全面解析特斯拉4680电池.docx

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1、全面解析特斯拉4680电池目录?【研究背景】1?【成果简介】2?【核心内容】3? ?电池拆卸和材料提取3? ?电池性能评估12?【结论展望】 16?【文献信息】 17【研究背景】自1991年被索尼商业化以来，锂离子电池技术经历了重大发展。由于其高 能量密度和效率，2022年全球电动汽车保有量超过2600万辆，比去年增长了 60 %o回顾发展，锂离子电池从普通的18650圆柱形电池到容量超过IOOAh 的大软包或棱柱形电池。根据所使用的电池类型，在循环寿命、热性能、重量 和体积能量密度以及安全性方面都有不同的优点和缺点。相比常用的18650或 21700圆柱形电池，特斯拉引入的4680电池（46

2、毫米直径，80毫米轴向长度） 展现出了更高的能量和功率优势。与21700电池相比，新的设计增加了 5.5倍 的体积，更大的体积有望降低包装组装的生产成本，其更少的单个电池需要组 装和互联，以实现相同的电池组特性。除了特斯拉，制造商宝马还宣布推出其 名为“Neue Klasse的新电动汽车平台，使用了直径为46毫米的圆柱形电池（有 两个不同轴向长度）。实际上，电池制造商通常只提供关于电池特性的有限信息，而不披露其高 度复杂、相互依赖的制造工艺。止匕外，电池化学和电池设计取决于电池和原始 设备制造商以及客户需求的不同，这导致了制造商特定的生产链。相比之下， 学术型锂离子电池（LlBS）的研究通常是

3、在实验室规模上进行的，或使用试点生产 线，使用更小的电池规格，易于制造的电池设计，以及手动或半手动生产工艺。 因此，学术级锂离子电池本质上不同于商业生产的电池，因此只能作为少数特 性的参考。迄今为止发表的关于4680圆柱形电池的研究相对较少。Frank等人使用了 一个经过实验验证的多维多物理模型，描述了一个高能NMC811Si-C圆柱形锂 离子电池，以评估无极耳和冷却设计对电池性能的影响。结果表明，无极耳设 计有助于降低极化和欧姆阻抗，提高充电性能，从而提高电池均匀性，实现了 在快速充电条件下的优异性能。然而，这些结果纯粹是通过模拟和使用假设的 布局来获得的。【成果简介】在此，德国慕尼黑工业大

4、学ManUeIAnk等人分析了 “第一代”从最先进的 特斯拉Y型(2022年，美国奥斯汀制造)中提取的圆柱形4680锂离子电池，通 过在电池水平上的电化学表征和热研究，以及包括三电极分析，详细解析了第 一代特斯拉4680电池的结构和性能。其中，电池拆卸后揭示了复杂的电池结构, 即电极呈六方对称的电极盘，以及由双面均匀涂层的正极和负极、两个隔膜和 无芯轴组成的电极绕组。同时，通过能量色散X射线光谱、差分电压、容量增 量曲线和三电极分析证实了电池由NMC811正极和无硅的纯石墨负极组成，以 及循环过程中的电极演变过程。电化学测试表明，特斯拉4680电池展现了 622.4WhL和232.5Whkg的

5、 能量密度，同时利用混合脉冲功率表征和电化学阻抗谱揭示了不同荷电状态下 的阻抗行为，其中在没有主动冷却的情况下以2C充电时，观察到相对较高的表 面温度(70)。表1本文中研究的锂离子电池Analysis TD&E1.EL EL & Th. EL El. El. -/-TD: Teardown; El.: ElectricalIu a在图8中，显示了沿电极的测量厚度和计算出的面积质量载量，长度为O 对应于内部绕组核心处的电极位置，可以观察到，在正极和负极处，绕组开始 时的电极厚度在堆芯处最高，然后显著减小。超过Im的电极长度后，电极厚 度再次增加。I I , 6 6o O ! =ZO Anode

6、 Cathode0.00.51.01.52.02.53.03.5coreLength in m0.00.5 LO 1.52.0253.03.5coreLength in 图8负极和正极性能测试为了对电极进行更深入的分析，作者使用SEM图像研究了正极和负极顶部 和侧面轮廓图，在正极侧，发现了球形活性物质颗粒，直径从3Im到16Im不 等，这些特征是典型的NMC正极材料。采用NMC作为活性物质，含有81.8 wt% 像，12.1wt%钻，6.1wt%镐。同时，对氟的EDX分析显示，总量为7.9 wt%。 由此可见，聚偏氟乙烯(PVdF)是正极中最常用的粘结剂之一，因此被用作粘结 剂。此外，在正极涂

7、层的边缘，可以识别出一层额外的涂层，它由一个更精细 的晶体状结构组成。EDX分析显示，铝和氧气构成了额外的一层，从而得出了使用了氧化铝的结论。图9正负极从不同角度观测到的SEM图像三电极测试表明,石墨分别可以看到LiC24、LiCI2和LiC6的相变,这种行为是纯石墨负极的特征，也证实了负极不含任何硅的结论。止匕外，充放电曲 线显示，即使在C/50的小电流下，也有约0.5 V左右的过电位，表明电池内电 阻较高。同时，ElS测量结果显示在50 % SOC下，负极比正极有更高的阻抗， 因此全电池的阻抗主要由负极决定。5K)5 Q 5Io二5 2875(20(5(2 4.4.3.3.3.工0.0.

8、三 十JS MWgOd-OMy=OA0.0.0 0.51.01.52.0 2.5 3.0 3.5 4.0Areal capacity in nA hem-2(b)6OAnode X Cathode FnU cellO 204060 SQ W 140 160 180Re() in )图io三电极电池的测量数据。?.2.电池性能评估容量和阻抗在不同倍率下单独测量的数据如图11,当倍率为C/3时，得到 的平均值为22.078 Ah。在C/20时，充电时的平均容量为22411 Ah,放电时 的容量为22.311 Ah。基于ID为083/828的电池的体积电池数据，计算平均电 池电压为3.7 V、C/3

9、放电时的容量值和测量重量为355.9g,由此得到的能量密 度为 6224WhL 和 232.5Whkg 同时，三个电池(IDl31/828、186828 549/828)的阻抗谱在图11(b)所示，随着SOC的降低，三个电池的阻抗趋势与 已发表的文献一致，随着SoC的降低，半圆增加，特别是在20% SoC时。(a)24.0-23.5 23.0 22.5 I 22.0 7 21.5(b)2.01.51.0-0.5-LO-1.5-2.0二1C3dis. ： C/20 dis. DC20 ch.Ooo20 mHzX O IOkHz 186/828 (OK)a U19/828 (OK)-131/828 本OK) o%pBcO 50 SOCZ 20 % SOC2.530 U-54.0 4.5 / 5.05.56.0