特斯拉 4680 电池与比亚迪刀片电池的设计、材料、性能及工艺流程对比

推荐阅读：本文对比了特斯拉 4680 电池和比亚迪刀片电池，剖析其差异，为电池研发提供参考。

　　

一、引言

在 2023 年，特斯拉（Tesla）和比亚迪（BYD）在电动汽车电池市场占据重要地位。特斯拉作为锂离子电池（LIBs）应用的先驱，在欧美市场销量领先；比亚迪从电池制造商起步，在电池到整车的创新方面表现突出，2024 年其电动汽车总销量超越特斯拉。

特斯拉 4680 圆柱形电池自 2022 年开始生产，相比之前的 21700 电池，体积和容量大幅增加，能量密度更高，成本降低，且采用无极耳设计。比亚迪则依靠刀片电池，凭借独特设计，旨在实现低成本、高安全性和长寿命。

然而，电池制造商提供的电池规格书信息有限，缺乏测试条件、充电限制和老化行为等关键内容，详细的机械结构和电池特性信息也很少公开。电动汽车用锂离子电池的发展聚焦于优化成本、能量密度和功率性能，同时保证安全性和使用寿命。不同的电池化学体系适用于不同应用场景，如磷酸铁锂（LFP）电池成本低、寿命长，适合经济型汽车；高镍化学体系（如 NMC811）能量密度高，适用于高性能、高成本汽车。近年来，大尺寸电池成为趋势，因其能提高单电池能量含量，降低系统集成复杂度。

本文旨在对比成本导向的比亚迪刀片电池和性能导向的特斯拉 4680 电池，分析两者在机械、电气、材料和工艺设计等方面的差异，为下一代棱柱形或圆柱形锂离子电池设计提供参考，补充相关研究数据，加深对不同电池设计优缺点的理解。研究选取 2022 款特斯拉 Model Y 中的 4680 电池和 2023 年从中国经销商处购入的全新比亚迪刀片电池进行拆解分析。

二、结果与讨论

（一）机械设计和生产流程

1. 电池外形与结构：特斯拉 4680 电池为大尺寸圆柱形，比亚迪刀片电池为大尺寸棱柱形。比亚迪刀片电池采用螺纹侧端子，便于电池间连接，棱柱形设计使其具备此优势，且两侧有定位销。其铝制外壳使用粘性聚对苯二甲酸乙二酯（PET）箔绝缘；特斯拉 4680 电池外壳可能为镀镍钢，无直接绝缘。
2. 电池化学体系与性能：特斯拉 4680 电池采用 NMC811 化学体系，比亚迪刀片电池采用 LFP 化学体系。通过 C/10 恒流恒压（CCCV）充放电测试，在特定截止电流下测量电池容量和标称电压。结果显示，特斯拉 4680 电池在能量密度上具有优势，其重量能量密度为 241.01 Wh/kg，体积能量密度为 643.3 Wh/l，分别是比亚迪刀片电池（160 Wh/kg、355.26 Wh/l）的 1.5 倍和 1.8 倍。但两者正极活性材料（CAM）的利用率相近，分别为 33.45% 和 30.3%。
3. 电池外壳设计：特斯拉 4680 电池底部排气，外壳为负极，通过密封环绝缘正极；比亚迪刀片电池侧面排气，外壳与正负极绝缘，通过塑料支架和橡胶 O 型圈绝缘端子。特斯拉 4680 电池电解液填充孔用铜盲铆钉封闭，比亚迪刀片电池则焊接封闭。
4. 电极配置：比亚迪刀片电池采用单 Z 型折叠电极堆叠，包含 38 个双面涂层阴极片、39 个双面涂层阳极片和 79 层隔膜；隔膜边缘层压密封，堆叠顶部有塑料导轨固定，整体用透明绝缘袋包裹。特斯拉 4680 电池采用果冻卷结构，由隔膜包裹，上下用胶带固定，中心为空，便于生产时连接阴极极耳。
5. 电极连接方式：比亚迪刀片电池电极通过典型的连接片伸出堆叠，采用超声焊接和激光焊接两种技术连接到母线，超声焊接先连接电极层连接片，激光焊接将预连接的连接片与母线焊接，这种设计节省空间。特斯拉 4680 电池采用无极耳设计，电极边缘斜切折叠形成接触表面，极耳通过激光焊接到果冻卷，阴极极耳点焊到端子，阳极极耳激光焊接到电池外壳。
6. 电极尺寸：拆解电池测量电极尺寸，发现两者电极箔厚度和阴极涂层厚度相似，但特斯拉 4680 电池阳极涂层厚度几乎是比亚迪刀片电池的两倍，以匹配其更高比能的阴极。两者电极集流体连接片边缘都有绝缘涂层，防止短路。比亚迪刀片电池电极电流路径比特斯拉 4680 电池长，且两者隔膜对阳极、阳极对阴极的突出量均为 1 - 2mm。
7. 生产工艺流程：分析电池机械特征和组件，对比理想工艺流程确定两者生产流程。电极生产过程相似，但电池组装步骤不同。特斯拉 4680 电池通过卷绕形成果冻卷，采用边缘弯曲密封；比亚迪刀片电池采用 Z 型折叠堆叠，需要多次激光焊接封闭。虽然比亚迪刀片电池组装步骤多，但单位组装能量含量约为特斯拉 4680 电池的五倍，达到相同生产输出（kWh）时，其组装数量仅为后者的五分之一。
8. 材料与材料成本：分别称重电池各组件分析重量分布，特斯拉 4680 电池钢外壳占比大，比亚迪刀片电池基板箔重量占比高，两者活性材料重量占比均约为 60%，大尺寸电池被动组件占比小的优势不明显。根据 2024 年 8 月材料价格估算成本，LFP 电池因材料成本低，每 kWh 价格比 NMC811 电池便宜 10 欧元，但比亚迪刀片电池每 kWh 的阳极活性材料（AAM）成本更高，因其每 kWh 的 AAM 用量为 1.35kg，高于特斯拉 4680 电池的 1.03kg，表明特斯拉电池使用了更高能量密度的 AAM 材料或更低的阳极容量与阴极容量比（NP 比）。

（二）电气性能

1. 电池热效率：按照标准 ISO 12405 - 4，在不同温度和荷电状态（SOC）下测量电池内部直流（DC）电阻。结果显示，两种电池电阻均随温度降低而增加。特斯拉 4680 电池在高 SOC 和低温下电阻增加，比亚迪刀片电池电阻随 SOC 升高而降低，原因可能与阳极锂浓度导致的电荷转移电阻变化有关，但需进一步研究。通过特定公式计算体积比热，发现特斯拉 4680 电池在 1C 负载下产生的热量约为比亚迪刀片电池的 2 倍，意味着在相同功率需求系统中，其冷却系统需散去更多热量，因此 LFP 电极设计更有利于快速充电冷却策略设计。

（三）电极材料研究

1. 材料表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察电极形貌，能谱分析（EDX）检测元素组成。结果显示，两种电池电极均未发现硅（Si）或二氧化硅（SiO_x）。比亚迪刀片电池阳极碳材料颗粒呈片状，比表面积大，可能需要更多粘结剂；特斯拉 4680 电池阳极颗粒边缘更圆且更大。比亚迪刀片电池阴极由纳米级 LFP 初级颗粒聚集而成，含碳纳米管提高导电性和粘结性；特斯拉 4680 电池阴极是典型的 10μm 左右 NMC 球形多晶二次颗粒，表面因压延工艺变平。EDX 分析表明，两种电池阴极碳含量高，可能是导电添加剂或材料颗粒表面碳涂层，且两种电池阳极碳含量均约为 90%。
2. 热分析：利用热重分析（TGA）研究电极热稳定性。比亚迪刀片电池阳极在 200 - 300°C 和 300 - 450°C 分别出现羧甲基纤维素粘结剂（CMC）和丁苯橡胶（SBR）分解峰；特斯拉 4680 电池阳极在 300 - 350°C、380°C 和 450°C 分别出现聚丙烯酸（PAA）链断裂、聚环氧乙烷（PEO）降解和 PAA 降解为单体的峰。比亚迪刀片电池阴极在 400 - 500°C 出现聚偏二氟乙烯（PVdF）粘结剂分解导致的轻微质量损失；特斯拉 4680 电池阴极在 200 - 300°C 和 300 - 450°C 出现可能对应 CMC 和 SBR 分解的峰，表明其阴极制造工艺可能不同于典型的基于 PVdF - N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮的工艺。

三、研究方法

1. 电池表征实验：使用 AMETEK SI - 9300R 电池分析仪在 Weisstechnik 气候箱中对电池进行电气表征，控制温度测试，采用四点传感法（分离检测和电源线），使用屏蔽电缆，电气接触单元设计有 1.5 倍以上电流安全系数。
2. 电池拆解与样本处理：在氩气环境的 MBraun 手套箱中，用机械工具拆解电池，使用 Dremel 工具和金刚石切割片打开特斯拉 4680 电池，用钳子打开比亚迪刀片电池。拆解前用 AMETEK SI - 9300R 电池分析仪以 0.1C 恒流恒压放电至 0% SOC，在手套箱中用陶瓷刀或剪刀从电极内部取样，密封在袋箔中用于后续材料分析。
3. 材料分析方法：使用 SEM（Carl Zeiss AURIGA）观察电极颗粒形貌和表面形貌，表面分析加速电压为 3kV，EDX 分析为 15 - 20kV，EDX 使用 X - max 80mm²探测器，数据用 INCA 软件（Oxford Instruments）评估。TGA 使用 TA Instruments 的 SDT IR Q500，取 5mm 样品置于铂坩埚，在 30°C 平衡 40min，氦气平衡流量 30mL/min，质量流量 10mL/min，以 5K/min 升温至 500°C 进行测量。

四、资源可用性

1. 联系人信息：如需更多信息、资源和试剂，可联系第一作者 Jonas Gorsch（[e-mail] - aachen.de）。
2. 材料与数据可用性：本研究未生成新的独特试剂。研究中电池电气行为和机械性能数据，以及重新分析数据所需的其他信息，可向第一作者索取。本文未报告原始代码。

五、研究总结

本文对特斯拉 4680 电池和比亚迪刀片电池进行了全面对比分析，揭示了两者在机械设计、生产工艺、电气性能和材料组成等方面的显著差异。在机械设计上，不同的电池形状和结构导致电极连接方式和电池组装工艺不同；电气性能方面，特斯拉 4680 电池能量密度高，但热效率不如比亚迪刀片电池；材料组成上，两种电池的活性材料、电极结构和粘结剂等存在差异。这些差异为未来电池设计改进提供了重要参考，有助于优化电池性能、降低成本、提高安全性和热管理效率。同时，本文也为相关研究和工业应用提供了基础数据，对特斯拉 4680 电池粘结剂配方等问题的研究也为后续探索指明了方向。随着两家公司电池技术的不断创新，本研究结果将成为汽车电池设计发展的重要参考基准。