特斯拉干法工艺的突破，未来4680注入新的血液

2023年年初，马斯克称，2024年将成为“4680”年。

结果，今年成了4680难产年。

据Autoevolution报道，由于能量密度和充电性能不尽人意，且成本更高，特斯拉正在考虑停止在德克萨斯州Giga 工厂生产4680大圆柱电池。

如果降本无法在年底前达到预期效果，特斯拉将放弃4680电池生产，转而向外部供应商采购。

4年前的特斯拉电池日，为了降低电池的白痴指数而横空出世的4680大电池，如今成了白痴本痴。

一位电池企业高管对汽车商业评论称，特斯拉4680大电池的难产不在于电芯生产，而是特斯拉坚持的干法电极涂布工艺稳定性欠佳。

这项原本为了降低成本而出的新工艺不仅没能降低成本、保证良率、提高能量密度，反而由于生产的不稳定拖了Cybertruck的交付后腿。

不过，这位高管认为，特斯拉暂停甚至废弃自造4680大电池并不会影响大圆柱电池的市场需求。仅Cybertruck的订单就达到200万辆，而特斯拉目前的电芯产能仅够供应2.4万辆Cybertruck。

白痴指数

《埃隆·马斯克传》中写道，马斯克不止一次提及他推崇的决策法宝：第一性原理。

第一性原理提倡不要用类比，而要从事情最基本的组成元素中去推理考虑事情是否成立和具有意义。

自造SpaceX 高达70%的火箭零部件、选择不喷漆的不锈钢作为cybertruck车身的设计均出自第一性原理。

马斯克本来想要找俄罗斯人购买二手火箭，结果发现对方的要价远远超出自己的预期。

在因俄罗斯人离谱的出价感到气愤时，他开始应用第一性原理进行思考，深入基础的物理学情境，一步步在头脑中构建火箭发射的模型。他因此发展出了一个概念，叫“白痴指数”，用来计算某个制成品的成本比其基本材料的成本高多少。

用零件的价格除以这个零件所需原材料的成本，便得出“白痴指数”。数字越大，代表这个零件 “越白痴”，要么中间环节太多，要么制造效率太低。

2007年，马斯克查询伦敦金属交易所的电池材料价格后，算出电池的 “白痴指数” 是7：当时每kW·h电池的锂、钴、镍等材料成本只有82美元，但锂电池售价却超过600美元。这一数字已是索尼、松下等电池公司努力20年的结果。

于是给电池降本就成了特斯拉的第一要务。和自造70%的火箭零部件一样，即使拥有松下、LG新能源、宁德时代这些全球第一梯队的电池供应商，也不能阻挡马斯克在弗里蒙特和其他地方自建电池产线，以降低电池的“白痴指数”。如今越来越多的车企加入自研电池的行列，首要目标也是降本。

2020年9月，在特斯拉的电池日上，马斯克推出一个像饼干盒一样的4680圆柱电池，直径为46mm、高度为80mm，被称作大圆柱电池。

特斯拉最初的动力电池是松下生产的1865（直径为18mm、高度65mm）圆柱电池，是小圆柱电池，后升级为2170电池。

除了具备能量密度高、功率性能好等优势，大圆柱电池被推出的一个重要原因在于降本。

对于马斯克来说，搭载体积更大的4680大电池就能减少电池单体的数量和焊接配件，从而简化电池包结构，降低材料的使用。

此外，4680电池的正极材料采用了镍钴铝（NCA）材料，在能够提供更高的能量密度的同时，价格相对低廉。

按照马斯克的设想，大圆柱电池可以让特斯拉电动汽车的续航里程提升16%，而生产成本降低50%。

马斯克此前曾表示，4680大电池将是特斯拉2023年计划中的一个重要部分，特斯拉未来所有的电动车型，包括Model Y、Semi半挂式卡车、Cybertruck和Roadster 2电动跑车，都将使用4680大圆柱电池。

此后，作为特斯拉供应商的松下、LG新能源、宁德时代，以及比克电池、远景动力、亿纬锂能、国轩高科、中创新航、蜂巢能源、创明新能源、蔚蓝锂芯等电池企业先后将46系的大圆柱电池纳入技术发展路径。

特斯拉以一己之力拉动了大圆柱电池的市场。

可惜后面的量产之路，走得颇为坎坷。被称之为“电池之光”的4680大电池，成了期货。

干法电极的失利

4680大电池提出4年了，虽然业界对前景一片看好，量产却遭遇诸多挑战，直到2023年中期，大圆柱电池才开始小规模量产。

第一供应商松下率先推迟了4680大圆柱电池的量产时间至2024年4月-9月，比原计划晚了一年。

特斯拉自产的产量远远供不应求。2023年10月，特斯拉宣布突破了第2000万个4680电池电芯的生产。这个产量，只能满足2.4万辆Cybertruck，200万辆订单要排到猴年马月去了。4680电池的产能问题，也是导致Cybertruck交付缓慢的重要原因之一。

困扰4680大圆柱电池的，还有良率和能量密度。

据路透社等外媒报道，4月的数据显示，特斯拉4680电池的良品率已达到95%。作为对比，松下2170圆柱电池的良品率是99%。

4680电池当初宣传的能量密度、降低成本目标，都没有达到。

从目前的信息来看，特斯拉第一代4680电池正极材料含镍量为90%，钴和锰有5%，能量密度估算有250Wh/kg左右。加州大学圣地亚哥分校的最新分析结果表示，特斯拉德州超级工厂生产的ModelY车型所装配的4680大圆柱电池的单体能量密度仅为244Wh/kg，加州工厂生产的Model Y所装配的松下2170圆柱形电池能量密度是269 Wh/kg。

作为2170电池继承者的4680大电池，当初号称有300Wh/kg的能量密度，结果实测反而不如2170电池。宁德时代已经量产的麒麟电池，也有250Wh/kg的能量密度。

前述负责大圆柱电池生产的电池企业高管对汽车商业评论称，特斯拉4680大电池遇到的最大挑战不是在电芯生产上，因为松下和LG新能源已经开始为其供应大圆柱电池电芯，“它最大的挑战在于干法电级的制造技术不稳定。”

除了无极耳（也称多极耳）之外，干法电级是4680大电池最不同主流的湿法电级的技术突破。

把电池拉成平面，就是正负极压合在一起的非常长的长方形。正负极之间那层白色的膜就是电池隔膜。

正负极材料要事先在极片上进行涂布，正极的极片载体是铝箔，负极的载体是铜箔。湿法涂布就是先将正极或者负极材料溶解到特定溶剂中，加入粘合剂和添加剂之后形成浆料，再通过涂布机压贴到极片表面。

这个过程中，电极材料很像一种均匀的流体，烘干之后就比较坚固。

前述高管称，湿法电极中不可或缺的溶剂是NMP——N-甲基吡咯烷酮，用于溶解锂盐和聚合物电解质，占锂电池制造成本的3%-6%。

在制作电极片时，NMP作为溶剂将各种电极所需物质融合在一起，提高锂电池的能量密度和涂布质量。它对于提高锂电池的能量密度和涂布质量起到了至关重要的作用，一般通过冷凝回收处理并进行纯化处理后再次循环使用。

但NMP带有毒性，对人体和环境不友好，回收成本也比较高，尤其是最后的高温烘干环节，加工完的极片要在长达 100 米、温度达 90 度的烘箱中烘烤 12 个小时，在这个过程中充分蒸发有毒的溶剂NMP和水分，整个工序增加了制造成本。

马斯克认为湿法工艺很低效：既然极片要做成 “干” 的，为什么要先把极片弄湿、再烘干？这就是他觉得电池制造的白痴部分。湿法涂布的设备、人工、厂房成本占整个电池制造的 22.76%。

所以根据第一性原理，特斯拉采用干法电极涂布制造，剔除NMP。

2019年特斯拉收购了超级电容企业Maxwell，正是为了获得干法电极涂布技术。

采用干法电极涂布技术，电极材料与粘合剂、导电剂等粉末混合后，直接压贴在极片表面。

这项技术的关键在于电级材料的粉末调配和粘合剂、导电剂的选择。

由于是直接压贴，并且不使用NMP，干式电极涂布对环境友好，整个制造工艺简单很多，可以制造出更厚的电极，增大材料密度，提高能量密度。

实验室数据显示，相比湿法电极涂布工艺，干法电极涂布的电极内阻一致性强，循环性能更加稳定。

但是由于4680大电池太大了，在极片涂布时出现瑕疵的概率会增加。

为了制造更厚的电极，涂布机需要增加压力，确保电极材料的平整型，特斯拉还需要自己琢磨设备工艺。这就导致4680的良品率不如设想中的高，做出来的电极不稳定，影响规模生产，进而影响成本降低。

前述高管称，虽然特斯拉的4680大电池难产，但它的市场前景还不错。失利仅仅是干法电极涂布工艺的失利，湿法涂布工艺依然奏效。

特斯拉、宝马等欧美系厂商的电池路线，主要放在46系大电池上。

除了中国市场磷酸铁锂电池的比重占70%之外，该高管向汽车商业评论展示，亚太市场、美洲市场、欧非市场的NCM（正极材料为镍钴锰）三元电池占比分别为60%、68%、65%。

该高管称，在续航里程普遍达到500公里以上的D级车和E级车上，是能量密度在250Wh/kg以上的46系大圆柱电池的主市场。

根据宝马集团的规划，从2025年起，将在“新世代”车型中使用46系大圆柱电池。

特斯拉自己不生产转向外购之后，不论是主力车型Model Y还是订单堆积的Cybertruck,都会促成一定规模的市场。

东北证券研报指出，2025年全球46系列大圆柱电池装机量有望达到255GWh，全球市场渗透率可提至20%。华泰证券预计，2027年全球大圆柱电池装机量达429GWh，对应的市场规模为2144.8亿元，2023-2027年年均复合增长率可达110.7%。