輸力強(qiáng)9300R應(yīng)用 | 特斯拉4680大圓柱 vs 比亞迪刀片電池-設(shè)計(jì)與性能分析

介 紹

電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長加劇了對(duì)先進(jìn)鋰離子電池技術(shù)的需求。在德國聯(lián)邦教育與研究部資助的這項(xiàng)研究（grant no. 03XP0256）中，分析了兩種電池設(shè)計(jì)，即特斯拉的 4680 圓柱形電池和比亞迪刀片電池，電動(dòng)汽車的電池選擇和設(shè)計(jì)是在性能、安全性和成本之間取得平衡，這兩種電池代表了不同的平衡方法。特斯拉 4680 電池采用高鎳 NMC811 化學(xué)材料，優(yōu)先考慮能量密度和續(xù)航里程；而比亞迪刀片電池采用磷酸鐵鋰 (LFP) 化學(xué)材料，則更注重安全性、熱穩(wěn)定性和成本效益。

本文基于亞琛工業(yè)大學(xué)電池工程與安全研究助理 Jonas Gorsch 及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表的研究成果，對(duì)特斯拉 4680 圓柱形電池和比亞迪刀片電池進(jìn)行了比較分析，重點(diǎn)關(guān)注它們的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能特性。本文利用 Gorsch 等人發(fā)表的開源文章《比亞迪刀片電池與特斯拉 4680 圓柱形電池的拆解分析》（Contrasting a BYD Blade prismatic cell and Tesla 4680 cylindrical cell with a teardown analysis of design and performance）中的數(shù)據(jù)1，詳細(xì)介紹了如何使用 AMETEK Solartron Analytical SI-9300R 電池分析儀評(píng)估能量密度、內(nèi)部直流電阻、熱管理和效率等關(guān)鍵參數(shù)。

SI-9300R 電池分析儀是一臺(tái)綜合性的電池測(cè)試儀，可以實(shí)現(xiàn)交直流一體化的測(cè)試，提供最大1000A的直流電流和最大100A的交流信號(hào)（有效值）。同時(shí)9300R輔助分壓功能(三電極測(cè)試)以及任意波形工具可以覆蓋電池開發(fā)，測(cè)試，分析和分級(jí)等全生命周期應(yīng)用。

電池設(shè)計(jì)概述

特斯拉4680大圓柱電池

特斯拉4680電池是一款大型圓柱形電池，直徑46毫米，高度80毫米。它采用無邊框設(shè)計(jì)和“果凍卷”結(jié)構(gòu)，電極層緊密纏繞在鋼制外殼內(nèi)。電極連接采用激光焊接，降低了內(nèi)阻并提高了電流收集效率。

正極采用NMC811（鎳錳鈷比例為8:1:1），負(fù)極為不含硅添加劑的石墨。粘合劑包括聚丙烯酸（PAA）和聚環(huán)氧乙烷（PEO）。

比亞迪刀片電池

比亞迪刀片電池是一款方形電池，尺寸為長 965 毫米、高 90 毫米、厚 14 毫米。它采用 Z 形折疊電極堆疊和激光/超聲波混合焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的電極連接，從而提供機(jī)械穩(wěn)定性并簡化熱管理。

正極材料為磷酸鐵鋰（LFP），以其熱穩(wěn)定性和低成本著稱，負(fù)極材料為石墨。粘合劑包括羧甲基纖維素（CMC）和丁苯橡膠（SBR）。

▲圖1. 兩種電池圖片

使用SI-9300R電池分析儀進(jìn)行性能分析

SI-9300R 電池分析儀是一款多功能電池特性分析工具，可精確測(cè)量電、熱和電化學(xué)性能。以下是基于拆解數(shù)據(jù)將其應(yīng)用于特斯拉 4680電池和比亞迪刀片電池的分析。

能量密度和容量

測(cè)量方法：使用 SI-9300R 電池分析儀以 C/10的倍率測(cè)量電池的容量和標(biāo)稱電壓。以 C/20 電流為 CV 截止點(diǎn)，進(jìn)行 CCCV（恒流、恒壓）充放電循環(huán)。計(jì)算充電和放電期間的平均容量（參見表 1）。然后比較電池的效率行為，以評(píng)估其電性能。

特斯拉 4680 電池的比能量密度達(dá)到 241.01 Wh/kg與 643.3 Wh/L，遠(yuǎn)超比亞迪刀片電池的 160 Wh/kg 和 355.26 Wh/L。這反映出 NMC811 正極材料的能量密度720 Wh/kg高于 LFP的528 Wh/kg。然而，兩款正極材料的利用率接近，特斯拉為 33.45%，比亞迪為 30.3%，這表明盡管設(shè)計(jì)存在差異，但活性材料的利用效率相似。

熱管理和效率

測(cè)量方法：利用SI-9300R的電化學(xué)和同步溫度測(cè)量功能，評(píng)估1C及更高倍率充放電條件下的發(fā)熱和內(nèi)阻。根據(jù)ISO 12405-4.29標(biāo)準(zhǔn)，通過測(cè)量10% SOC階躍和10℃、20℃和40℃下的內(nèi)部直流電阻來比較電池?zé)嵝?。圖2顯示了1C充放電電阻。兩種電池的電阻在較低溫度下均上升。特斯拉4680電池的電阻在高SOC下會(huì)增加，尤其是在寒冷的環(huán)境下，而比亞迪刀片電池的電阻則會(huì)下降。這可能反映了高鋰含量導(dǎo)致的負(fù)極電荷轉(zhuǎn)移阻力，需要進(jìn)一步研究，因?yàn)楦?/span>SOC下電阻上升的情況并不常見。

▲圖2. 20℃下1C倍率下平均直流電阻：(A) 比亞迪刀片電池；(B) 特斯拉4680電池1

比熱量（單位體積的熱量）計(jì)算如下：

熱量/體積 = (I1C)2 × R平均的/ V電池

其中，I = 電流；R = 內(nèi)阻；V = 體積。

在1C負(fù)載下，特斯拉4680電池單位體積產(chǎn)生的熱量約為比亞迪刀片電池的2倍（圖3）。因此，在相同的功率需求下，特斯拉4680電池的冷卻系統(tǒng)必須處理的單位體積熱量約為比亞迪電池的2倍。因此，比亞迪電池的LFP電極設(shè)計(jì)為快速充電提供了更有利的冷卻策略。

▲圖3. 1C時(shí)兩個(gè)電池的比熱量1

結(jié) 論

特斯拉 4680 電池和比亞迪刀片電池代表了電動(dòng)汽車電池設(shè)計(jì)的不同思路：前者優(yōu)先考慮能量密度和性能，后者則注重安全性和成本。SI-9300R 電池分析儀提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)來評(píng)估這些差異，使工程師能夠?yàn)橄乱淮姵叵到y(tǒng)做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

SI-9300R 電池分析儀是一臺(tái)綜合性能非常強(qiáng)大的電池測(cè)試儀，可以實(shí)現(xiàn)大電流交直流一體化的測(cè)試，對(duì)比傳統(tǒng)的充放電儀+電化學(xué)工作站的連接方式，減少了整個(gè)回路的連接，從而避免看了接觸電阻與系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。針對(duì)目前的大容量電芯快充開發(fā)及失效分析測(cè)試需求，9300R系列可以提供高達(dá)1000A的直流電流和最大100A的交流信號(hào)（有效值）。同時(shí)9300R擁有輔助分壓功能，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極同步阻抗，獨(dú)立分析正負(fù)極的貢獻(xiàn)及老化過程。用戶也可以利用 Aspire Energy® 軟件的任意波形工具，模擬城市工況下的等真實(shí)環(huán)境的運(yùn)行條件，從而優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，確保每種電池類型的安全性和使用壽命。