特斯拉新型無極耳電池是一種什麼技術?原理是什麼?

2020-12-07 電子工程專輯

9月23日，特斯拉在美國加州工廠發布了無極耳新型4680型電池，即高度80毫米，直徑46毫米，採用雷射雕刻的無極耳技術。無級耳電池的結構，去掉了電池主要發熱部件，內阻減少，讓更高密度電芯成為可能。特斯拉這次發布的無極耳技術是怎麼樣的一種技術？其技術原理是怎樣的？與國產圓柱全極耳電池比較，有什麼區別和優勢？我們一起來看看。RahEETC-電子工程專輯

比聽起來更加重要的「無極耳」技術RahEETC-電子工程專輯

特斯拉作為車企最初在電池技術積累較少，只是通過對外採購電池或者合資共建方式保障電池供應。從18650到21700，特斯拉一直都在堅持通過「大圓柱」提升電池能量密度、降低電池成本的策略。然而，無論基於電池安全性亦或其他問題，特斯拉電池核心供應商松下與LG化學遲遲未能突破21700以上的「大圓柱」。RahEETC-電子工程專輯

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2017年，特斯拉引入Jeff Dahn研究團隊後開始全方位從技術、生產工藝布局鋰電池領域，2020年1月宣布自建1條電池試驗線，2020年5月正式披露「無極耳」電池專利，其核心設計理念是通過正負極集流體與蓋板／殼體直接連接，成倍增大電流傳導面積、縮短電流傳導距離，從而大幅降低電池內阻，減少發熱量延長電池壽命，並提高充放電峰值功率；並通過優化電池結構件、簡化電池生產工藝流程等，提升電池標準化生產能力、降低電池成本。RahEETC-電子工程專輯

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正是這項「比聽起來更加重要」的無極耳技術，幫助特斯拉快速突破圓柱電池的尺寸限制，並帶來內阻大幅減小5－20倍、成本大幅降低至100美元（約合人民幣676元）／度等顛覆式成果。然而，「無極耳」電池，「極耳」究竟去哪了？RahEETC-電子工程專輯

「無極耳」，極耳去哪了？RahEETC-電子工程專輯

極耳是從電池正負極集流體中引出了的金屬導電體，與電池殼體（圓柱／方形）或者與外部模組結構件（軟包）進行連接，電流必須流經極耳才能與電池外部連接。根據極耳數量、面積差異極耳可以分為單極耳、雙極耳、多極耳以及全極耳等類型，18650或21700電池體積較小，多採用單極耳方式，極耳細長不利於電流傳導，電池充放電時極易導致極耳和極耳連接處局部熱量過大，成為影響電池安全的關鍵瓶頸。RahEETC-電子工程專輯

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根據特斯拉「無極耳」專利分析，極耳與集流體不成比例的導電面積，以及獨立、長條形的極耳設計是當前電池的局限性，「當電流必須一直沿著陰極或陽極流到極耳並流出電池單元時，電阻也會隨著距離的增加而相應提高。此外，由於極耳是額外的零件，因此增加了成本並帶來了製造難度。」RahEETC-電子工程專輯

特斯拉「無極耳」專利描述了至少一個電極為無極耳的電池裝置，及其製作方法。「無極耳」電極一端通過塗覆導電材料，直接與殼體或專門設計的蓋板進行連接，電流直接在電極集流體、蓋板、殼體之間進行傳導，傳導面積大、距離短，特斯拉為此設計了多種規格的蓋板結構進行智慧財產權保護。RahEETC-電子工程專輯

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然而，詳細分析特斯拉「無極耳」卷芯結構可以發現：RahEETC-電子工程專輯

（1）「無極耳」卷芯下端一極：集流體末端留白未塗覆正／負極材料，該處集流體部分應統統理解為廣義的極耳，國內方形電池生產過程中也多採用直接切割集流體作為極耳與殼體進行連接，特斯拉「無極耳」設計的關鍵是極耳傳導面積與集流體完全一致，甚至通過蓋板多樣化結構設計使極耳接觸面積、傳導面積大於集流體傳導面積。RahEETC-電子工程專輯

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（2）「無極耳」卷芯上端一極：若僅採用一個電極無極耳方案，上端仍與18650、21700卷芯設計一樣，通過一個導電極耳與外部進行連接。按專利分析，僅一端進行無極耳連接就可以實現內阻減小5倍效果。RahEETC-電子工程專輯

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國內有專家評論，特斯拉「餅乾盒」與近期出現的國內某超巨的細長型圓柱電池整體設計理念基本一致。特斯拉「無極耳」電池也並非真的沒有極耳，而是通過巧妙的結構設計直接利用整個集流體尾部作為極耳，並通過蓋板（國內稱「集流盤」）結構設計增大極耳傳導面積及其連接處的連接面積、縮短極耳傳導距離。因此，「無極耳」實質與國內圓柱全極耳電池的設計理念基本一致，都是通過集流體與電池殼體或集流盤的全面積、直接接觸式連接，從而達到大幅降低電池內阻的效果，只是「全極耳」的連接形式更為多樣化，從某種意義上說特斯拉「無極耳」可以理解為一種特定形式的「全極耳」。RahEETC-電子工程專輯

全極耳，中國圓柱全極耳電池發展RahEETC-電子工程專輯

國內圓柱全極耳鋰離子電池最早在2003年開始萌芽，出現了正負極片單邊留白、錯位卷繞後形成極耳然後焊接在導電集流盤邊緣的結構設計，但由於極耳形態不規則，電池生產工藝複雜，未能轉化為實際產品。2009年國內開始有電池企業與裝備企業共同投入圓柱全極耳研究，並真正形成了圓柱全極耳初始產品。經過十幾年的發展，國內已經形成了圓柱全極耳軟連接與硬連接兩種主流的連接形式，也有一端採用軟連接一端採用硬連接的結合形式；其中軟連接方式是匯集電流的集流盤帶有一段寬而短的極耳連接殼體，硬連接方式多通過集流盤直接與殼體進行物理接觸或機械連接，硬連接方式多屬於「無極耳」連接。RahEETC-電子工程專輯

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從規格和工藝來看，圓柱全極耳電池主要包括：RahEETC-電子工程專輯

（1）外殼材質：鋼殼，多應用於三元電池；鋁殼，多應用於磷酸鐵鋰、錳酸鋰等電池。RahEETC-電子工程專輯

（2）封裝工藝：機械滾槽與卷邊封口，多應用於10AH以下電池；雷射焊接，各類電池均有應用。RahEETC-電子工程專輯

（3）殼體帶電與結構形式：外殼帶電，主要包括平底＋凸帽、平底＋平帽、平底＋螺母等形式；外殼不帶電，主要包括兩端螺母、兩端螺柱、兩端平帽等形式。RahEETC-電子工程專輯

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據不完全統計，國內全極耳圓柱電池或無極耳圓柱電池專利主要自2006年開始出現，其中主要以全極耳專利為主、少量無極耳專利，兩者專利保護內容的設計理念基本一致。從專利分布來看，國軒高科、格力電器、安靠電源、銀隆新能源及裝備企業逸飛雷射等圓柱全極耳／無極耳專利申報數量較為靠前，寧德時代近期也有相關專利申報。RahEETC-電子工程專輯

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據動力電池應用分會數據顯示，2019中國市場圓柱動力電池裝機電量約4．13GWh，佔比6．65％，以18650、21700為主的圓柱電池裝機量大幅下滑41％，但是主打32135圓柱全極耳電池的國軒高科裝機電量約1201．93MWh，同比增長60．55％，由2018年的排名第3上升至2019年第1。RahEETC-電子工程專輯

行業數據顯示，2020年上半年兩輪車圓柱電池價格已接近0．4元～0．5元／Wh的目標價。國內排名靠前的動力電池企業已有多家開始布局圓柱全極耳電池，力神電池、比克電池、遠東電池、天能、鵬輝能源等均已相繼獲得兩輪車圓柱電池訂單，寧德時代也成立了圓柱電池團隊，並規劃了多條圓柱產線大舉進入共享兩輪車市場。RahEETC-電子工程專輯

整理自：電池中國網RahEETC-電子工程專輯

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