4680电池+CTC+一体化压铸+无稀土，只是压「榨」成本的开胃小菜？

前言

“埃隆·马斯克对特斯拉做出的最重要的一个决定，也是在特斯拉成功之路上起决定性作用、对汽车行业产生关键影响的一点，就是车企要尽可能自己生产关键部件，而不是采购独立供应商的数百个零部件后再组装成一辆车。特斯拉通过垂直整合来掌控自己的命运，把控车辆的质量、成本和供应链。”

——《埃隆·马斯克传》

1. 4680 电池+CTC 技术，推进降本制造革命

特斯拉 4680 圆柱电池：高容量、高倍率、低成本。

特斯拉电池降本计划拆解

4680 电池指的是直径 46mm、高度 80mm 的圆柱电池，于 2020 年特斯拉电池日上首次亮相，是圆柱电池从较小的 1865 到 2170 之后，进一步做大的结构创新。

电池成本和直径的关系，大圆柱利于降本

根据特斯拉的测算，46mm 直径是在圆柱电池对于整车续航里程提升的最优解，并且将带来可观的成本降低。4680 电池相比特斯拉此前采用的 2170 电池，单体容量提升 5 倍（体积、质量也增加约5倍）、车型续航提升16%、功率提升 6 倍，每千瓦时成本降低约14%。

特斯拉三代动力电池能量密度及尺寸变化

2. 4680 电池：大圆柱+全极耳+干电极技术

大圆柱电池降本增效，减少单位 GWh 投资。4680 电池计划采用大圆柱+全极耳 +干电极等全新技术，大幅提升能量（5 倍）、功率（6 倍）、续航里程（16%）降低每千瓦时成本（14%）、单位 GWh 投资（7%）。松下、LG、三星、亿纬、宁德时代、比克等电池企业纷纷跟进布局大圆柱技术路线。

特斯拉在 2020 年电池日上提出五大创新点，分别为电芯设计、电芯工厂、正极材料、负极材料、电芯车身一体化，若均兑现将会改善以下方面：

1）续航里程提升：电芯设计、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献 16%、20%、4%、14%，续航总共提升 54%；

2）单位 KWh 成本下降：电芯设计、电芯工厂、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献 14%、18%、5%、12%、7%，单位 KWh 成本总共下降 56%；

3）单位 GWh 投资减少：电芯设计、电芯工厂、负极材料、正极材料、电芯车身一体化分别贡献 7%、34%、4%、16%、8%，单位 GWh 投资总共减少 69%。

创新点 1：全极耳设计，降低内阻，支持大电流快充。相比于以前的圆柱电池， 4680 电池最大的结构创新是无极耳，又称全极耳。传统的圆柱体电池，正负极铜箔、铝箔隔膜叠加起来卷绕，为了引出电极，会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线叫极耳。

单极耳（上）与全极耳（下）电子流通路径对比

根据中国汽车工程学会赵宇龙的论文《动力电池 4680 全极耳技术扫描》，传统的 1865 电池卷绕长度是 800mm，以导电更好的铜箔为例，极耳从铜箔上把电导出来长度就是 800mm，相当于电流要通过 800mm 长的导线，通过计算得到电阻大约是 20mΩ；

2170 电池中的单极耳结构

2170 电池卷绕长度约是1000mm，电阻约 23mΩ；4680 电池把整个集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳，电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输，整个导电长度由 1865 或者 2170 铜箔长度的 800～ 1000mm 变成了 80mm（电池高度），电阻降到 2mΩ，内阻消耗由 2W 降到0.2W，降低了一个数量级。

4680 电池中全极耳结构

全极耳设计使得 4680 电池支持大电流快充，根据 George Bower 发布于 InsideEVs 的测算，预计最大充电速率从 2170 电池组的 250kW 增加到 4680 电池组的 275kW，在 85 华氏度的环境温度下，4680 电池组从10%充电到 80%的计算充电时间为 15 分钟，快于 2170 电池组（25 分钟）。

湿法电极涂布

创新点 2：干电极涂布，降低电芯生产成本。传统的电极涂布采用湿法工艺，先将电极粉末与溶剂混合制成浆料，之后均匀地涂布在箔材集流体上，最后进行烘干回收溶剂；

干法电极涂布

而干法电极直接将电极粉末与粘结剂 PTFE 混合，通过辊压的方式涂布在集流体上，省去了高能耗的烘干环节，从而降低电芯生产成本。同时，特斯拉通过电芯工厂减少 18%生产成本，主要系工艺提升、制造流程简化、生产线效率提高。其中干电极涂布设备占地减少 10 倍，能耗减少 10 倍，成本降低 10%-20%，并提高化成效率使得化成投资成本减少 86%，占地面积减少75%。

特斯拉电芯工厂电极涂覆、卷绕、装配、化成提高效率

创新点 3：硅基负极+高镍正极材料优化，提升能量密度。在 2020 年电池日活动中，特斯拉介绍了 4680 将采用高镍正极和硅基负极材料。

4680 高镍正极材料

1）正极材料上，镍含量提升一方面能够增加电池的能量密度，另一方面相对价格昂贵的钴含量降低，高镍正极通过兼顾价格与能量密度，使成本降低 12%。

4680 高镍正极材料发展

2）负极材料上，硅的比容量可达 4200mAh/g，是石墨容量（372mAh/g）的 10 倍以上，使用硅基负极可以提高电池的能量密度。截至 2022 年底的 4680 电池尚未采用硅基负极。

正极成本拆解显示，正极的制造工序是降本的关键之一

4680 电池结合 CTC 技术，已应用至 Model Y AWD 基础款车型。目前该设计已应用至德州工厂 Model Y AWD 基础款车型，该车型于 2023 年 4 月推出，EPA 续航里程最高达 449 公里。此外 Cybertruck 也将采用 4680 电池+CTC 技术。

3. CTC 技术：高集成度助力降本制造

特斯拉结构化电池

特斯拉采用 CTC 技术降本减重，提高集成度。2020 年 9 月，特斯拉在电池日上推出CTC技术，4680电池直接集成在底盘上，作为结构化电池（Structural battery）为底盘提供强度，节省电池包内 module 级和 pack 级的结构件，以此降低整车成本，提高系统集成度。特斯拉计划通过 CTC 技术搭配一体化压铸，实现车身和电池的一体化，减少 370 个零部件，减重 10%。

车身+电池一体化设计

从 CTP 到 CTC，提升电池集成技术。1.0 时代标准化模组的步骤为电芯-模组电池包-车身，2.0 时代 CTP 技术在此基础上省略模组环节，3.0 时代 CTC/CTB 技术采用电芯-底盘/车身集成方案，进一步提高系统集成度。其中零跑 C01 和特斯拉 Model Y AWD 基础款采用 CTC 技术，比亚迪海豹采用 CTB 技术。

CTP、CTC 和 CTB 技术路线对比

减少安全隐患为 CTC 技术首要挑战，特斯拉采用以下技术解决物理冲击、热失控等安全问题：

CTP、CTC 和 CTB 技术图解

1) 采用蜂窝结构吸收物理冲击，增强结构强度：4680 电池包底部是一层蜂窝状镂空层，根据 George Bower，蜂窝设计可以吸收电芯热失控时产生的气体，并在发生碰撞时吸收物理冲击。

特斯拉储能系统集成技术专利

2) 电芯间填充聚氨酯材料，进行热保护和结构性支撑：特斯拉在电芯上下和电芯之间填充聚氨酯材料，一方面固定电芯，对电芯间进行隔离和缓冲，其中电池靠近车身门槛的两侧灌胶相对更厚，起缓冲作用以避免电芯被挤压起火；另一方面聚氨酯具备隔热性能，可阻挡热量向车内传导。

电芯间填充聚氨酯材料

3) 热失控管理提升：特斯拉在 CTC 方案中电池包一侧配备八个泄压阀，热失控时可以快速打开泄压阀以降低电池起火风险。

电池包一侧安装八个泄压阀

4. 研发无稀土电机，降低成本

下一代动力系统计划减少 75%碳化硅使用量

2023 年 3 月 2 日特斯拉投资者日，特斯拉负责动力总成工程的副总裁 Colin Campbell 称，特斯拉的下一代永磁电机将不再使用稀土材料，下一代动力系统计划减少75%碳化硅使用量。

下一代永磁电机不再使用稀土资源

永磁同步电机为特斯拉车型的主流电机。最初特斯拉 Model S 和 Model X 搭载交流感应电机，自 2017 年 Model 3 起以及后续车型均搭载永磁同步电机，包括 3D1、3D5、3D6、3D7 型电机等。目前特斯拉主要使用的是最大功率 194kW、最大扭矩 340Nm 的 3D7 型，具备尺寸小及耗电量均衡等优点。

永磁同步电机

交流感应电机

计划搭载无稀土电机，降低成本。我们估计特斯拉计划搭载无稀土电机主要出于降本需求。特斯拉在现行使用的电机中采用的稀土元素主要为镝（10g）、铽（10g）、钕（500g）三种。中国为稀土主要出口国，截至 2023 年 6 月，中国镝、铽和钕的价格分别为 2740 元/千克、10400 元/千克和 617.5 元/千克，按照特斯拉稀土元素用量换算得每个电机驱动单元的稀土成本为440 元。

2022 年全球稀土储备国家分布情况以及稀土产品价格

实现无稀土电机的可能途径有二：1）采用不需要永磁体的电机；2）在永磁电机基础上使用稀土替代品做永磁体。其中，电机类型方面，交流感应电机和同步磁阻电机存在效率较低问题，未必能满足未来新能源汽车效能需求，而电励磁电机已搭载至宝马第五代 eDrive 电驱动系统和东风日产 ARIYA 并实现量产。

实现无稀土电机愿景的可能途径

永磁体方面，稀土永磁的最大磁能积比铁氧体的大 10-15 倍，远高于铁氧体，氮化铁磁体、铁镍磁体和锰铋基磁体等新型磁性材料还处于研制阶段，未来是否能满足新能源汽车效能需求并实现量产有待关注。

BMW 第五代 eDrive 三合一电驱系统

宝马第五代电力驱动系统采用电励磁同步电机，已搭载至量产车型。电励磁同步电机为无稀土电机，磁场由电流通过励磁绕组产生。宝马第五代 BMW eDrive 电力驱动系统采用的电励磁同步电机，电驱系统效率达 93%，已成功搭载至 BMW iX3、宝马 i4 及 2022 年底上市的纯电动 BMW i7 上，其中 i7 xDrive60L 车型 400 千瓦和 745Nm 的动力储备使其百公里加速成绩达到 4.7 秒。