新能源车又起飞！大火的4680电池将成为谁的踏板？
近来，新能源车的飓风可谓是越刮越大，不仅龙头宁德时代又抛出150亿元的扩产项目，锂电巨头松下也官宣4680电池接近商用成熟，拟对其墨西哥产能进行进一步扩产。
此外，亿纬锂能也分别投资305.21亿元和62亿元在荆门建设152.61GWh的锂电池及系统研发生产基地，以及20GWh乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目、16GWh方形磷酸铁锂电池生产线及辅助设施项目。
作为新能源车的动力来源，电池这一核心无疑处于关键位置，其成本约占整车的三分之一。“扩产潮”来临、4680电池量产等多方消息曝出，无疑又为新能源车的热潮添了一把火。
突然大火的4680电池到底是什么？
所谓4680，其实就是对电池尺寸的概括。46就是圆柱电池的直径为46mm，80是电池高度为80mm，这是特斯拉于去年“电池日”发布的新型电池。相比此前特斯拉使用的1865和2170尺寸的圆柱锂电池，4680电池的优势体现在电池容量、生产成本和效率。
据马斯克介绍，全新的4680型无极耳电池在改善成本的同时，电池容量方面将提高5倍，续航里程提高16%。此外，通过“无极耳”这一工艺可以降低电阻，使得散热和倍率问题得以解决。
电池容量提升的原因就在于尺寸增大，4680电池是2170电池容量的5倍，而容量提升自然也使得续航里程提升。而生产效率的提升和成本的降低则体现在大电芯上，同样用于75KWh的电动车里面，老版的1865需要7100个电芯左右，2170需要4400个电芯，而新型4680电池仅需要950个电芯，更少的单体数量意味着空间利用率的提高，同时生产组装需要的时间减少，所以成组效率大大提升，这也使得每千瓦时的成本降低了14%。
电池厂角逐4680大手笔布局
圆柱动力电池全球范围来看大规模使用的车企还是特斯拉。欧洲车企如戴姆勒、雷诺等主要使用软包电池，国内车企多使用方形电池。电池的选择和规划并不是短时间就能进行更改的，若4680电池正式推出，短时间来看主要的客户还是集中在特斯拉。
目前而言，松下似乎在此次角逐中占了先机。有报道称，松下在技术上基本已准备好量产特斯拉4680电池，目前公司正在日本打造一条产线并进行试产，待技术完备之后将迈向大规模生产。但是，放眼全球产业链，松下、宁德时代、LG新能源、亿纬锂能等企业都将是特斯拉4680电池的未来潜在合作方。
特斯拉此前刚刚宣布将逐渐采用磷酸铁锂电池替换三元锂电池，这意味着，宁德时代、亿纬锂能等企业仍将在4680电池的角逐中占有一席之地。毕竟4680只是一个尺寸，磷酸铁锂牌的4680电池也并无不可，甚至还能进一步降低成本，特斯拉显然不会放弃这一市场。
从目前各大电池厂商的动向也可以看出，产业链中的多方均在积极局部4680电池。以亿纬锂能为例，其投资463亿元建设的荆门动力储能电池产业园已经正式开工，涵盖锂电池全产业链，汇集了众多锂电行业龙头。在开工活动现场，亿纬锂能董事长刘金成明确表示，“有可能是全世界范围内最先量产的4680和4695电池的生产基地，这里生产的电池将装备给全球”。
此外，亿纬锂能的“20GWh乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目”中，也必然少不了4680这类大圆柱电池。
产业链多方有望受益
有机构报告此前指出，4680电池有望驱动三元高镍电池发展加快，含硅负极材料的使用比例也将得到提升，而其外壳制造工艺、极耳焊接等环节或将出现相应进步与变化。
具体到产业链环节，天风证券分析师孙潇雅指出，4680电池将带来全材料体系ASP的提升，其中有增量逻辑的是硅基负极、碳纳米管、LiFSI。
目前在相关产业链中，正负极材料方面，布局高镍正极的中伟股份、当升 科技 、容百 科技 等，硅碳负极的贝特瑞、璞泰来、杉杉股份等；结构件方面的科达利、斯莱克等；设备方面的由联赢激光、海目星等，这些企业在4680电池的角逐中都占有一席之地。
此外，亿纬锂能、科达利、中伟股份、中国宝安、天奈 科技 、天赐材料等公司也已纷纷布局，未来或将持续受益。
多种检测维度,让电池基础研发走得更远、更深
电池企业为新品取名时，往往赋予其富有特色的名字，如“4680”、“顶流”、”M3P”、“短刀”、“凝聚态”，以形成易于传播的记忆点，从主机厂到C端用户都能耳熟能详。如果我们抛开这些名字，电池回归本真，便能挖掘出新材料的发现、性能提升和产品创新那令人难以想象的深度和广度，揭开冰山底部的神秘世界。这个世界中，各种复杂的物理、化学、电化学过程交织在一起，如同神秘的冰洞。只有通过深入的基础研究，运用合理的检测手段，我们才能逐渐揭开这些奥秘，了解电池内部的微观机制，发现潜力和可能性。
优秀的电池，离不开更高效的工具。动力电池产品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、经久耐用和更低成本，是决定其是否能取得市场成功的关键因素。随着竞争的加剧，企业需要在“性能”、“安全性”、“成本”这三个方面进行全面升级。电池企业都想在这些关键因素上表现优异，这就需要超过同行的质量控制手段。首先，就要在研发环节，充分了解和控制电池相关材料的特性，选择良好的材料。材料从根本上决定着电池性能。通过改进材料提高电池性能、优化电池老化机制、应用新型材料、改变电芯结构是电芯研发的主要方向。
例如，在材料体系方面，采用新型材料体系（高镍正极、硅基负极、锂金属负极、固态电解质等），提高单体能量密度；或者研制出磷酸锰铁锂，探索钠离子电池的商业化应用，降低成本；或者加快固态电池的研发进程，使电池性能更高，更耐久。电芯形状方面，方形电池，尤其是LFP短刀兼顾性能、集成与制造，成为主流企业的优选方案之一；大圆柱电池也是热门方向，特斯拉和宝马均已提出具体的实施规划。快充技术方面，多家主机厂开始导入800V高电压平台，并联合电池企业推出2C~4C快充方案。
动力电池的技术趋势
来源：《纤毫毕现，答晌追根溯源–探索电池高效生产 打造高品质电池的奥秘》白皮书
材料的改性、新型材料的研制、电芯结构的设计，往往多策并举，促成电池的升级和创新。诸如，从2020年到现在，由特斯拉开局，国内电池企业共同推进的大圆柱电池拥有极其独特的杀手锏：由于采用钢壳的圆柱外壳以及定向泄压技术，电芯本身的束缚力比较均匀，有效抑制膨胀，为电池包的整体安全提供第一层的有力保障。这也使大圆柱电池在材料上的探索更加大胆，当下高比能路线下的主流用材，高镍三元正极材料、硅基负极材料在大圆柱电池上的使用变得更为广泛。全极耳设计，电池直接从正极/负极上的集流体引出电流，成倍增大电流传导面积，缩短电流传导距离，从而大幅降低电池内阻，提高充放电峰值功率。
来源：《4680：全极耳助力圆柱电池再起航》
对于更低成本的锰铁锂电池体系，宁德时代的M3P电池将在第三季度搭载于特斯拉国产Model 3改款车型。网络不断有消息指出M3P电池就是LFMP磷酸锰铁锂电池。宁德时代则在调研中表示，准确说来，M3P不是磷酸锰铁锂，还包含其他金属元素——该公司将其称为“磷酸盐体系的三元”。容百科技在8月10日的全球化战略发布会上指出，其LFMP率先实现了73产品（锰铁比）大批量供货，并以此为誉冲基推进LFMP与三元的复合产品M6P以及下一代工艺产品。他们认为，到2030年，广义的三元材料和磷庆举歼酸盐仍旧占据主体，三元里面的高镍材料、磷酸盐里面锰铁锂以及钠电都会迎来非常高速的增长。
另一方面，行业也需要支持更高倍率的动力电池。这就需要电池企业在加强电池热管理的同时，还要从电池材料（尤其是负极材料的选择和微观结构的设计）、电极设计、电池形状等出发，降低内阻、加强散热，提高电池的倍率性能。
硅负极温室电化学无定形反应机制
来源：《锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展》
目前已有多个企业推出快充电池方案。欣旺达在今年上海车展着重推出其闪充电池，在核心材料上部署了专有技术，自主设计闪充硅材料技术、高安全中镍正极和新型硅基体系电解液技术等关键技术，支持电动汽车10分钟可从20%充至80%SOC，让充电像加油一样快。
正所谓“工欲善其事，必先利其器”，更优秀的动力电池产品离不开更高效有力的检测工具。材料的微观结构表征是电芯研发的关键，目前多种材料表征方法被推出并得到广泛应用。在研发环节，工程师利用光学显微镜、X 射线显微镜、3D 检测来观察电极材料，检测电极缺陷并分析电池失效原理。还可观察材料的粒径尺寸、各种成分的配比及分布情况等，加深研发人员的认识和理解。这些都可以在提高研发效率的同时更好的改善电池性能，进而为材料、工艺的改进提供依据。
电池材料的二维显微成像和表征光学显微镜利用光学原理对物体进行放大，最早成型于 17 世纪。光学显微镜的分辨率与可见光的波长（390~780nm）有关，其最大放大倍数可达 1000 多倍，实现微米级别分辨率，在生命科学、材料科学等领域被广泛应用。在动力电池研发中，光学显微镜可用来观察电极结构，检测电极缺陷并分析电池失效原理、观察锂枝晶的生长行为等，进而为材料、工艺的改进提供依据。光学显微镜电极截面失效分析
来源：《纤毫毕现，追根溯源 – 探索电池高效生产 打造高品质电池的奥秘》白皮书
不过，由于受制于可见光的波长，光学显微镜的放大倍数有限，无法实现对更微观结构的观测，而电子显微镜则很好的解决了这个问题。电子显微镜最早由英国物理学家卢卡斯于 1931 年发明，利用电子束代替光束，最大放大倍数可达 300 万倍，实现纳米级别分辨率。由于电子显微镜具备更高的分辨率，在电池研发中，搭配不同的探头，可以得到多维度的信息（成分、表征信息，粒度尺寸，配料占比等），实现对正负极材料、导电剂、粘结剂及隔膜等更微观结构的检测（观察材料的形貌、分布状态、粒径大小、存在的缺陷等）。常用的观察样品表面形貌的电子显微镜是扫描电子显微镜(SEM)。由于具备高分辨率，SEM 能清楚地反映和记录材料的表面形貌特征，因此成为表征材料形貌最为便捷的手段之一。电池正负极材料、导电剂、粘结剂、隔膜SEM图
来源：蔡司（使用蔡司电子显微镜测试）
配合氩离子抛光技术（又称 CP 截面抛光技术），SEM可以完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。这也是目前最有效的制备锂电池材料极片解剖截面的制样方式。SEM还可以用来观测电池颗粒循环老化的情况。目前，经分析发现，颗粒碎裂表征成为学者改善正极材料性能的切入点。
电池检测：从 2D 走向3D
传统的检测手段通常局限在 2D 平面，但 2D 图像会有局部偏差（比如，制备样品时刚好切到没有问题的部位），3D 图像可以更好的表征材料结构，使检测结果更为直观，有助于加深研发人员的认识和理解，提高研发效率的同时更好的改善电池性能。在不对电池进行拆解的情况下，通过 X 射线显微镜可以对电池内部特定区域进行高分辨率成像，实现样品的 3D 无损成像，分辨电极颗粒与孔隙、隔膜与空气等，可以大大简化流程，节省时间。高分辨率显微 CT 可以实现电池内部结构的三维可视化，解决因拆卸等原因造成的内部结构二次损伤等难题，清晰地展示出电池内部的真实情况。在此，X 射线显微镜技术得到应用。电池内部高分辨率成像（扫描完整样品 - 选择感兴趣区域 - 放大并进行高分辨率成像）
来源：蔡司（使用蔡司 Xradia Versa 系列 X 射线显微镜测试）
当前，CT 成像的精度进入亚微米阶段，可以对电池材料及孔隙进行分析检测。在 X 射线显微镜的基础上，蔡司推出了可以实现随时间（4D）变化的微观结构演化表征方法。利用空间分辨率可达 50nm、体素尺寸低至 16nm 的真正的纳米级三维 X 射线成像，可以获得更多信息，识别更微小的细节特征。目前，X 射线显微镜可达到最高50nm 级别的分辨率，当需要研究更高分辨率的细节时，则需要用到新一代聚焦离子束（FIB）技术。FIB 利用高强度聚焦离子束（通常为镓离子）对材料进行纳米加工，配合扫描电镜（SEM），可同时实现对样品的