4680大圆柱电池之无极耳技术解说！
4680大圆柱电池是什么？
传统的圆柱电池可分为 18650 和 21700，特斯拉在 2020 年电池日上创造性地推出 4680 电池，在 21700 的基础上对电池直径和高度同时做了扩展，直径增加一倍多至46mm，高度增加至80mm。根据特斯拉公布的数据，相较21700，4680单颗电芯容量提升5倍，功率提升6倍，实现16%的续航里程提升的同时降本14%，且单GWh 投资成本降低7%。
4680电池示意图
不同尺寸圆柱电池工艺对比
4680“无极耳技术”
4680 电池采用全极耳（无极耳）技术，散热能力更强的同时极大程度降低了电阻。极耳是从电池正负极集流体中引出的金属导电体，与电池壳体（圆柱/方形）或者与外部模组结构件（软包）进行连接，电流必须流经极耳才能与电池外部连接。根据极耳数量、面积差异极耳可以分为单极耳、双极耳、多极耳以及无极耳（又称全极耳）等类型。无极耳电池是将整个正/负极集流体都变成极耳。通过集流体与电池壳体或集流盘的全面积连接，大幅降低电池内阻和发热量，解决高能量密度电芯的发热问题，并提高充放电峰值功率，帮助突破圆柱电池做大的瓶颈。无极耳并不是意味着电池结构中没有极耳，而是在正极或负极上增加很多极耳。根据特斯拉专利图可以看到 4680 电池的结构中正极上分布着均匀的极耳，负极则没有极耳结构，将负极直接与电池壳组合在一起，由整个电池壳负极的功能。
4680 极耳拆解图
那么什么是极耳？极耳有哪几种类型？日趋流行的无极耳设计又是什么？极耳数量对于电池性能有何影响？
极耳，是锂离子聚合物电池产品的一个组件。只要有锂电池的地方就会有极耳，比如我们生活中用到的手机电池、笔记本电池等都需要用到极耳。极耳作为充放电过程中电流传输的纽带，其导热导电性能的优劣也将影响电池的性能。
任何电池都是由正负电极、电解质、隔离膜及外壳组成的。当电池内部正极、隔膜、负极处理完成后，就需要焊接一个导电介质，把电芯和壳体连接起来。极耳就是这个从电芯中将正负极引出来的金属导电介质。通俗的说，电池正负两极的耳朵是在进行充放电时的接触点，但这个接触点并不是我们看到的电池外表的那个铜片，而是电池内部的一种连接。
按照不同的分类依据，极耳可以分为四类。
1、按极耳数量分：单极耳、双极耳/多极耳、全极耳-软连接、全极耳-硬连接（无极耳）。
2、按极耳成品包装分：盘式和板式。
3、按极耳胶分：黑胶、黄胶、白胶。
4、按极耳金属带材质分：电池的正极使用铝(Al)材料，负极使用镍(Ni)材料，或者是铜镀镍(Ni-Cu)材料。
1、单极耳：一般的小电池里面有正极和负极片各一张，每张极片上面有一个极耳伸出来传导电流。
2、双极耳/多极耳：如果只用一个极耳的话，电流充放电时会导致内阻过大，极易引发各种安全问题，所以现在的电池就逐步使用两个极耳，甚至多极耳。比如在叠片工艺上，每一层极片都有一个极耳。
3、全极耳-软连接：目前国内圆柱电池形成了全极耳软连接与硬连接两种主流形式。其中软连接方式是指，集流盘带有一段极耳连接壳体。
4、全极耳的硬连接＝无极耳：我们经常听到的“无极耳电池”，更准确的来讲，就是“全极耳电池”。
先来介绍一个名词：集流体，就是汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔等。在充放电的过程中，电子会沿着集流体的方向前进，直到到达极耳的位置。
所谓的“无极耳”就是将整个正/负极集流体变成极耳，通过集流体与电池外壳或者集流盘直接连接，这样就能够增大电流传导面积、缩短电流的传导距离。
无极耳设计主要优势如下：
1、提升安全性，增加电池效率。传统电池的单极耳承担汇集电流的作用，因此会产生发热现象。但是无极耳电池在电池内部是不存在集中发热点。传统的圆柱体电池，正负极铜箔、铝箔以及隔膜叠加卷绕，为引出电极，会在铜箔和铝箔的两端分别焊接一个导引线：极耳。传统的 1860 电池卷绕长度是 800mm，意味着电流要通过 800mm 长的导线，对应电阻大约是 20mΩ；2170 电池卷绕长度为 1000mm，则电流导出通过的长度就需要 1000mm，电阻约为 23mΩ；4680 电池将整个集流体变成极耳，电流从沿极耳到集流盘横向运输变成集流体纵向传输，原本的 800-1000mm 的导电长度锐减到 80mm（对应电池高度，纵向运输），电阻降低至 2mΩ，内阻消耗由 2W 降低到 0.2W，最大程度提升电池输出功率。
2、降低生产成本。国内大圆柱电池研发公司比克电池提到，采用无极耳4680 大圆柱对 BMS 各方面的管控要求会降低，成本也会相应下降。4680 电设备容量为 25Ah，18650 为 3Ah，存在 8 倍以上的差距，意味着原来一个电池包需要 8000 多颗 18650，使用 4680 替换只需要 1000 节。
3、快充性能提升。15 分钟内可将电池从 10%充至 80%的电量，即一辆续航600 公里的车，在充电站停 10- 15 分钟，可以满足 400-500 公里续航。
4680“无极耳技术”焊接难度大大提升
根据国轩高科在《一种圆柱形锂离子电池装配工艺》的专利中的描述，全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺包含如下步骤：揉平、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、周边焊和氦检。
1、揉平工序：将卷芯正负极两端的全极耳整形、揉挤成平面且高出隔膜一定距离，便于后续焊接集流盘；
2、包胶工序：将揉平后的卷芯正负极两端包覆绝缘胶带，防止全极耳与金属壳体接触发生短路；
3、入壳工序：顶推装置将包覆绝缘胶带后的卷芯推入壳体；
4、集流盘焊接工序：将正负极集流盘分别焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上；
5、合盖工序：将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压并与壳体紧密结合， 实现集流盘与盖板的铆合连接，再经预点焊定型；
6、周边焊工序：将合盖好的圆柱锂离子电池进行周边封口焊接；
7、氦检工序：将周边焊后的圆柱锂离子电池采用氦检设备进行气密性检测，气密性合格的电池继续流转，气密性不合格的电池进行返工或报废。全极耳与集流盘或壳体连接中，对激光焊接技术要求较高：从传统两个极耳的点焊到全极耳的面焊，焊接工序和焊接量都变多，激光强度和聚焦不容易控制，容易焊穿烧到电芯内部或虚焊，因此，大大提升了激光焊接的难度，对于激光焊接设备提出更加高的要求。
4680 电池相对于方壳电池在焊接方面的改变主要包括：
1、全极耳设计相对于传统电池的极耳结构，焊接面积和焊接难度加大；
2、圆柱电池比方形电池多两个焊接点；
3、由于单个圆柱电池体积小于方壳电池，因而带同样电量的电动车需要搭载的圆柱电池数量数倍于方壳电池，需要焊接的电池数量相应增加。
特斯拉主导大圆柱电池，带动多家整车厂入场，电池厂加速布局产能。目前特斯拉德州超级工厂已在批产搭载于 Model Y 的 4680 电池。宝马 4695 电池有望在 2024 年量产，或成为其纯电平台 Neue Klasse 的主力电池。此外，蔚来、江淮、保时捷、东风岚图等多家整车厂也明确表示旗下车型将会搭载 4680 大圆柱电池。在此背景下，国内海外电池厂加速布局大圆柱电池产能。
电池厂 4680 布局情况
