第一作者：Alex Liu

通訊作者：Peter M. Attia, Ying Shirley-Meng

通訊單位：加州大學(xué)圣地亞哥分校，Glimpse

研究背景

新能源汽車(chē)對(duì)大尺寸鋰離子電池需求的不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了具備更高能量密度和更優(yōu)成組效率的電芯規(guī)格加速發(fā)展。截至2024年底，全球乘用車(chē)保有量中電動(dòng)車(chē)占比約4%，預(yù)計(jì)2030年將翻四倍。對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，LIB研發(fā)圍繞成本、能量密度和功率能力展開(kāi)，同時(shí)兼顧安全與壽命，由此催生了多種化學(xué)體系、電芯規(guī)格及集成方案。EV電池從18650圓柱電芯（≈3 Ah）到100 Ah以上的大尺寸軟包和方殼電芯不等，在循環(huán)壽命、熱性能、能量密度和安全性方面各有取舍。

特斯拉于2020年針對(duì)Model Y平臺(tái)推出的4680圓柱電芯，體積和容量約為上一代21700的5倍。配合無(wú)極耳（tabless）設(shè)計(jì)，旨在不犧牲制造效率與生產(chǎn)成本的前提下獲得更高能量密度。另一家電池龍頭比亞迪也為其電動(dòng)車(chē)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新電芯——采用磷酸鐵鋰（LFP）化學(xué)的“刀片電池”方殼方案，強(qiáng)調(diào)安全、壽命和成本。然而，比亞迪同時(shí)在其電動(dòng)車(chē)及儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）中采用并量產(chǎn)4680規(guī)格的LFP/石墨圓柱電芯，其他電池廠商亦紛紛跟進(jìn)大尺寸規(guī)格。

工作介紹

在此，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校Ying Shirley-Meng教授（孟穎）和美國(guó)馬薩諸塞州的電池掃描公司Glimpse的Peter M. Attia等人對(duì)比亞迪4680 LFP/石墨圓柱鋰離子電芯進(jìn)行了全面解析：通過(guò)系統(tǒng)的物理拆解、X 射線成像、電化學(xué)測(cè)試及電子顯微成像，從電芯到材料層級(jí)對(duì)其性能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。拆解與 X射線結(jié)果顯示，該電芯采用罕見(jiàn)的多極耳設(shè)計(jì)，電極雙面涂布均勻，且石墨負(fù)極未添加硅材料。電化學(xué)測(cè)試表明，其能量密度達(dá)到374.6 Wh L^-1和 150.5 Wh kg^-1。同時(shí)，混合脈沖功率特性（HPPC）與電化學(xué)阻抗譜（EIS）進(jìn)一步顯示，該電芯具備出色的倍率性能：在不同荷電狀態(tài)（SOC）下，電芯直流面積比阻抗僅為6~17 Ω·cm，電荷轉(zhuǎn)移面積比阻抗約5.9 Ω·cm。因此，上述發(fā)現(xiàn)為4680規(guī)格在設(shè)計(jì)與性能上的新方向提供了實(shí)證，為大尺寸圓柱電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文研究的比亞迪4680是繼特斯拉4680之后第二款被公開(kāi)表征的4680規(guī)格電芯。

相關(guān)研究成果以“Design and Performance of the BYD LFP/Graphite 4680 Cylindrical Cell”為題發(fā)表在Journal of The Electrochemical Society上。

內(nèi)容表述

電芯結(jié)構(gòu)與卷芯設(shè)計(jì)

本研究所有被測(cè)電芯均獨(dú)立購(gòu)自于線上供應(yīng)商。拆解前初檢可見(jiàn)，BYD 4680圓柱電芯外套絕緣熱縮管（圖1A），而特斯拉4680則為鍍鎳鋼殼無(wú)直接絕緣。能譜（EDS）證實(shí)BYD 4680殼體為鍍鎳鋼：截面富Fe、表面富Ni。電芯頂部負(fù)極蓋旁設(shè)有一小型泄壓閥。實(shí)測(cè)BYD 4680高80 mm、直徑46 mm，與規(guī)格一致。與特斯拉4680相同，BYD 4680殼體兼做負(fù)極端子，正極蓋通過(guò)白色橡膠墊圈（圖1B“3”）與殼體絕緣。

電芯切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)正極蓋仍與金屬正極盤(pán)（圖1B“1”）相連，用陶瓷剪剪斷后可見(jiàn)正極盤(pán)、卷芯、藍(lán)色塑料盤(pán)（“2”）及卷芯中心塑料空心軸（“5”）。殼體底部亦有金屬負(fù)極盤(pán)（“4”），直接點(diǎn)焊于殼底。用割管器去掉底部殼體后，再用陶瓷剪切斷負(fù)極極耳與負(fù)極盤(pán)的連接，卷芯即與上下端完全脫離。

卷芯取出后拆去膠帶并展開(kāi)，可見(jiàn)正極、負(fù)極及隔膜。圖1C顯示LFP正極卷高69 mm、長(zhǎng)5370 mm；石墨負(fù)極卷高71 mm、長(zhǎng)5513 mm，比正極長(zhǎng)143 mm。正極鋁極耳4條，負(fù)極鎳極耳3條，沿電極長(zhǎng)度方向布置，外覆PET絕緣膜。負(fù)極最內(nèi)圈鎳極耳雖被PET完全包裹，未與殼體焊接。

其余非活性件見(jiàn)圖1D：金屬正極盤(pán)厚0.31 mm，外緣呈非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)大，并留有圓、半圓及矩形缺口供鋁極耳及PET帶穿過(guò)；與正極蓋之間夾0.29 mm藍(lán)色塑料正極盤(pán)，起絕緣作用，防止卷芯銅集流體誤觸。四根鋁極耳呈~90°間隔焊于金屬正極盤(pán)，其徑向伸出距離分別為0.4、13.1、16.0、18.3 mm。金屬負(fù)極盤(pán)厚為0.31 mm，僅半圓缺口，無(wú)中心孔，直接點(diǎn)焊殼底；三根鎳極耳徑向距離9.0、15.6、20.0 mm，盤(pán)與卷芯之間另設(shè)同厚塑料盤(pán)絕緣，防止鋁集流體與殼體短路。

圖1. 比亞迪4680的尺寸、拆卸、內(nèi)部特征和非活動(dòng)組件概述。

圖2. BYD 4680三維示意圖。

為直觀、定量解析 BYD 4680 結(jié)構(gòu)，采用3D X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）實(shí)現(xiàn)無(wú)損全芯成像。圖3A的2D徑向切片清晰展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)比度與各組件一一對(duì)應(yīng)；放大圖（圖 3B）可見(jiàn)塑料中心軸與電極對(duì)比分明，軸內(nèi)呈六角形空腔，拆出后光學(xué)驗(yàn)證一致。圖 3C 的軸向旋轉(zhuǎn)切片給出全身視圖，圖 3D 進(jìn)一步分辨層狀電極、極耳及電解液彎月面，彎月面處富余電解液提示需探究中心軸功能。

實(shí)測(cè)中心軸高 7.1 mm，與負(fù)極卷高度一致。常規(guī)圓柱電池借中心軸抑制徑向變形或在熱失控時(shí)提供排氣通道。為驗(yàn)證BYD設(shè)計(jì)是否超越傳統(tǒng)功能，先在常壓下向六角腔注入乙醇，無(wú)泄漏；再在手套箱內(nèi)真空干燥后浸LP57電解液兩周，稱(chēng)重幾乎無(wú)增重，表明軸體不吸液，主要起結(jié)構(gòu)支撐作用，可在快充或熱沖擊下防止卷芯塌陷。同時(shí)，紅外光譜鑒定中心軸材質(zhì)為聚丙烯（PP），而非聚乙烯（PE），因此隔膜為PP。SEM觀察表面具亞微米孔，截面均勻，確認(rèn)為單層結(jié)構(gòu)。與 CT 結(jié)果一致，六角腔長(zhǎng)2.5 mm，截面積約16.24 mm，壁厚約0.66 mm。

3. BYD 4680的3D X射線成像。

通過(guò)對(duì)比亞迪4680不同徑向（橫截面）CT切片，可更精細(xì)地審視電芯內(nèi)部及其結(jié)構(gòu)特征。圖4A從底部第一幀（Z=0）開(kāi)始，即可清晰分辨金屬負(fù)極盤(pán)及與其焊接的三根鎳極耳（圖中標(biāo)黃）；沿Z軸上移后，四根鋁正極耳也相繼顯現(xiàn)。圖4A最頂端切片中的高亮區(qū)域即對(duì)應(yīng)金屬正極盤(pán)上的焊接點(diǎn)。由于極耳材料不同，X射線吸收對(duì)比度差異明顯，圖4B的軸向旋轉(zhuǎn)切片可輕易區(qū)分四根鋁正極耳（C1-C4）與三根鎳負(fù)極耳（A1-A3）。

為快速、自動(dòng)分析電芯CT數(shù)據(jù)，采用Condon等報(bào)道的Glimpse后處理流程，對(duì)25顆BYD 4680卷芯中心進(jìn)行分割（圖4A藍(lán)色覆蓋層），量化中心區(qū)域面積及圓度。圓度定義為橢圓擬合最小/最大直徑比。25顆電芯的中心面積與圓度均表現(xiàn)出極高一致性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.546%與0.467%（圖4C）；最低圓度仍達(dá)97.2%，遠(yuǎn)高于常規(guī)圓柱電芯。這一高均勻性凸顯了帶中心軸圓柱設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)：顯著增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，降低應(yīng)力下的變形風(fēng)險(xiǎn)。

4. BYD 4680的3D X射線成像以突出電池特征和均勻性。

電化學(xué)性能測(cè)試

本節(jié)所有測(cè)試均在兩顆獨(dú)立電芯上重復(fù)進(jìn)行。以C/5（3 A）恒流-恒壓（截止C/60）協(xié)議在2.8–3.65 V區(qū)間循環(huán)，測(cè)得放電容量15.41 Ah、能量49.82 Wh，平均平臺(tái)約3.2 V，石墨階梯與FePO?LiFePO平臺(tái)清晰，印證LFP/石墨體系（圖5A）。據(jù)此計(jì)算重量與體積能量密度分別為151 Wh kg^-1和374.6 Wh L^-1，約為特斯拉NMC 4680的60%，主要受限于LFP本征比能低及更長(zhǎng)極片帶來(lái)的集流體、隔膜等冗余質(zhì)量。連續(xù)10圈循環(huán)無(wú)靜置，容量衰減<0.1%，CE逐周升高，顯示初期穩(wěn)定（圖5B）。

為獲得準(zhǔn)確的面容量，從拆出極卷上機(jī)械刮取單面涂層，裁剪13 mm（正極）和12.7 mm（負(fù)極）圓片，組裝CR2032半電池，LP57電解液，C/10首圈給出LFP單平臺(tái)、石墨多平臺(tái)特征（圖5C）；繼續(xù)C/5循環(huán)，平均可逆容量2.77 mAh（正極）和2.96 mAh（負(fù)極），對(duì)應(yīng)單面面容量2.09 mAh cm^-2與2.34 mAh cm^-2，N/P比1.1。

5. 25°C條件下全電池與半電池性能的電化學(xué)評(píng)估。

使用新購(gòu)買(mǎi)的BYD 4680在20% SOC下EIS測(cè)得RCT僅5.9 Ω·cm，Rs 51.5 Ω·cm。HPPC顯示DC內(nèi)阻隨SOC降低而升高，放電方向增幅更顯著，中低SOC區(qū)尤為明顯，體現(xiàn)LFP體系對(duì)SOC變化較NMC/NCA更不敏感的低阻抗優(yōu)勢(shì)。

6. 在25℃條件下電池阻抗的歸一化評(píng)估。

進(jìn)一步對(duì)比亞迪4680進(jìn)行倍率測(cè)試?；?5 Ah額定容量，選取C/2、1C、2C（7.5、15、30 A）對(duì)稱(chēng)充放，各5圈，CC后加CV至C/60。圖7A電壓曲線高度重合，顯示良好一致性。隨倍率升高，CV容量占比增加，C/2可用~15.00 Ah，2C降至13.25 Ah；回降C/2后仍可恢復(fù)近15 Ah（圖7B）。第5圈1C、2C容量利用率分別達(dá)94.7%與87.9%，且首圈后CE即穩(wěn)于99.8%。與特斯拉4680相比，比亞迪1C、2C充入量分別為額定值97.8%與92.7%，遠(yuǎn)高于對(duì)手的82.8%與71.0%，進(jìn)一步確認(rèn)其“功率型”定位。需注意的是，持續(xù)≥2C快充雖產(chǎn)熱抑制鋰析出，但可能伴隨副反應(yīng)、SEI增厚；而快放因電位較高，此類(lèi)副反應(yīng)較少。

7. 25℃下測(cè)量電池的倍率性能。

材料表征

為深入解析LFP與石墨電極，進(jìn)行SEM表征。圖8給出正、負(fù)極的俯視與截面照片。

正極：截面測(cè)得電極厚度約150 μm，鋁集流體約10 μm（圖8A），與螺旋測(cè)微計(jì)及CT切片結(jié)果一致。俯視（圖8B）可見(jiàn)100~300 nm納米LFP一次顆粒，該尺度可縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，提升倍率。LFP表面碳包覆層<10 nm，SEM難以分辨。EDS還檢出約0.3 at% Ti，提示Ti摻雜可縮小晶格、進(jìn)一步縮短擴(kuò)散通道，與納米化協(xié)同改善性能。

負(fù)極：電極層厚約125 μm，銅集流體約10 μm（圖8C），與五點(diǎn)測(cè)厚及CT均值吻合。與特斯拉4680單層石墨相比，BYD涂層厚54.5 μm，減薄54%，既降低內(nèi)阻又提升散熱，有利于快充高功率。俯視SEM（圖8D）顯示片狀石墨粒徑≤10 μm；EDS僅檢出石墨，無(wú)硅，C原子比91.2%，含碳黑、粘結(jié)劑；Na占1.8%，提示可能使用CMC粘結(jié)劑。近期干法工藝靠聚合物原纖化提高載量，但兩電極均未出現(xiàn)纖維形貌，表明仍采用傳統(tǒng)濕法涂布。

8. 拆解電池中雙面電極的代表性SEM圖像。

全文總結(jié)

綜上所述，本文系統(tǒng)解析了比亞迪4680圓柱磷酸鐵鋰電池的設(shè)計(jì)與特性。拆解顯示電極雙面涂布，卷芯內(nèi)置六角空腔塑料中心軸；正負(fù)極均為多極耳結(jié)構(gòu)，但負(fù)極最內(nèi)耳未外接端子。中心軸僅提供機(jī)械支撐，無(wú)額外透氣或吸液功能。同時(shí)，CT統(tǒng)計(jì)25顆電芯，卷芯圓度與面積一致性極高。SEM觀察到正極納米球形LFP、負(fù)極片狀石墨；EDS確認(rèn)LFP含微量Ti摻雜，負(fù)極無(wú)硅，且兩電極均無(wú)干法纖維形貌，表明沿用傳統(tǒng)濕法工藝。電芯級(jí)能量密度374.6 Wh L^-1、150.5 Wh kg^-1；EIS與HPPC均顯示毫歐級(jí)內(nèi)阻，低SOC區(qū)增幅明顯。此外，1C/2C倍率容量利用率分別達(dá)94.8%與88.1%，結(jié)合超薄石墨涂層，凸顯高功率定位。因此，本文證實(shí)了LFP在大圓柱高功率場(chǎng)景的可行性，為EV及儲(chǔ)能提供新思路，并指出熱管理與正極表面工程可繼續(xù)優(yōu)化。

【文獻(xiàn)信息】

Alex Liu, Weiliang Yao, Shaojie Yang, David Gonsoulin, Aiden Larson, Amariah Condon, Peter M. Attia,* Ying Shirley-Meng*, Design and Performance of the BYD LFP/Graphite 4680 Cylindrical CellJournal of The Electrochemical Society, https://doi.org/10.1149/1945-7111/ae1e33

【免責(zé)聲明】版權(quán)歸原作者所有，本文僅用于技術(shù)分享與交流，非商業(yè)用途！對(duì)文中觀點(diǎn)判斷均保持中立，若您認(rèn)為文中來(lái)源標(biāo)注與事實(shí)不符，若有涉及版權(quán)等請(qǐng)告知，將及時(shí)修訂刪除，感謝關(guān)注！

文章來(lái)源公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)交流分享，版權(quán)歸原作者所有，如果侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們予以刪除

-----------------------------------------------------------------

全新改版：動(dòng)力鋰電池PACK設(shè)計(jì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程40講+番外視頻課程，全名更新：

持續(xù)更新：典型電池包案例分析（奧迪etron、捷豹I-pace、大眾MEB、MODEL3、通用BOLT等）：

為什么選擇這套課程：

大家好，我是LEVIN老師，近10年專(zhuān)注新能源動(dòng)力電池包PACK系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電池包熱管理設(shè)計(jì)及CFD仿真。

該課程是全網(wǎng)唯一系統(tǒng)層級(jí)的PACK設(shè)計(jì)教程，從零部件開(kāi)發(fā)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核一系列課程，重點(diǎn)關(guān)注零部件設(shè)計(jì)、熱管理零部件開(kāi)發(fā)、電氣零部件選型等，讓你從一個(gè)小白從零開(kāi)始入門(mén)學(xué)習(xí)新能源電池包設(shè)計(jì)。

2025回饋新老新能源人，（新能源電池包技術(shù)）公眾號(hào)特惠，為方便大家提升，限量50份半價(jià)出售全套《新能源電池包PACK設(shè)計(jì)入門(mén)到進(jìn)階30講+免費(fèi)能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門(mén)到進(jìn)階28講+番外篇》視頻課程，并送持續(xù)答疑！了解更多課程，加微信號(hào)詳詢：LEVIN_simu

說(shuō)明：第5部分為免費(fèi)分享篇，部分內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)資料收集和整理，不作為商業(yè)用途。

解決動(dòng)力電池包MAP等效4C充電、熱失控?zé)嵋种啤?/span>恒功率AC/PTC滯環(huán)控制電路SOC模型設(shè)置教程；是目前市場(chǎng)上唯壹一套從PACK模型的簡(jiǎn)化到熱模型建立和后處理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真課程》，
關(guān)注公眾號(hào)：新能源電池包技術(shù)
或加右方微信號(hào)：LEVIN_simu

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問(wèn)或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。