大圆柱锂电池发展趋势：现状、突破与挑战！
锂电那些事今日第三条2025年05月23日 星期五
一、发展现状
自特斯拉 2020 年推出 4680 大圆柱电池以来，全球车企和电池厂商对大圆柱电池技术给予了高度关注。这一技术路线的兴起，让圆柱电池在电动汽车市场中重新成为焦点。多家电池企业，如宁德时代、亿纬锂能、中创新航等，纷纷推出高能量密度、快充倍率优异的 46 系大圆柱电池，并将合作研发、建厂、规划产能产线以及量产提上日程。从全球范围来看，已装车应用的圆柱电池规格繁多，除了常见的 18650、21700 外，32135、33140、34200、40135、4680、4695、46210 以及 60130 等都属于大圆柱电池范畴。然而，大部分应用于国内市场的大圆柱电池在量产时间上有所滞后，而特斯拉在海外市场率先实现了 4680 电池于 2023 年 Q1 的量产，2023 年 Q3 实现量产的 4695 电池也将被宝马应用于新世代平台，据信该电池可将电动车续航里程提高 30%。
在中国市场，大圆柱动力电池需求从 2023 年 Q1 到 2024 年 Q1 呈现出显著变化。34200 大圆柱电池需求强劲，虽市场份额从 57.7% 下降到 49.5%，但仍占据主导地位；32135 市场份额大幅缩减，从 34.3% 下降到 19.1%；60130 和 4695 电池市场份额显著上升，60130 从 3.8% 上升到 22.9% 。从市场竞争格局看，宁福新能源和亿纬锂能市场份额增长显著，中国大圆柱动力电池市场规模稳步增长，配套车型数量从 2022 年的 18 台增加至 2024 年第一季度的 38 台。材料选择上，中国动力电池市场主流为磷酸铁锂，大圆柱动力电池也以铁锂为主，总装机量占市场 94%。具体规格型号中，34200 因续航里程和成本优势应用最广泛，2024 年 Q1 装机量达 736MWh，其次是 60130 装机量为 340MWh，32135 也有较多应用；三元锂电池仅占 6%，目前只有 4695 一种规格，2024 年 Q1 装机量 83MWh。
二、技术趋势
（一）材料体系创新
高镍正极材料：为提升大圆柱电池的能量密度，高镍正极材料成为重要发展方向。如 NCM（镍钴锰酸锂）和 NCA（镍钴铝酸锂）等高镍三元材料，通过提高镍含量，可显著提升电池的比容量。例如，NCM811（镍钴锰比例为 8:1:1）相较于低镍材料，能实现更高的能量密度，有望满足电动汽车对长续航的需求。但高镍正极材料也面临着热稳定性差、循环寿命短等问题，需要通过材料表面包覆、体相掺杂等技术手段来改善其性能，提高电池的安全性和稳定性。2.硅基负极材料：硅基负极材料具有极高的理论比容量（高达 4200mAh/g，远高于传统石墨负极的 340-370mAh/g），是提升电池能量密度的关键材料。大圆柱电池的圆柱形极片在发生膨胀时受力均匀，不易受损，与硅负极具有更好的兼容性。然而，硅基负极在充放电过程中会产生巨大的体积变化（高达 300%-400%），导致电极结构破坏、容量快速衰减以及循环寿命缩短。为此，需要通过纳米化、复合化（如硅碳复合材料）以及电解液添加剂等技术，缓解硅基负极的体积膨胀问题，提高其循环稳定性和倍率性能，以实现其在大圆柱电池中的大规模应用。（二）结构设计优化
全极耳（无极耳）技术：以特斯拉 4680 电池为代表的全极耳技术，通过在电极端镀上导电材料，使正负极集流体直接与盖板、壳体连接，实现电流在电极集流体、盖板、壳体之间的传导，大大缩短了电子传输路径。这一技术有效减小了电池内阻，解决了散热问题，并降低了电池成本。在高倍率充放电时，全极耳结构能够使电流分布更加均匀，减少局部过热现象，提升电池的快充性能和循环寿命。但在实际应用中，全极耳结构也面临着极耳与集流体焊接工艺复杂、一致性难以保证等挑战，需要进一步优化焊接工艺和制造流程。（三）制造工艺改进
干法电极工艺：特斯拉 4680 电池提出的干法电极工艺是制造工艺上的重大创新。该工艺将正负极颗粒与聚四氟乙烯混合纤维化后，直接压制在铝箔或铜箔上制备电极片，省去了传统湿法工艺中的涂布、烘干、溶剂回收等繁琐流程。干法工艺不仅能够增效降本，减少生产过程中的资金投入，还能提升电池能量密度，适配高镍、掺硅电池体系，延长电池使用寿命。然而，目前特斯拉在正极材料上仍部分采用湿法工艺，实现正负极均为干法工艺的大规模量产还面临一些技术挑战，如材料混合均匀性控制、电极片成型质量等问题，需要进一步攻克。高精度制造与自动化生产：大圆柱电池对制造精度和生产一致性要求极高。在生产过程中，通过采用先进的自动化设备和高精度检测技术，如激光焊接、高精度卷绕设备、在线无损检测系统等，能够提高电池生产的效率和质量稳定性。例如，在极耳与集流盘、壳体的焊接环节，激光工艺凭借其精度高、熔深可控、温度控制好等优势，在成熟度提升和成本下降的情况下，有望成为主流焊接工艺，确保焊接质量的一致性，减少因焊接缺陷导致的电池性能问题。同时，自动化生产线的应用还能降低人工成本，提高生产效率，满足大规模产业化生产的需求。
三、市场趋势
（一）电动汽车领域
中高端车型应用加速：大圆柱电池凭借其高能量密度、强快充能力、高安全性和较长使用寿命等优势，在中高端电动汽车领域具有广阔的应用前景。特斯拉的 Cybertruck 和 Model Y 等车型已经采用 4680 电池，为消费者带来了更长的续航里程和更好的充电体验。宝马、蔚来等车企也在快速跟进布局，计划在新车型中搭载大圆柱电池。随着这些车企相关车型的陆续推出和市场推广，大圆柱电池在中高端电动汽车市场的渗透率将逐步提高，推动电动汽车性能的整体提升，满足消费者对高品质、高性能电动汽车的需求。推动电动汽车成本下降：随着大圆柱电池技术的成熟和规模化生产，其成本将逐渐降低。一方面，单体电池尺寸和容量的提升，使得电池包的空间利用率和成组效率提高，从而降低了电池包的整体成本；另一方面，制造工艺的改进，如干法电极工艺的应用，减少了生产环节和材料消耗，进一步降低了生产成本。成本的下降将使电动汽车在价格上更具竞争力，缩小与传统燃油汽车的价格差距，促进电动汽车的市场普及，推动整个电动汽车产业的快速发展。
（二）储能领域
户用储能与便携式储能成为增长点：在储能领域，大圆柱电池在户用储能和便携式储能等领域展现出巨大的市场潜力。传统的便携式和户用储能多采用 18650 和 21700 等小圆柱电池，而目前市场正加速向 3 系、4 系大圆柱电池转移。大圆柱电池在保持圆柱电池高安全性和稳定性的基础上，提供了更高的成组效率和更低的成本。例如，在户用储能场景中，大圆柱电池能够更好地满足家庭对储能设备高能量密度、长循环寿命以及安全性的要求，实现家庭电能的高效存储和合理利用；在便携式储能领域，大圆柱电池的应用可以为户外旅行、应急供电等场景提供更强大、更便捷的电力支持，满足消费者对移动电源大容量、轻量化的需求。据高工产研（GGII）数据，2024 年户用储能领域大圆柱电池应用已达 GWh 规模，便携式储能、户用储能对电池倍率性要求更高的场景出货同比增速在 2024 年突破 100%，预计到 2030 年出货量将达 100GWh。工商业储能市场逐步拓展：除了户用和便携式储能，大圆柱电池也开始在工商业储能领域崭露头角。随着分布式能源的快速发展和企业对能源管理需求的增加，工商业储能市场规模不断扩大。大圆柱电池具有较高的能量密度和良好的充放电性能，能够满足工商业储能系统对大容量、高功率的要求。例如，在一些工业园区、数据中心等场所，安装大圆柱电池储能系统可以实现峰谷电价差套利、电力需求响应等功能，帮助企业降低用电成本，提高能源利用效率。时代联合的第五代 “60 系列” LFP 储能大圆柱电池已面市应用，标志着大圆柱电池在工商业储能领域迈出了重要一步，未来有望在该领域获得更广泛的应用。
（三）其他新兴领域
电动航空与无人机应用：随着电动航空技术的发展，大圆柱电池逐步进入飞行汽车（eVTOL）和无人机等高技术应用领域。在这些领域，对电池的能量密度、功率密度和安全性要求极高。大圆柱电池的高能量密度特性能够为电动飞行器提供更长的续航里程，满足飞行需求；其良好的散热性能和结构稳定性，有助于保障飞行器在复杂工况下的安全运行。例如，在无人机领域，大圆柱电池的应用可以提升无人机的载重能力和飞行时间，拓展无人机在物流配送、测绘、巡检等领域的应用场景；在飞行汽车领域，大圆柱电池技术的进步将为实现城市空中交通的商业化运营提供关键支撑。电动工具与小型动力设备市场拓展：全极耳技术的成熟使得小圆柱电池在电动工具和无人机等领域得到广泛应用，这也推动了大圆柱电池在高倍率领域的渗透。在电动工具市场，大圆柱电池凭借其高功率输出和长循环寿命，能够为电动扳手、电锯等工具提供更强劲、更持久的动力，提高工作效率，减少充电次数。同时，大圆柱电池的标准化和规模化生产，有助于降低电动工具的制造成本，提升产品竞争力，进一步拓展其在小型动力设备市场的应用范围。
四、挑战与应对策略
（一）技术挑战与应对
热安全与产气问题：动力大圆柱电池通常采用高镍正极材料与掺硅负极材料体系，虽提升了能量密度，但带来了产气和热安全等问题。硅负极的导电性较差，膨胀特性对电池寿命和性能影响大，尤其在快充需求增大时压力剧增。为应对这些问题，需要从材料、结构和热管理系统等多方面入手。在材料方面，通过对高镍正极材料进行表面包覆、元素掺杂等改性处理，提高其热稳定性；对硅基负极采用纳米化、复合化技术，并添加合适的导电剂和电解液添加剂，改善其导电性和抑制体积膨胀。在结构设计上，优化电池内部结构，如采用全极耳技术改善电流分布，降低产热；设计新型散热结构，如太蓝新能源的 “轴心直通” 散热结构，增强散热能力。在热管理系统方面，开发高效的液冷、风冷或相变材料冷却系统，实时监测和控制电池温度，确保电池在安全温度范围内工作。快充性能与寿命平衡：大圆柱电池的快速充电需求加剧了技术复杂性。全极耳结构虽提升充电效率，但高倍率充电下电池容量衰减快，影响寿命。要解决这一问题，需优化极耳结构设计，例如通过改进极耳的形状、尺寸和材料，提高电流收集效率，减少电阻和发热；同时，研发适配快充的材料体系，如选择高离子电导率的电解质、具有良好快充性能的正负极材料，并通过材料的微观结构调控，提高材料在高倍率充放电下的稳定性。此外，采用先进的电池管理系统（BMS），精确控制充电电流和电压，根据电池状态动态调整充电策略，在保证快充性能的同时，延长电池使用寿命。
（二）成本挑战与应对
材料成本控制：大圆柱电池中，高镍正极材料和硅基负极材料成本相对较高，影响了电池的整体成本竞争力。为降低材料成本，一方面需要通过技术创新提高材料的性能和生产效率，实现规模化生产，从而降低单位材料成本。例如，在高镍正极材料生产中，优化合成工艺，提高产品纯度和一致性，降低废品率；在硅基负极材料制备上，开发低成本的合成方法和规模化生产技术。另一方面，加强与原材料供应商的合作，建立长期稳定的供应关系，通过集中采购、签订长期合同等方式，争取更有利的采购价格；同时，积极探索替代材料，在保证电池性能的前提下，寻找成本更低的材料体系，降低对高成本材料的依赖。制造成本降低：制造工艺的复杂性和设备投资成本高也是大圆柱电池成本居高不下的原因之一。以特斯拉 4680 电池的干法电极工艺为例，虽然该工艺具有降低成本的潜力，但目前在量产过程中仍面临诸多挑战，导致成本优势未能充分体现。为降 低 制造成本，需要持续优化制造工艺，提高工艺的稳定性和可靠性，减少生产过程中的不良率和返工率。同时，加大对制造设备的研发投入，开发更高效、更自动化的生产设备，提高生产效率，降低人工成本。此外，通过优化工厂布局和生产流程，实现精益生产，减少生产环节中的浪费，进一步降低 制造成本。
（三）市场竞争挑战与应对
方形电池技术竞争：在动力电池市场，方形电池凭借其自身的优势，如较高的成组效率、灵活的设计等，占据了较大的市场份额，并且在技术迭代方面也在不断进步，给大圆柱电池带来了激烈的竞争压力。大圆柱电池企业需要充分发挥自身技术优势，如高能量密度、良好的散热性能和标准化生产等，针对不同应用场景进行产品优化和市场定位。在电动汽车领域，重点突出大圆柱电池在中高端车型上的续航里程和快充优势；在储能领域，强调其高安全性、长循环寿命和成本效益。同时，加强技术研发和创新，持续提升产品性能，缩小与方形电池在成组效率等方面的差距，通过差异化竞争赢得市场份额。市场份额争夺与客户拓展：随着大圆柱电池市场的发展，越来越多的企业进入该领域，市场竞争日益激烈，如何争夺市场份额和拓展客户成为企业面临的重要挑战。电池企业需要加强品牌建设，提高产品质量和服务水平，树立良好的企业形象，增强客户对产品的信任度和认可度。加强与车企、储能系统集成商等客户的合作深度和广度，建立长期稳定的合作关系，根据客户需求提供定制化的解决方案，满足客户多样化的需求。同时，积极开拓新兴市场和应用领域，如电动航空、电动船舶等，寻找新的市场增长点，扩大市场份额。
五、总结与展望
大圆柱锂电池在技术创新和市场需求的双重驱动下，展现出了广阔的发展前景。在技术方面，通过材料体系创新、结构设计优化和制造工艺改进，不断提升电池的能量密度、快充性能、安全性和循环寿命等关键性能指标；在市场方面，在电动汽车、储能以及其他新兴领域的应用逐步拓展，市场规模不断扩大。然而，大圆柱电池在发展过程中也面临着诸多挑战，如技术瓶颈的突破、成本的有效控制以及激烈的市场竞争等。为了实现大圆柱电池技术的持续发展和市场的广泛应用，需要产业链上下游企业共同努力，加强技术研发合作，加大资金和人才投入，攻克技术难题，降低成本，提升产品竞争力。预计未来，随着技术的成熟和市场的进一步发展，大圆柱电池将在新能源产业中占据重要地位，为推动全球能源转型和可持续发展发挥关键作用。
