[电池完全征服](20)K-电池新希望：46xx圆柱电池来了

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SK集团首席副会长 Choi Jaewon 于本月10日（当地时间）在美国拉斯维加斯举行的全球最大电子·信息技术展会 CES 2024 上会见记者时表示：“圆柱形电池开发已经取得了相当大的进展”，正式宣布进军圆柱形电池市场。SK On 过去以方形铝壳软包电池为主力产品，如今决定通过增加方形铝壳和圆柱形产品来多元化产品线。

外界之所以关注 SK On 进军圆柱形电池市场，是因为其有望向特斯拉供货，尤其是是否开发 4680 圆柱形电池。

与现有 2170 电池相比，4680 电池在提升能量密度的同时降低了成本，因而备受瞩目，被视为下一代圆柱形电池。特斯拉在 2020 年9月举行的“电池日”活动上首次提及4680电池。目前，这款电池已应用在部分 Model Y 以及最近上市的皮卡 Cybertruck 上。但由于良品率问题，量产仍然面临困难。

继特斯拉之后，宝马也计划在 2025 年推出的自家电动汽车上采用直径 46 毫米的圆柱形电池。如果特斯拉和宝马的尝试能够顺利落地，其他电动汽车也很可能会相继采用 46 毫米尺寸的圆柱形电池。由此，主要电池芯企业正加快内部 46 毫米电池的开发进度。

自去年下半年起，全球电动汽车市场的增长势头出现放缓。有分析认为，这是电动汽车普及进入一定轨道后出现的一种“鸿沟”（chasm，阶段性需求停滞）现象。业界正关注即将登场的 46 毫米电池能否为电动汽车市场带来新的转机。

锂离子电池按外形大致可分为圆柱形、方形铝壳和软包三种。它们不仅形状不同，特性也各异，因形态差异而用途各不相同。

圆柱形电池（cylindrical battery）与我们日常接触到的 AA 规格干电池类似，为圆柱形。其制作方式是先将正极、隔膜和负极叠放后，在卷绕机上卷成圆柱形。卷好的形态被称为“果冻卷”（jelly roll）。完成的果冻卷装入铝制圆筒壳体，注入电解液后封装即可。

由于圆柱形是历史最悠久的形式，其规格已经实现标准化。可以实现大规模生产，因而具有生产成本较低的优势。锂离子电池最初也是以圆柱形形式实现商业化。

松下开发的圆柱形电池。从左到右分别为 1865、2170、4680 规格。

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特斯拉在 2008 年推出的首款电动汽车 Roadster 使用的是松下生产的 1865 规格圆柱形电池。由于这种电池为通用规格，采购方便，安全性在一定程度上已得到验证，且制造成本较低。不过，将圆柱形电池组合成电池组使用时，由于结构原因会产生空隙，导致能量密度偏低，这是其一大缺点。

方形铝壳电池（Prismatic battery）是外壳采用铝材的长方体电池。过去，其制作方式与圆柱形类似，先采用卷绕（winding）方式制成果冻卷，再装入长方体壳体。但这种方式会在壳体内部产生“死空间”（dead space），即无法利用的空隙。近来，业界开始采用取代卷绕的叠片（Stacking）方式，将极片一层层叠加。

方形铝壳电池在 1990 年代广泛应用于小型电子设备和智能手机。此后，随着软包（Pouch）电池的出现，其市场地位似乎一度动摇，但在进入电动汽车时代后又被大量采用。

方形铝壳电池由坚固的铝壳包裹，耐久性较好，且便于以堆叠方式装入电动汽车。中国宁德时代（CATL）利用方形铝壳的这一优势，提出了简化封装工艺的“电芯直连电池包”（Cell to Pack）方案，大幅降低了成本。

宁德时代的CTP电池系统

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由于方形铝壳电池为了保护电芯而采用较厚的外壳材料，因此相较软包更重。电芯之间的间距较小，散热管理较为困难，也是其缺点之一。

软包电池是在袋状薄膜壳体内叠加正极—隔膜—负极等材料填充内部，再封合，并在软包内注入电解液制成。软包电池可做得很薄，因此广泛应用于智能手机等对厚度要求较高的电子设备。

软包电池还具有空间利用率高、可提升能量密度的优点，因此在电动汽车中也被大量采用。其形态可多样化，便于定制生产，也是优势之一。但与其他类型相比，软包电池的机械强度较低，工艺复杂，生产成本较高。

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在电动汽车发展初期，各企业对电池外形（form factor）有各自偏好。电池芯企业也根据整车厂的需求划分主力产品。以特斯拉为主要客户的松下主要生产圆柱形电池。

在韩国国内，LG能源解决方案和 SK On 分别向通用汽车和福特供应软包电池。现代汽车·起亚在国内也主要使用韩国生产的软包电池。三星SDI则向宝马、大众等欧洲电动汽车企业供应方形铝壳电池。

宁德时代（CATL）、比亚迪（BYD）等中国企业主要生产方形铝壳电池。在全球电动汽车市场中，方形铝壳电池所占比重最高，这在很大程度上源于中国电动汽车的影响。根据 SNE Research 数据，截至 2023 年一季度，方形铝壳电池市占率为 65%，软包为 20%，圆柱形为 14%。

然而，按制造商划分的这种“隔间式”区分正逐渐消失。随着电动汽车种类日益多样化，整车厂根据电动车的用途、特性和设计，提出了多样化的电池形态需求。因此，电池企业不再固守一两种外形，而是开发、生产多类型电池。近来，方形铝壳电池的比重逐渐下降，软包和圆柱形电池的比重则不断上升。

整车企业也在通过多元化电池供应商来降低对特定企业的依赖度并分散风险。长期与 LG能源解决方案保持合作关系的通用汽车在 2023 年4月宣布，将与三星SDI在北美成立合资公司，生产方形铝壳和圆柱形电池，这是典型案例。现代汽车·起亚也不再固守只用韩国本土电池。对于电池企业而言，只有生产出满足客户多样化需求的产品，才能在这场“无限竞争”时代中生存。

尤其值得关注的是圆柱形电池采用比例的上升。曾一度被视为特斯拉“专属”的圆柱形电池，在 4680 电池发布后，宝马、沃尔沃、Stellantis 等其他车企也纷纷表现出兴趣。

随着 4680 电池的采用预计将不断增加，主要电池企业也争相投入开发。除特斯拉长期合作伙伴日本松下之外，韩国的 LG能源解决方案和三星SDI 也在推进研发。据悉，中国也有宁德时代（CATL）、亿纬能源（EVE Energy）、比亚迪等 5~6 家企业在开发相关产品。

所谓 4680 电池，是指直径 46 毫米、高度 80 毫米规格的电池。第一代圆柱形电池的规格为直径 18 毫米、高度 65 毫米的 1865；第二代为直径 21 毫米、高度 70 毫米的 2170。这些电池也被称为 18650、21700，即在末尾再加一个“0”。其中“0”表示圆柱形。

4680 电池自特斯拉在 2020 年9月“电池日”上首次提及后，开始受到广泛关注。当时特斯拉表示，这款电池的能量是现有 2170 的 5 倍，续航里程可提升 16%，功率可提升 6 倍。特斯拉还在正极材料中采用高镍，在负极材料中提高硅含量，以提升能量容量。

当规格从 2170 增大到 4680 时，体积约增加 5 倍。4680 圆柱形电池不仅仅是尺寸变大。特斯拉在 4680 电池中采用了有别于传统二次电池的电芯设计，并通过工艺和封装方式的创新，提出了将成本最多降低 56% 的目标。从那时起，特斯拉将如何实现这一目标便成为业界高度关注的焦点。

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在设计方面，4680 电池采用了取消极耳（tab）的“无极耳”（tabless）结构。传统圆柱形电池在电极与极柱之间会焊接一段电流通路，即所谓“引线极耳（lead tab）”，而 4680 则取消了这一结构。去除极耳并将整个电极表面作为导体使用，可以改善电子流动并均匀分散热量。

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但要在实际生产中实现这一设计，技术难度相当高。电池行业在利用无极耳技术构建大规模量产体系方面正面临诸多困难。

4680 电池的无极耳结构

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4680 电池在电极工艺中采用干法涂布，而非湿法涂布。电极工艺是指将正极材料和负极材料涂覆到集流体上的过程。传统方法是在制造电极时，将活性物质、导电剂和粘结剂与溶剂混合成浆料（slurry），再涂覆于集流体表面。在这种工艺中，电极在进入下一道工序前必须经过烘干过程。

相比之下，干法涂布不经由混入溶剂制成浆料的过程，而是直接将电极材料涂覆到集流体上。由于省略了烘干工序，可大幅节省时间和成本。但在不制备浆料的前提下实现均匀涂布，难度极高。

事实上，目前 4680 电池生产受阻的主要原因之一，正是电极工艺问题。

特斯拉于去年11月30日开始交付下一代电动皮卡 Cybertruck，仅预约订单数量就高达 200 万辆。但其生产速度却远远跟不上。Elon Musk 曾表示，到 2025 年，Cybertruck 的年产量有望达到 25 万辆。以这一速度计算，消费者至少需要等待 4 年才能提车。

然而，即便这一目标能否实现仍是未知数。根据路透社去年12月的报道，特斯拉在得州超级工厂（Giga Texas）生产的 4680 电池，仅足以供应年产 2.4 万辆 Cybertruck 所需。特斯拉在负极采用干法涂布基本没有问题，但在正极干法涂布工艺上却出现了障碍。为降低生产成本而引入的技术，反而成为降低良品率的原因。

目前，唯一实现 4680 圆柱形电池量产的企业是特斯拉。特斯拉在旧金山运营 4680 试验线，量产则在得州超级工厂进行。除特斯拉外，日本松下和 LG能源解决方案也在开发 4680 电池。考虑到 Cybertruck 的热度以及 4680 电池供应不足的现状，业界预期这些企业将迎来开拓新市场的机遇。

松下原计划在 2023 财年（2023 年4月~2024 年3月）启动面向特斯拉的 4680 电池量产，但已将计划推迟至 2024 财年上半年（2024 年4月~9月）。若按此计划推进，最迟在今年下半年，松下也将正式推出 4680 电池。

LG能源解决方案曾于 2022 年6月宣布，将向韩国梧仓第二工厂投资 5818 亿韩元，扩建年产 9 吉瓦时（GWh）规模的 4680 电池生产线。业界预计，LG能源解决方案也有望在 2024 年下半年实现 4680 电池量产。

LG能源解决方案员工展示在梧仓工厂生产的2170电池。照片由LG能源解决方案提供

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LG能源解决方案还计划在北美亚利桑那州工厂生产 4680 电池，拟将该厂打造为 4680 电池在北美的核心生产基地。其方案是先在作为“母工厂”的梧仓工厂完成技术验证，再在亚利桑那工厂建立大规模量产体系。为此，计划将产能从原先的 27GWh 提升至 36GWh。北美量产目标时间为 2025 年底。

以软包电池为主的 LG能源解决方案正在将产品线拓展至圆柱形电池。目前，梧仓第一工厂已在生产 2170 圆柱形电池。

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电池企业寄予厚望的另一大市场是宝马。该公司在 2022 年9月的活动中公开了直径 46 毫米的圆柱形电池，并宣布将应用于 2025 年推出的“Neue Klasse（新世代）”车型。

宝马采用的电池在直径上与特斯拉相同，均为 46 毫米，但高度不同。宝马公开了两种版本：高度 95 毫米的 4695 型和高度 125 毫米的 46125 型。宝马还提出目标：在现有基础上能量密度提升 20%，续航里程提升 30%，成本则减半。其正极材料将减少钴比例、提高镍含量，负极材料则采用硅。

BMW公开的直径为46毫米的圆柱形电池。照片由BMW提供

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宝马表示，将由中国宁德时代（CATL）和亿纬能源（EVE Energy）供应新一代圆柱形电池。为生产 46 毫米电池，宝马计划在中国新建 2 座工厂，在欧洲新建 2 座，在北美再建 2 座，每座工厂的年产能均为 20GWh。

宁德时代和亿纬能源分别于 2022 年9月和 2023 年5月宣布，与宝马签署建立圆柱形电池新工厂的合同。去年10月，有中国媒体报道称，长城汽车参股的蜂巢能源（SVOLT）也与宝马签署了价值逾 100 亿美元的电池供应订单，但宝马方面尚未发布正式声明。

中国EVE能源正在开发的4695圆柱形电池

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虽未得到宝马官方确认，但据传三星SDI 正在开发的 46 毫米圆柱形电池也是为了向宝马供货。三星SDI 已于 2023 年初建成 46 毫米圆柱形电池试验线，推进相关开发。据悉，其不仅生产 4680，还将生产 4695、46125 等多种规格。

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此外，中国的中创新航（CALB）、BAK、国轩（Guoxuan）等企业也在开发直径 46 毫米的圆柱形电池。目前尚不清楚这些企业将向哪些客户供应产品。

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