完美的产品亮相后,艰难的生产制造开始了。
4680 电池的创新技术中,最被关注、也对电池生产线改动最大的就是干法电极技术。
目前市场主流采用湿法电极:把湿的电极浆料涂在电机薄膜上,干燥、压制、分切成电极,最后再真空干燥;
特斯拉的设想是:既然湿的电极浆料还要干燥,那就直接用干的电极材料涂抹,这样不仅能减少干燥和真空干燥的步骤,也减少了这两道最占地方的工序;简化工艺,降低生产升本,还能降低生产线成本。
(湿式电极法 vs 干式电极法)
但问题是:湿润的膏体涂抹起来可以又快又均匀,让干燥的电机材料附着在电极薄膜上就难了,附着力弱,目前市场上常用的粘合剂颗粒太大,导致电机材料分布不均匀。
从特斯拉申请的专利上能看到,特斯拉在电极粘合剂材料上下了不少功夫,比如发明了一种 PTFE 粘合剂,在压力下能从粒子变成纤维把电极材料粘住,但是粘附性的效果不理想;为了达到理想的效果,可能还要提前加一道底漆涂层工艺。原本干式电极是为了简化工艺,反而要增加工艺,这显然有点违背老马的「第一性原理」。
除了材料问题,在生产工艺上问题也不少。为了解决干式电极的问题,在 4680 电池发布前,特斯拉专门收购了一家公司 Maxwell Technologies,为了就是能把它们的干电极制程(DBE)技术用在 4680 电池上。
在双方的合作下,选择了轧辊铣的干涂层工艺,使用两个轧辊轧机制造独立电极薄膜,以节省成本的电极生产。但是,这种工艺力的设定对粘结剂颗粒尺度很敏感,容易出现薄膜破裂、膨胀和边缘变形。
(特斯拉采用的轧辊铣干涂层工艺)
从材料到生产线,全套流程下来的结果是;目前为止生产的 4680 电池上,还没有用上干式电极;在 2019 年被特斯拉收购的 Maxwell Technologies,也在 2021 年被出售了。要知道干式电极工艺是 4680 的降本法宝:能降低 20%制造成本,减少 70%的生产线占地面积。如今这项工艺没投产,4680 的成本优势就被砍掉了一大半。
除了干式电极,早期宣传的硅电极工艺目前也没有用在量产的 4680 上。相比于目前主流的石墨负极,硅基负极的理论容量高,能提升电池的能量密度。不过,根据德国慕尼黑工业大学 Manuel Ank 等人对第一批生产的 4680 电池的拆解:正极采用了 NMC(镍锰钴)作为活性物质,跟目前主流的三元锂电池一致;负极材料则为纯石墨。
这也间接导致,目前德州产的 4680 电池理论能量密度 300Wh/kg,但标称能量密度只有 244Wh/kg;要知道目前上海特斯拉上海超级工厂用的 LG 生产的 2170 电池,标称能量密度 252Wh/kg。
这样来看,4680 最有竞争力的能量密度优势和成本优势就不复存在了。
而就算暂时放弃了干式电极和硅基电极,目前特斯拉得州工厂电池生产线的挑战也并不少。据了解,2024 年初,特斯拉生产 4680 的良品率为 95%,相比之下,早已大规模量产的 2170 电池良品率是 99%。受良品率和生产效率的限制,目前 4680 的产能和成本优化都有限。
供应商们的大圆柱电池,准备好了么?
一直以来,特斯拉有个魔力,就是能带动新技术的趋势:比如智能驾驶中的 BEV、OCC,比如汽车制造中的大型一体压铸技术,4680 大圆柱电池也不例外。
自从特斯拉在 2020 年亮相 4680 电池以来,大圆柱电池也成了行业里的新趋势。比如,在特斯拉 4680 亮相 2 个月后,松下就传出过在特斯拉「强烈要求下」研发 4680 电池的消息;去年在美国堪萨斯州新建的电池工厂中,也被传增加 4680 生产线。
这次特斯拉传出转向供应商采购 4680 电池,跟这个传闻最接近的则是 LG 新能源。预计今年 8 月 LG 新能源就可以在韩国奥昌工厂大规模生产 4680 电池,这样看来 LG 新能源生产的供应商版 4680 很快就能面世了。
除了 LG 和松下,国内电池供应商们也将在未来 1~2 年内迎来自己的大圆柱电池。
比如,宝马在 2025 年亮相的新世代车型上就将采用大圆柱电池(4695),将由宁德时代、亿纬锂能等生产。宁德时代将在中国和德国两座工厂为宝马生产大圆柱电池,每座工厂年产能 20GWh。亿纬锂能之前展示过 4695 电芯,能量型 4695 的电芯能量密度 280Wh/kg,功率型 260Wh/kg。