原创汽车大观｜全极耳大圆柱电池迎来黄金时代

“全极耳给圆柱电池带来了最好的改变。”特斯拉CEO马斯克如是说。

自特斯拉宣布其4680电池采用无极耳结构以来，“全极耳大圆柱电池”成为行业关注的焦点。特斯拉电池日上宣称的“无极耳”即为一种全极耳，通过巧妙的结构设计直接利用整个集流体尾部作为极耳，并通过盖板（集流盘）结构设计增大极耳传导面积及其连接处的连接面积、缩短极耳传导距离。

最近，老牌能源类顶级杂志《Journal of Power Sources》(SCI一区 ，IF:9.794)发表了锂电池行业内首篇使用真实商业化的全极耳大圆柱电池验证数字模型结论的文章。文章中，作者基于对真实电芯的数据采集，建立了精准的电芯热-电-电化学耦合的数字模型，在-20°C到60°C的宽环境范围内都可以和电芯的实测数据匹配。文章中使用的全极耳大圆柱电芯由国内锂电企业比克电池提供。

本文研究，通过最佳的热管理，全极耳电池实现不到 12 分钟从 10% 充电到80% SOC 的快速充电时间，其中的实验电池为国内的比克电池。

这些发现显示了成熟全极耳大圆柱电池的巨大潜力，对于国内汽车市场来说，全极耳大圆柱电芯将直接切入中高端车型，这也预示在市场快速发展驱动下，国内极耳电池市场也将迎来井喷的黄金时代。

中高端车型的最优解

全球新能源汽车市场的加速爆发之下，带动动力电池需求相应地快速增长。据业内机构保守预测，到2025年全球电动汽车销量将突破2000万辆，对应的动力电池需求将超过1600GWh，其中，全极耳大圆柱电池将从研发进入到真正量产时刻。

“据我们已收到的客户需求情况，并结合行业发展形势信息判断，大圆柱电芯会在这里面至少占30%以上的份额，也就是大约480GWh，已经超过了2021年全球总需求量。”比克电池副总裁樊文光曾如此表示。

极耳是电芯正负极引出来的金属导电体，与电池壳体或者外部模组结构件进行连接，电流必须流经极耳才能与电池外部连接。许多电池制造商投入大量资源开发具有创新极耳设计和更大直径的圆柱形电池，Panasonic、LG Chem、Samsung SDI 和比克电池等电池制造商已确认正在进行全极耳电池的开发。主机厂方面，特斯拉大圆柱电池带动多家整车厂入场，蔚来、江淮、保时捷、东风岚图等OEM也将在旗下中高端车型搭载4680大圆柱电池。

在市场大势之下，行业不少声音认为，在未来2025年到2035年左右，大圆柱电池会在中高端市场占据绝对的统领地位。

先行者占据了先发优势。2021年初，比克电池实现了4680全极耳大圆柱电池的国内首发，技术布局和研发进展领先行业，凭借圆柱结构，通过搭载高镍正极、硅负极、掺硅补锂等先进技术，能量密度可大大提升，为整车提供800公里以上的续航里程，正符合中高端电动车的续航需求。

目前，比克电池已经与多家一线车企开展合作，共同进行大圆柱电池的研发、生产、应用。

“六边形战士”的赋能方案

全极耳电池得到拥簇，是因为其兼备高安全、高能量、超级快充等新能源电池的痛点问题。

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极易引起电池温度的升高。大圆柱的高安全性，使它成为搭载兼顾高能量和超级快充的最佳载体，其能够解决电芯尺寸做大和发热减少的矛盾点，使得电池内部没有集中发热点，安全性能更佳。

例如论文中开发了一种基于大圆柱形电池的空间分辨热-电-电化学框架，实验应用的电池具有新颖的全极耳设计、最先进的高镍阴极和 SiOx-C 阳极，并在-20 °C 至 65 °C的宽温度范围内进行了广泛验证。

基于该模型，用一组边界（包括最小局部阳极电压和最大活性材料温度）下的电流控制器来计算快充曲线，根据计算的电流方案对电池进行循环，结果显示计算和测量的电压和温度之间具有良好的一致性。此外，许多指标可以证明在快速充电过程中没有发生析锂。

比克全极耳大圆柱电池的快充性能也在文章中得到印证。比克即将量产的大圆柱产品，可以实现5分钟内将电量从10%充至50%（相当于200-300 Km续航里程），12分钟内将电量从10%充至80%（相当于520公里续航里程）支持高速服务站等应用场景下，4C以上充电倍率的超级快充需求。

破题量产之路

如今，新能源汽车产业已经形成了成本与性能的两极化发展。目前很多大型新能源车企，在未来5-10年，敲定了经济型采用方壳/刀片磷酸铁锂电池，中高端采用三元+硅大圆柱电池的布局。

但规模化量产，成为行业讨论的又一热点问题。

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。”

全极耳工艺创新带来电池生产过程中的众多工艺难点，例如分切环节、注液环节、揉平环节、激光焊环节等，直接影响了4680电池良品率。2021年特斯拉4680试验线良品率约在80%，2022年年初，据Tesla motors clubs上流出的信息，在2022年1月22日特斯拉佛里蒙特工厂平均良品率达92%，相比于2021年明显提升。但相比于21700圆柱电池的95%+的良品率仍存在一定差距。

这需要企业有成熟的工艺流程以及市场经验——做到性能与成本兼顾，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，以确保全极耳电池竞备中占据优势。

比克电池在自主研发的实践中，积累了大量解决方案。

安全性是一切性能的基础，也是比克攻坚的核心。通过计算机模拟单体电池卷绕，从电芯设计上降低内短路风险；高清CT扫描观察单体电池内部结构，辅助优化电芯结构设计，观测循环前后结构稳定性；通过热仿真技术，热失稳测试仿真出电芯不同位置的温度状况；通过定向爆破技术保证单颗电池失效不会引发Pack热失控，比克电池的高安全性保障贯穿产品始终。

作为国内最早布局4680电池的企业，比克在化工原料、精密结构件和生产设备等产业链上下游关键环节也有长期持续的技术布局。作为国内率先量产高镍正极+硅负极材料体系的锂电企业，多年来，比克电池与容百、当升等众多国内供应链头部企业携手成长，建立了长期稳定的合作意向和彼此信任的合作关系。除此之外，通过与合作伙伴们长期共同研发前沿技术和新型材料，比克也在产业链当中形成了一定的技术牵引力。

可见，虽然以高端车电为主要市场的契机，将使得全极耳大圆柱电池的需求十分可观，不过在“量产”的课题中，新能源电动汽车动力市场也将掀起一场新的“马太效应”，真正突破核心性能局限且布局深远的企业，将成为黄金时代的最终赢家。