全极耳成数量级的降低电池内阻和产热速率

全极耳（无极耳）技术能够成数量级的降低电池内阻和发热速率，在解决高能量密度电芯的散热问题上具有绝对的优势，特斯拉将其视为突破百万英里续航和TWh自建产能的关键技术，“远比看起来更加重要”。但是，特斯拉4680全极耳电池至今仍难量产，松下、LG等电池巨头纷纷抢跑参与竞备。

2020年9月22日，特斯拉“电池日”发布4680“无极耳电池”，新电池能量提升5倍，功率提升6倍，同时成本降低14%、续航里程提高16%。

“无极耳电池”更准确的翻译应该是“全极耳电池”，就是把整个正/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，正式拉开特斯拉TWH时代的大幕。

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全极耳成数量级的降低电池内阻和产热速率

为什么是全极耳？

电芯尺寸越大活性物质占比越高，系统集成效率也更高，有助于提高系统能量密度，降低系统成本，无论是特斯拉4680还是比亚迪刀片电池实质都是基于这一原理的设计。但是，电池放电过程中电流通过铜箔、铝箔汇集，并通过极耳导出到外电路，由于电阻的存在，电池在充放电的过程中，特别是大电流充放电的过程中会产生显著的欧姆热，引起电池温度的升高，越粗越大的电芯发热越多、散热越难，因此，如何解决电芯尺寸做大和发热减少的悖论成为其中关键。

可见，4680全极耳电池并不仅仅是变大变粗那么简单。据专业人士分析：

传统的圆柱体电池都是卷绕方式，分为正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕，为了引出电极会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个引出线叫极耳。传统的1860电池卷绕长度是800mm，以导电性更好的铜箔为例，极耳从铜箔上把电导出来长度最长就是800mm，相当于电流要通过800mm长的导线。通过计算得到电阻大约是20mΩ，2170电池更粗一些卷绕长度大约是1000mm长电阻约23mΩ，这么长的铜箔为保证低的电阻，对铜箔厚度和一致性都会有极高的要求。

特斯拉4680电池为例，全极耳电池把整个集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳，电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输，整个导电长度由1860或者2170铜箔长度的800～1000mm变成了80mm（电池高度）。将导电长度，代入铜电阻计算公式后电阻一下子就降到2mΩ，根据欧姆定理计算，电池内阻消耗由2瓦特一下子降到0.2瓦特，直接降低一个数量级。

为研究极耳对于锂电池充放电是发热和内部温升的影响，英国帝国理工大学的Shen Li等人以模拟仿真的方法，研究了单极耳1（正负极极耳均在电极的头部）、单极耳2（负极极耳在电极的头部，正极极耳在电极的1/3处）、三极耳（极耳均匀的分布在电极上）、全极耳（22个极耳均匀的分布在电极上）三种结构进行充放电发热对比。

从研究结果来看极耳数量越多电池内部温升越不明显，且靠近极耳的位置电池的电流密度更大，因此极耳处产热速率也更快，从而造成局部温度升高更大；全极耳设计能够有效的降低局部的电流密度，从而减轻温度-电流的正反馈，使得全极耳电池的产热速率要比单极耳电池低两个数量级。研究证明，全极耳电池在降低发热量，解决高能量密度电芯的散热问题上具有绝对的优势。（引自新能源Leader）

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特斯拉4680电池量产难

LG/松下抢跑参与竟备

全极耳电池优势如此明显，特斯拉为什么没有第一时间量产4680全极耳电池？

马斯克在电池日发布会上曾表示，特斯拉正在美国加州的弗里蒙特电动车工厂内部建设4680电池的试验性生产线，已“接近完工”，争取一年的时间内达到1千兆瓦的产能，三年内全面量产。但特斯拉未能展示4680电池实物，电池日当天特斯拉股价重挫7%！

特斯拉4680全极耳电池发布后，全球多家汽车巨头跟进并调整电池路线，韩国LG与日本松下等多家全球巨头纷纷抢跑，展开全极耳电池全球竞备赛。

据外媒报道称，LG已经开始为特斯拉4680电池建造一条试验性生产线。目前正在其Ochang工厂改造部分生产线，装配和电镀设备已经安装完毕，最早有望在年内开始运营；同时，LG计划为特斯拉公司配套建设先进的锂电池工厂，工厂地点位于美国和欧洲，并计划在2023年为特斯拉生产全新4680电池。

松下总裁津贺一宏则表示：“我们已经开始在美国为特斯拉开发全新车用电池4680”。据悉，松下在日本大阪Suminoe工厂为特斯拉准备的一条4680电池试验性生产线，预计从2021年4月1日开始启用，并宣布将于下半年在开始美国超级电池工厂量产4680电池。

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最难的不是制造电芯，而是规模化生产

电芯组装设备尤其关键

3电池材料制造商Sila Nanotechnologies的CEO及联合创始人、前特斯拉电池系统架构师吉恩·贝尔蒂切夫斯基（Gene Berdichevsky）曾表示：“全极耳是最具体、最可见，可能也是最有影响力的全新电芯设计。这是个非常好的设计，降低了电芯层面的制造成本。但最困难的不是制造电芯，而是能否规模化生产。”

特斯拉电池日发布会前，马斯克也曾表示：新电池技术的量产应用很难，而制造制造电池的设备更难！尤其是在全极耳电池在组装方面，马斯克表示最大愿景是实现连续性的组装生产，实现生产效率成倍增长。

从全极耳电池制造工艺流程来看，前端极片制作和后端检测激活与传统电池并无实质变化，变化的关键是全极耳制作、连接等电芯组装段，需要新增全极耳成型、全极耳与集流盘或壳体连接、检测及连续组装等工艺和设备。从特斯拉展示的生产视频来看，特斯拉发布的设备包括涂布、卷绕、灌装、封装、注液、干燥、分成化容以及各种高速传输装置等，恰恰未公布其最核心的电芯组装设备设备。

（特斯拉产线视频）  

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产业协同

助力圆柱全极耳电池创新智造

圆柱全极耳电池在国内并非新兴事物，2009年开始就有部分企业开始推出大圆柱电池，其中部分是以全极耳工艺进行连接。目前，国内Top10的圆柱企业多数在全极耳方面有技术储备/探索性研究，更有不少企业已经有了商业化应用产品（尤其在功率性场合）。

但是，在全球巨头竞相参与全极耳电池竞备赛中，圆柱全极耳电池创新与智造需要电池企业、材料企业、设备企业更好的协同，才能加快全极耳电池开发效率、提升电池水平，以确保4680等全极耳电池竞备中占据优势。

截止目前，中国已有140余家企业和机构投入全极耳电池相关研究，已公开全极耳专利共计553项，自特斯拉电池日以来增长340项，增幅达160%。从专利类型来看，圆柱全极耳专利主要涉及电池结构、全极耳工艺、电芯组装设备、激光焊接及检测等相关方向。

从企业专利数量分布来看，国内多家TOP10的圆柱电池企业确已全面开始全极耳专利布局。逸飞激光（含武汉逸飞与江苏逸飞）是所有企业中技术和专利布局最突出的，圆柱全极耳专利共计102项，其中发明专利52项，涉及全极耳极片制作、揉平/端面处理工艺、集流盘结构与焊接工艺、电芯组装/焊接/检测设备等多个领域。

逸飞激光位于武汉·中国光谷，成立于2005年，是一家专业从事精密激光焊接设备与智能化生产线研发、设计与制造的国家级高新技术企业。逸飞激光从脉冲激光器研发起步，专注锂电池激光焊接与组装设备15年，具备方形/圆柱/软包电池激光焊接机、全自动激光焊接站、全自动组装焊接产线和数字化车间等全系列解决方案。公司在新能源汽车动力电池领域拥有众多世界先进的关键工艺技术，产品覆盖动力电池结构件、电芯、模组、PACK等领域，服务众多国际一流的动力电池企业。

据悉，逸飞激光从2009年开始投入全极耳技术、工艺与设备研发，目前已经完成从全极耳极片成型、揉平/端面处理、集流盘焊接、激光封焊/滚槽/镦封/拼焊封口、检测等全过程技术储备与设备开发，具备完整的全极耳电池组装技术；推出试验单机、半自动工作站、半自动产线、全自动产线与数字化车间等圆柱全极耳全系列“智造”解决方案，完成百余套圆柱全极耳设备交付，获得众多头部电池企业认可；应用产品包括单端全极耳和两端全极耳等5种全极耳电池结构，产品尺寸全面覆盖4680在内的直径18-80mm、长度65-300mm等各个范围段。

原文标题：【逸飞激光•设备专栏】4680全极耳电池量产之路在何方？

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责任编辑：haq