第一作者：Alex Liu

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

通訊單位：加州大學圣地亞哥分校，Glimpse

研究背景

新能源汽車對大尺寸鋰離子電池需求的不斷增長，推動了具備更高能量密度和更優成組效率的電芯規格加速發展。截至2024年底，全球乘用車保有量中電動車占比約4%，預計2030年將翻四倍。對于汽車應用，LIB研發圍繞成本、能量密度和功率能力展開，同時兼顧安全與壽命，由此催生了多種化學體系、電芯規格及集成方案。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Model Y平臺推出的4680圓柱電芯，體積和容量約為上一代21700的5倍。配合無極耳（tabless）設計，旨在不犧牲制造效率與生產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車平臺開發了創新電芯——采用磷酸鐵鋰（LFP）化學的“刀片電池”方殼方案，強調安全、壽命和成本。然而，比亞迪同時在其電動車及儲能系統（ESS）中采用并量產4680規格的LFP/石墨圓柱電芯，其他電池廠商亦紛紛跟進大尺寸規格。

工作介紹

在此，美國加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley-Meng教授（孟穎）和美國馬薩諸塞州的電池掃描公司Glimpse的Peter M. Attia等人對比亞迪4680 LFP/石墨圓柱鋰離子電芯進行了全面解析：通過系統的物理拆解、X 射線成像、電化學測試及電子顯微成像，從電芯到材料層級對其性能與結構進行評估。拆解與 X射線結果顯示，該電芯采用罕見的多極耳設計，電極雙面涂布均勻，且石墨負極未添加硅材料。電化學測試表明，其能量密度達到374.6 Wh L^-1和 150.5 Wh kg^-1。同時，混合脈沖功率特性（HPPC）與電化學阻抗譜（EIS）進一步顯示，該電芯具備出色的倍率性能：在不同荷電狀態（SOC）下，電芯直流面積比阻抗僅為6~17 Ω·cm，電荷轉移面積比阻抗約5.9 Ω·cm。因此，上述發現為4680規格在設計與性能上的新方向提供了實證，為大尺寸圓柱電池技術的未來發展奠定了堅實基礎。本文研究的比亞迪4680是繼特斯拉4680之后第二款被公開表征的4680規格電芯。

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

內容表述

電芯結構與卷芯設計

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

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

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

其余非活性件見圖1D：金屬正極盤厚0.31 mm，外緣呈非對稱擴大，并留有圓、半圓及矩形缺口供鋁極耳及PET帶穿過；與正極蓋之間夾0.29 mm藍色塑料正極盤，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，其徑向伸出距離分別為0.4、13.1、16.0、18.3 mm。金屬負極盤厚為0.31 mm，僅半圓缺口，無中心孔，直接點焊殼底；三根鎳極耳徑向距離9.0、15.6、20.0 mm，盤與卷芯之間另設同厚塑料盤絕緣，防止鋁集流體與殼體短路。

圖1. 比亞迪4680的尺寸、拆卸、內部特征和非活動組件概述。

圖2. BYD 4680三維示意圖。

為直觀、定量解析 BYD 4680 結構，采用3D X射線計算機斷層掃描（CT）實現無損全芯成像。圖3A的2D徑向切片清晰展示內部結構，對比度與各組件一一對應；放大圖（圖 3B）可見塑料中心軸與電極對比分明，軸內呈六角形空腔，拆出后光學驗證一致。圖 3C 的軸向旋轉切片給出全身視圖，圖 3D 進一步分辨層狀電極、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。

實測中心軸高 7.1 mm，與負極卷高度一致。常規圓柱電池借中心軸抑制徑向變形或在熱失控時提供排氣通道。為驗證BYD設計是否超越傳統功能，先在常壓下向六角腔注入乙醇，無泄漏；再在手套箱內真空干燥后浸LP57電解液兩周，稱重幾乎無增重，表明軸體不吸液，主要起結構支撐作用，可在快充或熱沖擊下防止卷芯塌陷。同時，紅外光譜鑒定中心軸材質為聚丙烯（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，確認為單層結構。與 CT 結果一致，六角腔長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。

通過對比亞迪4680不同徑向（橫截面）CT切片，可更精細地審視電芯內部及其結構特征。圖4A從底部第一幀（Z=0）開始，即可清晰分辨金屬負極盤及與其焊接的三根鎳極耳（圖中標黃）；沿Z軸上移后，四根鋁正極耳也相繼顯現。圖4A最頂端切片中的高亮區域即對應金屬正極盤上的焊接點。由于極耳材料不同，X射線吸收對比度差異明顯，圖4B的軸向旋轉切片可輕易區分四根鋁正極耳（C1-C4）與三根鎳負極耳（A1-A3）。

為快速、自動分析電芯CT數據，采用Condon等報道的Glimpse后處理流程，對25顆BYD 4680卷芯中心進行分割（圖4A藍色覆蓋層），量化中心區域面積及圓度。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出極高一致性，相對標準差分別為0.546%與0.467%（圖4C）；最低圓度仍達97.2%，遠高于常規圓柱電芯。這一高均勻性凸顯了帶中心軸圓柱設計的優勢：顯著增強機械穩定性，降低應力下的變形風險。

4. BYD 4680的3D X射線成像以突出電池特征和均勻性。

電化學性能測試

本節所有測試均在兩顆獨立電芯上重復進行。以C/5（3 A）恒流-恒壓（截止C/60）協議在2.8–3.65 V區間循環，測得放電容量15.41 Ah、能量49.82 Wh，平均平臺約3.2 V，石墨階梯與FePO?LiFePO平臺清晰，印證LFP/石墨體系（圖5A）。據此計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本征比能低及更長極片帶來的集流體、隔膜等冗余質量。連續10圈循環無靜置，容量衰減<0.1%，CE逐周升高，顯示初期穩定（圖5B）。

為獲得準確的面容量，從拆出極卷上機械刮取單面涂層，裁剪13 mm（正極）和12.7 mm（負極）圓片，組裝CR2032半電池，LP57電解液，C/10首圈給出LFP單平臺、石墨多平臺特征（圖5C）；繼續C/5循環，平均可逆容量2.77 mAh（正極）和2.96 mAh（負極），對應單面面容量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評估。

使用新購買的BYD 4680在20% SOC下EIS測得RCT僅5.9 Ω·cm，Rs 51.5 Ω·cm。HPPC顯示DC內阻隨SOC降低而升高，放電方向增幅更顯著，中低SOC區尤為明顯，體現LFP體系對SOC變化較NMC/NCA更不敏感的低阻抗優勢。

6. 在25℃條件下電池阻抗的歸一化評估。

進一步對比亞迪4680進行倍率測試。基于15 Ah額定容量，選取C/2、1C、2C（7.5、15、30 A）對稱充放，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后仍可恢復近15 Ah（圖7B）。第5圈1C、2C容量利用率分別達94.7%與87.9%，且首圈后CE即穩于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%，遠高于對手的82.8%與71.0%，進一步確認其“功率型”定位。需注意的是，持續≥2C快充雖產熱抑制鋰析出，但可能伴隨副反應、SEI增厚；而快放因電位較高，此類副反應較少。

7. 25℃下測量電池的倍率性能。

材料表征

為深入解析LFP與石墨電極，進行SEM表征。圖8給出正、負極的俯視與截面照片。

正極：截面測得電極厚度約150 μm，鋁集流體約10 μm（圖8A），與螺旋測微計及CT切片結果一致。俯視（圖8B）可見100~300 nm納米LFP一次顆粒，該尺度可縮短鋰離子擴散路徑，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、進一步縮短擴散通道，與納米化協同改善性能。

負極：電極層厚約125 μm，銅集流體約10 μm（圖8C），與五點測厚及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，無硅，C原子比91.2%，含碳黑、粘結劑；Na占1.8%，提示可能使用CMC粘結劑。近期干法工藝靠聚合物原纖化提高載量，但兩電極均未出現纖維形貌，表明仍采用傳統濕法涂布。

8. 拆解電池中雙面電極的代表性SEM圖像。

全文總結

綜上所述，本文系統解析了比亞迪4680圓柱磷酸鐵鋰電池的設計與特性。拆解顯示電極雙面涂布，卷芯內置六角空腔塑料中心軸；正負極均為多極耳結構，但負極最內耳未外接端子。中心軸僅提供機械支撐，無額外透氣或吸液功能。同時，CT統計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、負極片狀石墨；EDS確認LFP含微量Ti摻雜，負極無硅，且兩電極均無干法纖維形貌，表明沿用傳統濕法工藝。電芯級能量密度374.6 Wh L^-1、150.5 Wh kg^-1；EIS與HPPC均顯示毫歐級內阻，低SOC區增幅明顯。此外，1C/2C倍率容量利用率分別達94.8%與88.1%，結合超薄石墨涂層，凸顯高功率定位。因此，本文證實了LFP在大圓柱高功率場景的可行性，為EV及儲能提供新思路，并指出熱管理與正極表面工程可繼續優化。

【文獻信息】

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

【免責聲明】版權歸原作者所有，本文僅用于技術分享與交流，非商業用途！對文中觀點判斷均保持中立，若您認為文中來源標注與事實不符，若有涉及版權等請告知，將及時修訂刪除，感謝關注！

文章來源公開網絡，僅供學習交流分享，版權歸原作者所有，如果侵權請聯系我們予以刪除

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

全新改版：動力鋰電池PACK設計及系統設計課程40講+番外視頻課程，全名更新：

持續更新：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年專注新能源動力電池包PACK系統設計、電池包熱管理設計及CFD仿真。

該課程是全網唯一系統層級的PACK設計教程，從零部件開發到結構設計校核一系列課程，重點關注零部件設計、熱管理零部件開發、電氣零部件選型等，讓你從一個小白從零開始入門學習新能源電池包設計。

2025回饋新老新能源人，（新能源電池包技術）公眾號特惠，為方便大家提升，限量50份半價出售全套《新能源電池包PACK設計入門到進階30講+免費能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門到進階28講+番外篇》視頻課程，并送持續答疑！了解更多課程，加微信號詳詢：LEVIN_simu

說明：第5部分為免費分享篇，部分內容來源于網絡公開資料收集和整理，不作為商業用途。

解決動力電池包MAP等效4C充電、熱失控熱抑制、恒功率AC/PTC滯環控制電路SOC模型設置教程；是目前市場上唯壹一套從PACK模型的簡化到熱模型建立和后處理評價標準的系統講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動力電池熱管理系統設計》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲能系統熱管理設計與仿真課程》，
關注公眾號：新能源電池包技術
或加右方微信號：LEVIN_simu

聲明：本文系轉載自互聯網，請讀者僅作參考，并自行核實相關內容。若對該稿件內容有任何疑問或質疑，請立即與鐵甲網聯系，本網將迅速給您回應并做處理，再次感謝您的閱讀與關注。