最详细的特斯拉4680圆柱电池拆解与表征分析

摘要：

电池研究高度依赖当前电动汽车电芯特性的最新数据，新型电芯形态与结构的应用进一步凸显了公开电芯表征数据的必要性。本研究通过电芯级电学表征、热性能测试，以及对单颗电芯的材料级拆解（含三电极分析），详细解析第一代特斯拉 4680 电芯的结构与性能。

电芯拆解揭示其复杂结构：六边形对称电极集流盘、由双面均匀涂覆正负极、两层隔膜构成的无卷芯卷绕结构；并可推断采用无溶剂负极制备与涂布工艺。

能谱分析（EDX）、微分电压分析（DVA）、增量容量分析（ICA）及三电极测试共同证实：

• 正极：NMC811
  

• 负极：纯石墨，不含硅
  

电芯级测试得到：

• 体积能量密度：622.4 Wh/L
  

• 质量能量密度：232.5 Wh/kg
  

混合脉冲功率特性（HPPC）与电化学阻抗谱（EIS）揭示内阻与阻抗随荷电状态（SOC）的典型依赖关系。

2C 倍率无主动冷却充电时，电芯表面温度约 70 ℃。

本研究全部测试数据开源共享。

1 引言

自 1991 年索尼实现锂离子电池商业化以来，该技术取得长足进步。凭借高能量密度、稳定性与效率，2022 年全球电动汽车保有量超 2600 万辆，同比增长 60%。

锂离子电池技术路线多样，涵盖不同化学体系、形态与集成方案，从常见 18650 圆柱电芯（约 3 Ah）到容量超 100 Ah 的大尺寸软包 / 方形电芯。不同方案在循环寿命、热特性、质量 / 体积能量密度及安全性方面各有优劣。

4680 电芯规格（直径 46 mm，高度 80 mm）于 2020 年特斯拉电池日发布，用于 Model Y 车型。相比常用 18650/21700 圆柱电芯，更大尺寸 + 无极耳设计有望带来更高能量与功率能力，体积较 21700 提升 5.5 倍。

大圆柱电芯有望降低 Pack 组装成本：达到相同 Pack 性能所需单体数量更少，组装与串并联更简单。除特斯拉外，宝马也宣布新一代电动平台 “Neue Klasse” 将采用直径 46 mm 圆柱电芯（两种高度版本）。

电芯厂商通常仅披露有限参数，不公开高度复杂、耦合的制造工艺。电芯化学体系与设计随厂商、整车厂及需求而异，形成专属制造链条。

学术研究多在实验室或中试线开展，使用小尺寸、简化结构、手工 / 半手工工艺，研究级电芯与量产车用电芯差异显著，仅能作为有限参考。

大尺寸电芯趋势与量产数据匮乏，推动学术界深入研究大圆柱电芯特性。新型尺寸与无极耳结构共同决定实际表现，本研究为理解这些特性提供基础。

1.1 已有研究

4680 电芯上市时间短、量产车采购渠道有限，公开研究较少。

• Frank 等：通过多物理场模型，证明无极耳设计可降低极化与欧姆发热。
  

• Mayer 等：基于仿真数据开发激光烧蚀工艺。
  

• Tranter 等：数值模拟表明无极耳可降低集流体处损耗。
  

• Pegel 等：建立模型分析尺寸与壳体材料对性能的影响。
  

• Shen 等：模型证明无极耳可平衡大尺寸与热性能。
  

截至目前，仅有 Baazouzi 等对真实 4680 电芯开展学术研究，对比 18650/20700/21700/4680 发现：特斯拉 4680 并非完全无极耳，仅卷芯无极耳，约 25% 正极、30% 负极无缺口，导致电热传输路径较长。

本研究方法延续 Günter、Stock 等人对软包、方形电芯的拆解表征体系。

2 实验部分

2.1 测试电芯概况

所有测试电芯均来自2022 款特斯拉 Model Y，为第一代 4680 电芯。

9 颗电芯中 8 颗来自美国 Munro & Associates，1 颗带冷却结构仅作外观对比。

到货检查：4 颗顶部有凹痕，为拆解车辆时受力导致。残余结构胶用丙酮去除。

表 1 测试电芯 ID、初始状态与测试项目

注：TD = 拆解；El.= 电学表征；Th.= 热性能测试

图 1 被测锂离子电芯概况、电芯 ID、到货状态、分类及测试项目

2.2 电芯拆解与材料提取

选取电芯 ID 083/828，完全放电至 2.5 V，在氩气手套箱（H₂O、O₂＜0.1 ppm）内拆解。

使用铣刀 + 32 mm 切割片切开壳体，不伤及电极。

拆解流程：

1. 沿顶盖环切，取下顶盖

2. 剪开壳体侧壁，取出卷芯

3. 拆解卷芯，分离正、负极与隔膜

4. 尺寸测量、取样做 SEM/EDX

图 2 电芯拆解测试装置示意图

（包含：手套箱、氩气环境、铣削主轴、冷却风扇、切割工具、样品容器、记录相机）

图 3 电芯（ID 083/828）拆解过程与内部结构尺寸测量

(a)-(d) 电芯外观与开盖；(e) 开槽折叠负极极耳；(f) 负极集流盘；(g) 开槽折叠正极极耳；(h) 正极集流盘；(i) 拆解后的卷芯；(j)-(o) 内部结构与尺寸测量

2.3 结构与元素分析

• 厚度：微米尺测量
  

• 长度 / 宽度：卡尺、折尺
  

• 面密度：冲孔取样，高精度天平称重
  

• 集流体厚度：去除涂层后测量
  

• SEM/EDX：JEOL IT-200，15 kV
  

拆解后测量电芯与组件尺寸，剥离正负极集流盘并测绘；解开卷芯，分离正负极与隔膜，用千分尺测厚度、卡尺测长宽；用 14mm（正极）/15mm（负极）冲孔取样，高精度称重测面密度；用异丙醇去除涂层，测量集流体厚度；计算活性物质密度。采用SEM 扫描电镜与EDS 能谱分析形貌与元素组成。

2.4 三电极分析

以金丝为参比电极构建三电极体系，组装 1/2 英寸 T 型扣式电池。正负极用丙酮 / 异丙醇脱膜，负极因干法涂层需强化处理；用碳酸二乙酯（DEC）清洗 24h 脱锂，去除部分 SEI 膜。

真空干燥 100℃/24h 除水，在手套箱内组装，电解液采用 60μL LP572（巴斯夫）。参比电极金丝经小电流预锂化，静置 2h 充分浸润；以 C/10 活化 3 圈，C/50 测伪开路电压（pOCV），50% SOC 下测 EIS（100kHz~100mHz）。

研究正负极单独特性：

• 电极：单面脱膜，碳酸二乙酯洗涤 24 h
  

• 隔膜：250 μm，VWR 691
  

• 电解液：LP572，60 μL
  

• 测试：C/50 准 OCV，EIS（100 kHz~100 mHz）
  

2.5 电学表征

• 混合脉冲功率特性（HPPC）：10%~90% SOC，每 10% 间隔施加 0.5C/1C/1.5C 充放电脉冲（10s），测内阻特性。
  

• 容量与 pOCV：C/3 放电、C/20 充放电测容量与开路电压。
  

• 电化学阻抗谱（EIS）：80%/50%/20% SOC，10kHz~10mHz，500mA 激励。
  

测试电压区间 2.5V~4.2V，环境温度 25℃。

2.6 热特性测试

选取 536/828 电芯，在 25℃环境下1C/2C 恒流充电至 4.2V，静置 30min 观察降温，再以 C/3 放电至 2.5V。用红外热像仪记录顶盖、中心、底部温度，表面贴高发射率胶带消除金属反射干扰，并用 PT100 校核中心温度。

• 红外热像仪：FLIR A70
  

• 测点：顶盖、中部、底部
  

• 环境：25 ℃，无主动冷却

图 4 电学表征测试装置示意图（四线制测量、电芯夹具、电池测试仪、环境箱、安全热电偶）

图 5 热性能测试装置示意图

(a) 红外相机视角；(b) 测试装置布局（热像仪、PT100、四线制夹具、贴发射率胶带的电芯）

3 结果与讨论

3.1 电芯与卷芯结构

图 6 4680 电芯爆炸图

（壳体、卷芯、负极、负极集流盘、塑料绝缘片、正极集流盘、固定胶带）

关键尺寸：

• 外径：46 mm；总高：81 mm
  

• 壳体厚度：0.5 mm，内部体积 125.6cm³。
  

• 卷芯：高 71 mm，直径 44.5 mm
  

• 卷芯中心：无卷针，中空直径 5 mm
  

• 集流盘：六边形对称，铝（正极）/ 铜（负极），厚度均为0.2 mm
  

结构特点：

• 采用集流盘 + 折边极耳连接
  

• 负极盘接壳体，正极盘中心焊正极柱
  

• 塑料绝缘片隔离正极盘与壳体
  

• 注液孔用铜铆钉密封
  

• 底部 DataMatrix 码用于生产追溯
  

电极卷绕结构：双面涂布正极 + 双面涂布负极 + 两层隔膜。负极总长 3403mm，比正长长 136mm，完全包裹正极；隔膜更长，完全包裹电极组。

3.2 电极设计

图 7 正极 (a)、负极 (b) 集流盘尺寸详图（含激光焊道）

图 8 电极与隔膜尺寸示意图

(a) 正极；(b) 负极；(a*) 正极放大；(b*) 负极放大

结构：

• 双面涂覆正极 + 负极 +两层隔膜
  

• 负极总长 3403 mm，比正极长 136 mm，完全包裹正极
  

• 隔膜长于电极，外层隔膜完全包裹电极组
  

3.3 电极沿长度特性

图 9 正负极沿长度方向特性(a) 厚度；(b) 面密度；(c) 压实密度

• 卷芯处厚度最大，随后下降，超过 1 m 略有回升
  

• 面密度全程稳定
  

• 厚度不均源于充放电膨胀 + 卷绕压力分布

3.4 材料表征（SEM/EDX）

图 10 正极俯视 / 截面、负极俯视 / 截面 SEM 图（标尺 50 μm）

正极

• 球形颗粒，3~16 μm，典型 NMC 形貌
  

• EDX：Ni 81.8%，Co 12.1%，Mn 6.1% → NMC811
  

• F 7.9% → 粘结剂 PVDF
  

• 边缘有Al₂O₃保护层
  

负极

• 片状石墨，最大 35 μm
  

• EDX：C 90.5%，无 Si → 纯石墨
  

• F 7.9%，含 PTFE → 无溶剂干法工艺
  

• 铜箔与涂层间有黑色底涂，支持干法涂布
  

3.5 三电极测试

图 11 三电极测试结果

(a) C/50 准 OCV 曲线（全电池、负极、正极）

(b) 50% SOC 阻抗谱（负极、正极、全电池）

• 负极呈现典型石墨嵌锂平台（LiC₂₄、LiC₁₂、LiC₆）
  

• 全电池阻抗主要由负极贡献
  

• 负极接触阻抗偏高，与拆解、洗涤、老化相关
  

3.6 电芯级电学性能

图 12 电芯电学性能

(a) 不同电芯容量（C/3 放电、C/20 充 / 放）

(b) 不同 SOC 阻抗谱（80%/50%/20%）

• C/3 平均容量：22.078 Ah
  

• 能量密度：622.4 Wh/L，232.5 Wh/kg
  

• 阻抗随 SOC 降低而增大
  

图 13 准 OCV、DVA、ICA 曲线

(a) C/20 充电准 OCV

(b) 归一化 DVA（石墨相变、NMC811 相变）

(c) ICA 曲线

• 无硅特征峰 → 负极纯石墨
  

• 清晰分辨 NMC811 的 H1-M-H2-H3 相变
  

图 14 不同 SOC、不同倍率脉冲内阻

• 低 SOC 与中 SOC（50%~70%）内阻上升
  

• 倍率依赖性较弱
  

3.7 热性能

图 15 红外测温点位提取（顶盖、中心、底部）

图 16 1C/2C 充电热性能

(a) 电流曲线

(b) 顶盖 / 中心 / 底部温度曲线

(c) 顶盖 - 底部轴向温差

• 2C 充电表面最高温≈70 ℃
  

• 轴向温差约10 K，顶盖温度更高
  

• 大尺寸比表面积小，散热困难

4 结论

本研究全面表征第一代特斯拉 4680 圆柱电芯，涵盖电芯级电热测试与材料级拆解分析，核心结论如下。

1. 结构设计

六角对称集流盘、无卷针卷绕、加厚壳体（结构承载）、盘式无极耳连接；正负极双面涂布，两层隔膜。

2. 材料体系

正极：NMC811（高镍）

负极：纯石墨，无硅

工艺：负极采用无溶剂干法涂布（底涂 + PTFE 佐证）

3. 性能水平

容量：~22Ah

能量密度：232.5 Wh/kg/ 622.4 Wh/L

快充：2C 充电表面温度达 70℃，需高效热管理

内阻：低 SOC 与石墨相变区显著升高，负极主导阻抗

4. 工程定位

第一代 4680 为兼顾结构承载的保守设计，能量密度未达最优，优先保障可靠性、功率与量产性。本研究为车用大圆柱电芯的设计、仿真与工艺优化提供开源实测基础。