输力强9300R应用 | 特斯拉4680大圆柱 vs 比亚迪刀片电池-设计与性能分析

介 绍

电动汽车市场的快速增长加剧了对先进锂离子电池技术的需求。在德国联邦教育与研究部资助的这项研究（grant no. 03XP0256）中，分析了两种领先的电池设计，即特斯拉的 4680 圆柱形电池和比亚迪刀片电池，电动汽车的电池选择和设计是在性能、安全性和成本之间取得平衡，这两种电池代表了不同的平衡方法。特斯拉 4680 电池采用高镍 NMC811 化学材料，优先考虑能量密度和续航里程；而比亚迪刀片电池采用磷酸铁锂 (LFP) 化学材料，则更注重安全性、热稳定性和成本效益。

本文基于亚琛工业大学电池工程与安全研究助理 Jonas Gorsch 及其团队发表的研究成果，对特斯拉 4680 圆柱形电池和比亚迪刀片电池进行了比较分析，重点关注它们的设计特点和性能特性。本文利用 Gorsch 等人发表的开源文章《比亚迪刀片电池与特斯拉 4680 圆柱形电池的拆解分析》（Contrasting a BYD Blade prismatic cell and Tesla 4680 cylindrical cell with a teardown analysis of design and performance）中的数据1，详细介绍了如何使用 AMETEK Solartron Analytical SI-9300R 电池分析仪评估能量密度、内部直流电阻、热管理和效率等关键参数。

SI-9300R 电池分析仪是一台综合性的电池测试仪，可以实现交直流一体化的测试，提供最大1000A的直流电流和最大100A的交流信号（有效值）。同时9300R辅助分压功能(三电极测试)以及任意波形工具可以覆盖电池开发，测试，分析和分级等全生命周期应用。

电池设计概述

特斯拉4680大圆柱电池

特斯拉4680电池是一款大型圆柱形电池，直径46毫米，高度80毫米。它采用无边框设计和“果冻卷”结构，电极层紧密缠绕在钢制外壳内。电极连接采用激光焊接，降低了内阻并提高了电流收集效率。

正极采用NMC811（镍锰钴比例为8:1:1），负极为不含硅添加剂的石墨。粘合剂包括聚丙烯酸（PAA）和聚环氧乙烷（PEO）。

比亚迪刀片电池

比亚迪刀片电池是一款方形电池，尺寸为长 965 毫米、高 90 毫米、厚 14 毫米。它采用 Z 形折叠电极堆叠和激光/超声波混合焊接技术，实现稳固的电极连接，从而提供机械稳定性并简化热管理。

正极材料为磷酸铁锂（LFP），以其热稳定性和低成本著称，负极材料为石墨。粘合剂包括羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）。

▲图1. 两种电池图片

使用SI-9300R电池分析仪进行性能分析

SI-9300R 电池分析仪是一款多功能电池特性分析工具，可精确测量电、热和电化学性能。以下是基于拆解数据将其应用于特斯拉 4680电池和比亚迪刀片电池的分析。

能量密度和容量

测量方法：使用 SI-9300R 电池分析仪以 C/10的倍率测量电池的容量和标称电压。以 C/20 电流为 CV 截止点，进行 CCCV（恒流、恒压）充放电循环。计算充电和放电期间的平均容量（参见表 1）。然后比较电池的效率行为，以评估其电性能。

特斯拉 4680 电池的比能量密度达到 241.01 Wh/kg与 643.3 Wh/L，远超比亚迪刀片电池的 160 Wh/kg 和 355.26 Wh/L。这反映出 NMC811 正极材料的能量密度720 Wh/kg高于 LFP的528 Wh/kg。然而，两款正极材料的利用率接近，特斯拉为 33.45%，比亚迪为 30.3%，这表明尽管设计存在差异，但活性材料的利用效率相似。

热管理和效率

测量方法：利用SI-9300R的电化学和同步温度测量功能，评估1C及更高倍率充放电条件下的发热和内阻。根据ISO 12405-4.29标准，通过测量10% SOC阶跃和10℃、20℃和40℃下的内部直流电阻来比较电池热效率。图2显示了1C充放电电阻。两种电池的电阻在较低温度下均上升。特斯拉4680电池的电阻在高SOC下会增加，尤其是在寒冷的环境下，而比亚迪刀片电池的电阻则会下降。这可能反映了高锂含量导致的负极电荷转移阻力，需要进一步研究，因为高SOC下电阻上升的情况并不常见。

▲图2. 20℃下1C倍率下平均直流电阻：(A) 比亚迪刀片电池；(B) 特斯拉4680电池1

比热量（单位体积的热量）计算如下：

热量/体积 = (I1C)² × R平均的/ V电池

其中，I = 电流；R = 内阻；V = 体积。

在1C负载下，特斯拉4680电池单位体积产生的热量约为比亚迪刀片电池的2倍（图3）。因此，在相同的功率需求下，特斯拉4680电池的冷却系统必须处理的单位体积热量约为比亚迪电池的2倍。因此，比亚迪电池的LFP电极设计为快速充电提供了更有利的冷却策略。

▲图3. 1C时两个电池的比热量1

结 论

特斯拉 4680 电池和比亚迪刀片电池代表了电动汽车电池设计的不同思路：前者优先考虑能量密度和性能，后者则注重安全性和成本。SI-9300R 电池分析仪提供了一个强大的平台来评估这些差异，使工程师能够为下一代电池系统做出数据驱动的决策。

SI-9300R 电池分析仪是一台综合性能非常强大的电池测试仪，可以实现大电流交直流一体化的测试，对比传统的充放电仪+电化学工作站的连接方式，减少了整个回路的连接，从而避免看了接触电阻与系统误差的产生。针对目前的大容量电芯快充开发及失效分析测试需求，9300R系列可以提供高达1000A的直流电流和最大100A的交流信号（有效值）。同时9300R拥有辅助分压功能，可以实现正负极同步阻抗，独立分析正负极的贡献及老化过程。用户也可以利用 Aspire Energy® 软件的任意波形工具，模拟城市工况下的等真实环境的运行条件，从而优化热管理系统，确保每种电池类型的安全性和使用寿命。