4月的新闻，特斯拉装载4680电池的「新车」终于开始交付了，不过还没有对外交付，而是先给了自家员工「试用」。
德克萨斯工厂的工程工艺技术员 Regan Janssen （右上角金发妹）在Linkedin上分享，她是第一批获得这个殊荣的。新车Model Y有着全新的4680电芯和新的电池架构。
那么4680是啥，就是直径46毫米，高度80毫米的圆柱体电芯。
看下特斯拉的电芯，开始是1865（直径18mm,长度65mm）后面变成了2170（直径21mm,长度70mm），现在则是4680（直径46毫米，长度80毫米）。
换成4680有啥好处呢，先看下特斯拉的官宣内容：
4680电池采用高镍正极+硅碳负极材料，以及无极耳技术，能量密度达300Wh/kg，电池容量较目前方案提升5倍、输出功率提升6倍，搭载该电池的电动汽车续航里程可提高16%，电池每千瓦时的成本可降低14%。当然特斯拉的宣传是一贯充满了各种噱头，极为符合马大嘴的个性。虽然的确有进步，但是也不是啥进步都能像他所说的，只要出自特斯拉，统统都是颠覆性革命。
首先，这300wh/kg的能量密度指的是单体电芯能量密度。由于电芯一般来说不能光电芯装车，还要组成电池包，中间还要装冷却系统、阻燃材料啥的，外面还要装框架，所以最终版本的系统能量密度实际估测和国内这两年开始商用的NCM811电芯的能量密度大致相当（180-200wh/kg）。
从国内Model Y 2022款长续航版本来看，增加16%续航，就是把原有的CLTC续航660公里增加到了765公里，如果折算成原来的NEDC续航，大概也就是600-700公里的续航。这个说实话，特斯拉车型新的续航并不会带给人惊艳和碾压的感觉，因为国内这两年发售的纯电车型有大把可以达到或者超过这个续航数据。
至于电池容量增加五倍，看体积对比就知道了，这里还是说的单体电芯增加5倍容量，不是说整个电池包的容量增加五倍。因为之前18650需要7200个电芯，2170需要4400个电芯，4680只需960个电芯。但电池包的体积放那里，一切要看系统能量密度，不能看单体电芯能量密度。
那么为啥，特斯拉要换4680电芯呢？因为成本降了啊，电池成本降14%，电池容量还增加了。
道理很简单，电池成本占据整车的40%-50%，电池成本下降14%，摊到整车上面怎么也要下降几个百分点。然而续航还增加了，这也就意味着车辆不仅不用降价，还可以小涨一波……这叠加起来，就是科技盈利的力量了……
另外特斯拉在切换4680电芯的同时，还弄了电池底盘一体化的设置，也就是业界正在热炒的 CTC （cell-to-chassis）。
简单介绍下相关名词，集成度从低到高。
CTM(Cell to Module) ：现在的主流动力电池模式，电芯组成模组，多个模组一起集成PACK，PACK装载在汽车底盘上。
CTP(Cell to Pack)： 直接取消了模组，多个电芯直接组成PACK，如比亚迪的刀片电池等，PACK装载在汽车底盘上。
CTC(Cell to chassis)： 直接电芯集成(一体化）到汽车的底盘上。
CTC的电芯成组，上面直接就是地板和座椅横梁，和底盘集成一体，然后再装配在车身上，这样可以利用电芯本身的机械构造来承担一部分框架的作用，能有效减少电池包的体积，增加空间利用率。
不过本来圆柱体的电芯在成组的空间利用率上就比不过方形电芯（圆柱叠加圆柱，之间不可避免有多处空隙），设计好的方形电芯成组的空间利用率可以达到80%以上，而4680（圆柱体）+CTC的成组空间利用率大概只有70%以上。
但是CTC技术除了能间接降低车身重量，提高电池包空间利用率这些好处外。关键又能和钱扯上关系，因为一体化集成，减少了大量的焊接（连接）工序，从而提高了生产效率，减少了中间的机器人，这就能降低成本。但CTC也有弊端，就是电池和底盘集成一起，一旦电池有问题了，就是要动底盘了，对动力电池售后的维护/维修就不是很友好了。一旦电池需要维修，价格会比现在的更加昂贵。
这个宣传稿稍微有点技术含量的，实际是无极耳技术和碳硅负极材料。
无极耳技术
先放一张之前公司做培训的一个图，方形电芯的极耳图。
所谓的极耳就是电池正负极集流体引出的金属导电体，电流通过极耳和电池外部连接，电池放电时，电子从正极极耳流向负极极耳，中间受到电池内阻的影响。
按照极耳数量可以分为单极耳，多极耳和全极耳。18650和21700采用的就是单极耳方式。但是单极耳的方式，充放电的时候，极易导致极耳教其他电芯位置的温度偏高。之前我的回答也提及过电池包温度探测点的布置问题，因为成本和空间的限制，针对电芯的极耳温度探测基本做不到，只能靠为数不多的模组探测点，用热流体仿真模型来估其中电芯的温度，但实际因为模拟计算不可能做到完全代表实际，这就会带来电池热失控的风险。
传统的电池是两个极耳（正负极各一个极耳），如果圆柱电池的直径越大，那么卷绕的越长，正极到负极的电子流通路径也越长，所受到内阻影响大，一方面发热增加，另一方面导电的效率也会降低。
而特斯拉的无级耳技术，实际应该说是全极耳，这个和方形电芯的全极耳也很类似，让极耳传导面积与集流体一致，正负极上分布均匀极耳，让电子不用绕远路。这样能增大极耳传导面积、缩短极耳的传导距离，降低电池传导内阻的阻碍，发热量下降，充放电也会更快速。
根据特斯拉的介绍，4680这种全极耳方式能大幅减少内阻发热，4680充放电的发热量只有原来2170的五分之一，且充电会比之前的更加快速，400V的4680电池组充到70%只需15分钟。
同时这个全极耳的设计，也能带来冷却的便利。电极本身可以制成完美的冷却板，电池内部的热量从电池的顶部和底部排出。
碳硅负极材料
锂动力电池的负极主流材料就是石墨。
石墨具备循环性能强、导电率高、锂离子扩散系数大，嵌锂容量高、嵌锂电位低等优点，且成本低，易加工，一直以来都是锂动力电池的负极材料首选。
但是随着能量密度提升的追求，石墨的理论极限也即将达到。现在石墨的理论比容量为372mAh/g，而现在商业化的锂动力电池已经触摸到了这个天花板，达到了330mAh/g以上。
所以为了追求更高的能量密度，拥有着十倍以上理论比容量的硅（理论比容量4200mAh/g）就成为了一个新的选择。这也就是负极掺硅的路线，能有效提高电池能量密度。
特斯拉碳硅负极的原理图，增加弹性离子聚合物涂层，稳定硅表面结构。
实际在2017年，特斯拉在2170电池里面，就尝试在石墨负极里面掺了硅合金5%，小小的提升了一点能量密度。
负极掺硅可以有效提升能量密度，但是硅本身也有缺点。石墨在嵌锂反应中体积膨胀不超过10%，而硅能膨胀360%，如果硅多了就而会引发种种副作用，如膨胀起来导致SEI膜破损等。
但圆柱体的电池结构，对于内部应力的表现比方形电芯更好，不锈钢机械强度大，圆形的承受应力均匀（这点也是NCA方案采用圆柱体电芯的原因）。
所以，这次预计特斯拉的掺硅率达到了10%，能有效的提升一部分能量密度，但还不至于影响安全。
最后说下，上面有些数据是预估，可能会有部分误差，具体还是要看后面搭载全新4680体系的特斯拉实车解析了。
（图片来源网络，侵删！）
参考资料：
1、https:// baijiahao.baidu.com/s? id=1679319240195877563&wfr=spider&for=pc
2、https://www. xianjichina.com/special /detail_497017.html
3、https://www. sohu.com/a/530990398_46 8134
4、http://www. chexun.com/2022-05-27/1 13742487.html
