發(fā)明專利52項(xiàng)，涉及全極耳極片制作、揉平/端面處理工藝、集流盤結(jié)構(gòu)與焊接工藝、電芯組裝/焊接/檢測設(shè)備等多個領(lǐng)域。

逸飛激光位于武漢·中國光谷，成立于2005年，是一家專業(yè)從事精密激光焊接設(shè)備與智能化生產(chǎn)線研發(fā)、設(shè)計(jì)與制造的國家級高新技術(shù)企業(yè)。逸飛激光從脈沖激光器研發(fā)起步，專注鋰電池激光焊接與組裝設(shè)備15年，具備方形/圓柱/軟包電池激光焊接機(jī)、全自動激光焊接站、全自動組裝焊接產(chǎn)線和數(shù)字化車間等全系列解決方案。公司在新能源汽車動力電池領(lǐng)域擁有眾多世界先進(jìn)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，產(chǎn)品覆蓋動力電池結(jié)構(gòu)件、電芯、模組、PACK等領(lǐng)域，服務(wù)眾多國際一流的動力電池企業(yè)。

據(jù)悉，逸飛激光從2009年開始投入全極耳技術(shù)、工藝與設(shè)備研發(fā)，目前已經(jīng)完成從全極耳極片成型、揉平/端面處理、集流盤焊接、激光封焊/滾槽/鐓封/拼焊封口、檢測等全過程技術(shù)儲備與設(shè)備開發(fā)，具備完整的全極耳電池組裝技術(shù)；推出試驗(yàn)單機(jī)、半自動工作站、半自動產(chǎn)線、全自動產(chǎn)線與數(shù)字化車間等圓柱全極耳全系列“智造”解決方案，完成百余套圓柱全極耳設(shè)備交付，獲得眾多頭部電池企業(yè)認(rèn)可；應(yīng)用產(chǎn)品包括單端全極耳和兩端全極耳等5種全極耳電池結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品尺寸全面覆蓋4680在內(nèi)的直徑18-80mm、長度65-300mm等各個范圍段。

原文標(biāo)題：【逸飛激光?設(shè)備專欄】4680全極耳電池量產(chǎn)之路在何方？

文章出處：【微信公眾號：高工鋰電】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq