特斯拉又要吊打同行？用數據看清楚4680電池的可怕實力
近日，特斯拉放出的一段4680動力電池視頻，除了吸引電池人才，也向外界呈現了特斯拉的CTP無模組電池方案。
該方案採用特斯拉最新的4680電芯（直徑46mm，高80mm），完全取消了電池模組設計，直接將960個4680電芯按照40×24的排列方式放入動力電池結構體中。由於圓柱體良好的剛性，4680電芯既有儲能作用，又有結構支撐作用。這一方案和比亞迪的刀片電池設計思路非常相似，值得大家仔細研究。
註：特斯拉現有電芯為21700電芯，直徑21mm，高70mm
特斯拉和蘋果有一個共同點，那就是關於產品規格參數，喜歡說用戶似懂非懂的話。比如4680電芯的規格：能量提升5倍、里程提高16%、輸出功率提升6倍！說的雲裡霧裡，讓很多讀者迷茫！
很多不專業的媒體，甚至解讀出「能量密度提升5倍」這種謬論！
我的天，如果能量密度提升五倍，估計馬斯克就能獲得諾貝爾獎了！
今天我們就用數據詳實的分析一下，特斯拉的4680電池，在未來到底有多大的優勢和潛力？到底能不能吊打其他新能源對手？
我們從能量密度和容量入手，分析4680電池的優勢到底在哪。
能量密度包括重量能量密度和體積能量密度，在新能源領域，更關心的是電池重量能量密度。
電池重量能量密度 = 電池容量 × 放電平台電壓 / 重量，基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)
電池的能量密度又分為電芯的能量密度和電池系統的能量密度。
4680電芯的能量密度和容量
組成電芯的各種材料特性決定了電芯的能量密度，在不改變材料特性的情況下增大電芯尺寸，不能從根本上改變電芯的能量密度。這從松下18650電芯到21700電芯的改變就能看出來：
21700和18650相比，體積增加了約46.6%，容量增加了約60%，重量增加了約55%。可以看出，能量密度基本沒變，約為247Wh/kg。
4680電芯體積是21700的5.48倍，按照18650到21700的情況類別，在不考慮其他技術改進的情況下，容量增加5倍是很正常的。所以特斯拉說能量提升五倍（ENERGY 5X），是很誠實的，實際可能是約5.5倍。
也就是說不考慮其他技術改進，4680電芯的重量能量密度變化不大，所以4680電芯的重量應該也增長約5倍。
近期松下表示，將把內華達州Gigafactory生產的21700電池能量密度提高5%。最新出口歐洲的Model 3車輛登記信息已經顯示電池容量為82kWh，相比之前的78kWh，確實提升約5%。
所以，我們可以算出，最新的松下21700電芯容量約為5000mAh。
那麼4680電芯的容量差不多是5.5 x 5000 = 27500mAh = 27.5Ah。
這就是4680電芯短期內的容量，能量密度則為27.5×3.6/0.07×5 = 283Wh/kg。
考慮到其他的技術改進，比如陽極陰極材料等，接下來4680電芯的總容量應能達到30Ah。而能量密度應能達到300Wh/kg。
從以上數據看，馬斯克在4680電芯容量上是誠實的！
我國工信部《汽車產業中長期發展規劃》中要求2020年動力電池單體能量密度達到300Wh/kg，這樣看來特斯拉是忠實的踐行者！
國內企業如果想達到這樣的能量密度，採用的都是軟包電芯，軟包在單體密度上更有優勢，可是由於安全限制，做不到無模組集成。
我們接下來就看看4680的無模組（CTP）方案對電池系統的影響。
4680 CTP方案對電池系統能量密度的影響
我們先看看採用21700電芯的Model 3電池是什麼樣子：
Model 3的長續航版電池包由2大2小四個模塊串聯組成，大模塊(黃色)包含25個串聯電池塊，小模塊(綠色)包含23個串聯電池塊，每個電池塊由46個21700電芯並聯構成，共計4416個電芯。電芯排列如下：
現在我們算一下電芯占模組的面積比：
小模組尺寸1860x323mm，面積約0.6平方米，電芯面積約為0.366平方米，電芯占模組的面積比約為61%。大模組尺寸1948×323，面積約0.629平方米，電芯面積約為0.398平方米，電芯占模組的面積比約為63%。平均占比62%
模組中間的空隙按10%面積算，那麼4個21700模組占用的總面積約為：2.7平方米。電芯占總模組面積比約為56.6%，可以看到由於分了4個模組，電芯面積占比一下降了5.4%。
而這一情況在4680電芯上面是不存在的，因為取消了模組。我們以24×40=960的布局計算一下4680電芯占據的面積：960×3.14x23x23/0.62 = 2.57平方米。也就是說占用面積減少了5%。
21700電池容量按松下最新的規格，為82kWh。4680電池容量為960×27.5×3.6 = 95kWh，也就是說容量增加15%。
新的4680無模組方案，電芯占據面積減少5%，容量增加15%。
如果不減少面積，就按照21700的面積把電芯布滿，那麼4680電芯數量約為容量為約為100kWh，容量提升22%。
看到了吧，只要把電芯換成4680，其他什麼都不干，Model 3就能實現100kWh的電量！
所以馬斯克說的續航里程提升16%，也是靠譜的。
說完了容量，我們再來看看系統的能量密度。
Model 3 21700電池系統重量約474kg，小模組約86kg，大模組約93.5kg，四個模組總重量約359kg，電芯重量約312kg。
電芯占模組比重約為87%，其他47kg為結構件、冷卻系統、線纜、PCB等，每個模組約12kg。
模組占系統比重約為76%。其他115kg分為兩部分，一是系統上殼體53kg，基本都是高低壓設備、BMS和殼體。另一部分是系統下殼體62kg，基本為結構件、冷卻管路、電纜和管理系統等。
電芯占系統比重約為66%。系統能量密度約為173Wh/kg。可以看到當前的Model 3是能夠拿到新能源最高補貼係數。
我們再看看4680電池的情況，電芯重量約960x70x5/1000 = 336kg。加上模組內的冷卻系統和線路等設備重量336+12 = 348kg。系統上殼體內的高低壓器件很難縮減，BMS能夠優化，預計重量仍有50kg。系統下殼體是優化最大的地方，取消了模組，那麼模組間的冷卻、線纜等都可以簡化，包括結構件都可以優化，估計下殼體重量至少能減少40%，預計重量不會超過40kg。
因此4680電池系統的總重量約為438kg，實際的數據只能等待特斯拉新產品上市後的拆機報告，但是應該偏差不大。
所以，4680電池系統的能量密度約為95×1000/438 = 217 Wh/kg。
只是更改了電芯，系統能量密度就提高了25%，這就是4680的優勢。如果再加上後期陰極陽極材料的改進，特斯拉預計會有24%的提升。電池系統能量密度很大機率能突破270Wh/kg。
這就是4680電芯在未來的真正實力！考慮成本優勢，4680電芯的實力將更強大！
大電芯的風險
天底下沒有免費的午餐，4680優點這麼突出，那麼缺點肯定也很明顯，要不然大家就都用5號電池開汽車了！
4680在增大尺寸的同時，也給三元鋰電芯的熱管理帶來了新的挑戰。雖然電芯數量的減少，大幅簡化了BMS系統。但是每個電芯在充放電的時候都要承受更大的電流，發熱也會更多。
估計現在除了特斯拉，也沒有人敢承擔這個風險，特斯拉的無級耳專利技術會在一定程度上減少發熱。但是電芯內部短路導致的發熱特斯拉也解決不了，只能通過優秀的BMS管理系統去提前預警。這方面只能看新電池上市後的表現了。
關於特斯拉，我在這篇文章《自研自動駕駛晶片？蔚來很難跨越特斯拉構建的高端車門檻》中提出了一個觀點：特斯拉在技術爭奪戰中，就像流氓打架中的那個狠角色，上來拿板磚先給自己腦袋來一下，血流的滿臉，就問其他人敢不敢接？
