特斯拉4680电池：解析结构与性能

芝能科技出品

原文是一篇论文《Lithium-Ion Cells in Automotive Applications: Tesla 4680 Cylindrical Cell Teardown and Characterization》，内容比较扎实，摘录一些给大家。

随着电动汽车的普及，电池技术的不断创新成为汽车制造业的焦点之一。特斯拉公司引领着电池技术的发展，其4680圆柱形电池备受瞩目。

本文将介绍一系列关于特斯拉4680电池的研究成果，深入解析了其结构和性能（这是早期的NMC811正极和无硅纯石墨负极，测得能量密度为622.4 Wh/L和232.5 Wh/kg）

电池结构和材料分析

研究人员通过对特斯拉Model Y（2022年款，美国奥斯汀制造）中使用的4680电池进行深入解剖，使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析了电池结构。通过分析详细探索了电池的结构，揭示了电极材料的成分，并研究了阳极和阴极片的全长电极特性。

电池内所有相关部件的分解图，电池的圆柱部分外径为46毫米，高度为80毫米。直径为16毫米的正极端增加了另外1毫米，总高度达到81毫米。在负极端，一个铜铆钉位于中心，用于封闭充填孔。壳体的厚度测量为0.5毫米，导致圆柱形内部体积为125.6立方厘米。与常见的圆柱电池（18650或21700规格）相比，壁厚增加了，这可能是由于据称电池在车辆设计中的结构使用，但它降低了能量密度。

在移除了阴极和阳极圆盘后，卷芯的高度为71毫米，直径为44.5毫米。卷芯的核心没有卷绕芯，而是一个直径为5毫米的空间。卷芯的两端用两个宽度为10毫米的蓝色胶带固定在一起。

为了连接电池极的内部连接，采用了带有凹口和折叠电极片的圆盘制表设计。阴极圆盘由铝制成，阳极圆盘由铜制成，两者厚度均为0.2毫米。两个圆盘的尺寸如图7所示。两个圆盘都具有六角对称性，但在连接到叶形连接器的位置上有所不同。

阴极圆盘的连接器连接在外环，而阳极圆盘的连接器连接在中心。阳极圆盘的外环连接到电池壳体，而阴极圆盘的中心与电池的正极终端超声波焊接在一起。

因此，当将卷芯与壳体连接时，这两个圆盘可以起到补偿元件或弹簧的作用。每个连接器通过五条宽度约为0.5毫米的激光焊接的锯齿状缝连接到凹口和折叠电极上。一块厚度为0.65毫米的塑料圆盘用作阴极圆盘和电池壳体之间的绝缘隔离层，电池壳体位于阳极电位。这种布置仅简化了与正极端的连接。

电池制造过程可以重建，具有折叠电极片的卷芯。在阳极侧，将铜片与铜箔激光焊接。在阴极侧，将铝箔激光焊接到之前超声波焊接的电池片上。将塑料圆盘放在阴极圆盘上，然后将装配件与阴极侧朝下插入电池壳体中。在阳极侧，将一个带有充填孔的盖子放在顶部，然后将电池罐卷口封口。充填过程完成后，用铜铆钉封闭充填孔。

阴极由球状活性材料颗粒组成，直径范围为3微米至16微米，典型特征是NMC材料。阴极使用PVdF作为粘合剂，含有约7.9％的PVdF，以及微量的磷和硫，这些都是来自电解液中锂盐的残留物。在阴极涂层的边缘，还可发现一层额外的Al2O3涂层，用作电绝缘或保护层。而阳极则由薄片状石墨颗粒组成，直径高达35微米，不含硅。PVdF可能被用作阳极的粘合剂，或者是PTFE。同样含有微量的磷和硫。在阳极涂层与铜电流收集器之间，观察到了黑色底漆涂层，主要由碳和氟组成，可能与涂层相同的粘合剂和碳黑用于电导性。通过SEM图像的分析，阴极显示了球状活性材料颗粒，顶层颗粒存在裂缝；而阳极显示了薄片状石墨颗粒，与EDX分析结果相符。

结论

这篇研究（上篇）广泛分析了特斯拉4680电池的结构和性能，为电池技术的发展提供了重要的参考。通过深入的实验和分析，研究人员为电池设计和制造提供了有益的见解，推动了电池技术的不断创新。这对于未来电动汽车的发展和普及具有积极的推动作用。