標準型 ——可行性評估報告

autumn 发布时间:2024-12-11 0浏览

儲能ESS儲能系統

ESS儲能技術主要是指電能的儲存，儲存的電能可以用做緩衝或應急之能源，也可以於低電網負荷時進行儲能，高電網負荷時輸出能量，達成削峰填谷，減輕電力波動之目的。電力使用極具高度的尖峰集中性，故「削峰填谷」便成為電力發展的重要方向。

[儲能]就是這個概念下最重要的手段之一，透過儲能技術加強電力管理，將讓用電更有效率，減少暴起暴落的用電與發電情況。

儲能的削峰填谷，按分時電價政策的峰谷電價差，通過儲能系統的充放電可實現峰谷電量搬移，獲得商業價值。電網出現異常時，儲能系統可以作為電源給負載供電。

?透過儲能技術加強電力管理，讓用電更有效率，減少暴起暴落的用電與發電情況。

?透過用電大戶支持政策而安裝儲能設備利用智慧新能。

?源物聯網平台，執行「離峰充電、尖峰放電」有效平滑化尖離峰負載差異降低限電危機。

?利用儲能系統節電後，降低契約容量，節省流動電費和基本電費（契約容量）。

?儲能技術是未來再生能源電網所需的重要技術，可平衡尖離峰用電，穩定電網，各國皆有政策扶持儲能設備進入市場。

4680電池技術

1. 簡介

1.1. 定義

4680電池為特斯拉推出的直徑為46mm，高度為80mm的新一代圓柱電池

圖：4680電池展示圖

對於電池來講，能量密度提升時，功率密度會下降，直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優選擇。

圖：圓柱電池尺寸與性能變化

1.2. 核心創新

大電芯+全極耳+乾電池技術

1.3. 性能突破

4680電池大幅提升了電池功率（6倍於2170電池），降低了電池成本（14%於2170電池），優化了散熱性能、生產效率、充電速度，能量密度、迴圈性能有進一步的提升空間。

2. 結構改變

2.1. 全極耳

4680電池通過極耳結構的改變，大幅提升了電池功率、優化了散熱性能、生產效率、充電速度。

2.1.1. 全極耳結構

極耳：從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，是電池充放電時的接觸點。在電池工作中，電子從正極極耳流向負極極耳，其流經路徑與電池內阻成正比，流經寬度與電池內阻成反比，而電池內部損耗功率與內阻的平方成正比，因此極耳接觸面積越大，極耳間距越短，電池輸出功率越高。

傳統電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，而4680電池實現了全極耳（直接從正極/負極上剪出極耳），從而大大增加了電流通路，並縮短了極耳間距，進而大幅提升了電池功率。

2.1.2. 全極耳優勢

1、提升了輸出功率：電池電流通路變寬，且內阻大幅減少，內部損耗隨之降低，進而大幅提升了電池功率（6倍於2170電池）。

2、提升安全性：圓柱電池與片狀電池不同，其散熱為軸向居多，熱量從極耳出散出。傳統圓柱電池如2170只有兩個極耳，熱量傳輸通道窄，因此散熱效果不好。4680電池極耳面積大大增加，熱量傳輸通道寬闊，大大改善了散熱效果（只有傳統圓柱電池的20%），增強了電池的熱穩定性。

3、快充性能大幅提升：由於全極耳結構，電子更容易在電池內部移動，電流倍率提高，因此充放電速度更快。

4、提高生產效率：消除生產線添加極耳的流程和時間，節省設備空間，減少出現製造缺陷的可能。

2.1.3. 全極耳工藝難點

1、全極耳製作中，極耳的收集問題：通俗的理解就是把極耳折在一起的工藝，目前有揉壓極耳、切跌極耳、多極耳三種：

1）揉壓極耳的極耳形態不受控，容易發生短路，製造時兩段封閉，電解液滲入阻礙大；

2）切跌極耳（Tesla）斜切成片卷起，比無規則擠壓好一些，占空間較小，但表面起伏度較大，製造時兩段仍封閉，注液不能連續生產；

3）多極耳很難折疊整齊，極耳位置誤差在外圈易被放大。

2、全極耳與集流盤或殼體連接中，對鐳射焊接技術要求較高：從點焊（傳統兩個極耳）到面焊（4680電池全極耳），焊接工序和焊接量都變多，鐳射強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊，目前電池良率較低（80%）。

圖 Tesla切跌極耳成品

2.1.4. 全極耳帶來的機遇

從以往2170電池的脈衝雷射器點焊，到目前4680電池線或鐳射點陣，鐳射焊接工藝提升，可能會從原來的脈衝雷射器變為連續雷射器，整體造價增加。

2.2. 大電芯

2.2.1. 性能表現

4680電池較之前2170電池在直徑和高度上具有提升，直徑從27mm變為46mm，高度從70mm變為80mm，電芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大。

2.2.2. 尺寸變大優勢

1、降低電池成本：降低殼體在單位電池容量上的占比，結構件和焊接數量也顯著減少（成本相比2170電池降低14%）。

2、提升能力密度：隨著電池尺寸增大，電池組中電池數量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。

3、bms系統更加省心：電池組中電池數量減少，對於電池的監測和狀態分析更為簡單。

4、結構強度增加，與CTC技術完美結合：4680尺寸更大結構強度更高，其作為結構電池成為車結構的一部分，既提供能源，也用作結構起支撐作用，節省了空間也減少了重量（10%），因此提升了續航里程（14%）。

2.2.3. 尺寸變大劣勢

增加發熱量：電池尺寸越大，發熱越多，散熱越難，因此熱量控制更困難，電池爆炸產生的威力越大，為之前電池廠商想增加電池尺寸的最大瓶頸，Tesla通過全極耳技術進行了熱穩定性能的突破。

2.2.4. 實際性能表現

隨著電池尺寸增大，電池組中電池數量減少，金屬外殼占比減少，正極、負極等材料占比增加，能量密度提高。與2170電池相比，4680電池能量方面提高了5倍，目前續航里程的提升（16%）主要來自CTC技術（14%），隨著材料體系的不斷升級，電池能量密度有進一步提升空間。

3. 乾電池技術

幹電極技術可同時用在正負極上。

3.1. 傳統濕法工藝

需要將材料放置溶液中，再進行乾燥和壓成膜：使用有粘合劑材料的溶劑，其中NMP（N-甲基吡咯烷酮）是其中一種常見溶劑，將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合後，將漿料塗在電極集電體上並乾燥，其中溶劑有毒需回收，進行純化和再利用，中間需要巨大、昂貴且複雜的電極塗覆機器。

3.2. 乾電池工藝

幹電極工藝徹底跳過加入溶液步驟，可省略繁複的塗覆，烘乾等工藝，大幅簡化生產流程：將活躍的正負極顆粒與聚四氟乙烯（PTFE）混合，使其纖維化，直接用粉末擀磨成薄膜壓到鋁箔或者銅箔上，製備出正負極片。

圖：Tesla乾電池工藝展示

3.3. 乾電池優勢

1、工藝簡單，節省成本：不採用溶劑，省去了昂貴的塗覆機。

2、提升生產效率：幹電極技術使生產速度提升至以前的七倍。

3、增加電池能量密度：有溶劑的情況下，鋰與混有鋰金屬的碳不能很好的彼此融合，有第一次迴圈容量損失問題，乾電池技術會大大改善這種問題，從而提升電池能量密度。同時增加正極材料厚度，從55μm提升至60μm 提升活躍電極材料比，使能量密度提升5%同時，保證功率密度。

3.4. 乾電池工藝難點

目前工藝不成熟，電池要做厚，圓柱要卷起來，容易開裂。

4. 矽負極

4.1. 優勢

1、理論能量密度更高：石墨負極理論最大電池容量372Wh/kg，矽負極理論最大電池容量可達4200Wh/kg。

2、安全性更好：矽的電壓平臺比石墨高，現在負極石墨都會產生鋰枝晶，是因為它們的電壓平臺接近鋰的析出電位，支晶刺破隔膜，正負極將發生短路，嚴重威脅電池安全。

3、成本更低：矽材料來源廣，儲量豐富，製作成本較低，對環境友好。採用矽負極材料的鋰離子電池的品質能量密度可以提升8%以上，體積能量密度可以提升10%以上，同時每千瓦時電池的成本可以下降至少3%。

4.2. 劣勢

1、迴圈性能差：嵌鋰後體積膨脹，石墨在鋰離子嵌入後體積無明顯膨脹情況，但矽在鋰離子嵌入後體積膨脹四倍以上，來回幾次膨脹收縮後電池就報廢了。

2、導電性差：矽的低電導性限制其容量的充分利用和矽電極材料的倍率性能；體積變化使活性物質與導電劑粘結劑接觸差，導電性下降；矽表面的SEI膜厚且不均勻，影響導電性與電池整體比能量。

4.3. 4680電池創新設計

Tesla對原材料重新設計，採取高彈性材料，並通過增加彈性的離子聚合物塗層，可以穩定矽表面結構，並使成本降低5%。

圖：Tesla矽負極工藝原理

4.4. 矽碳負極為矽負極的發展方向

電池企業積極應用矽碳負極：矽碳負極目前主要應用於圓柱電池，寧德時代、力神電池、國軒高科與普萊德等動力電池廠商高比容量電池方案中，矽碳負極為明確發展方向。

矽碳負極研發生產提速：國外矽碳產業化較為領先，國內廠商正積極追趕，目前國內負極廠商已擴大矽碳負極投入，貝特瑞、杉杉、國軒高科、正拓能源可實現量產。其中貝特瑞矽碳負極供給松下動力電池，進入特斯拉產業鏈。部分電池企業如CATL、比亞迪、國軒高科、比克和天津力神等企業均在矽碳積極佈局。

矽碳電池是高能量密度發展的必然趨勢，隨技術瓶頸的克服與終端客戶接受度提升，矽碳將成本下降，實現大規模量產， CNCET預計23年我國矽碳負極材料產量及消費量將達到6萬噸，未來矽碳負極市場前景巨大。

5. 正極

不同的電極用在不同的產品上，鐵鋰版的4680會用在低續航的車型和能源儲蓄電池，主打更多迴圈次數；鎳錳鋰4680電池用在中等續航的車型和家用電池上；高鎳4680電池用在cybertruck和Semi上。

Tesla正極材料主打高鎳無鈷化方向，但沒有提出與主流路線之外的創新：使用NCA單晶路線，通過提升電壓來提升能量密度，材料熱穩定性媲美磷酸鐵鋰。

5.1. NCA

三元正極材料路線一般分為兩條：

1）Tesla採取的NCA（鎳鈷鋁）；

2）NCM（鎳鈷錳），

比如寧德時代使用的NCM523、NCM622、NCM811。

圖：NCM與NCA區別

正極材料中元素的作用為：

鎳：提升電池能量密度，降低電池成本。是電池提升續航的關鍵。

鈷：作為正極支架結構堅固，但價格昂貴，並對環境造成污染。

錳、鋁：提高材料的導熱性，是熱穩定性，更安全的關鍵。

鐵：鎳的替代材料，能量密度不高，但價格便宜，充放電次數更高。

相比與NCM，NCA的能量密度更大，工藝要求也更高，但安全性差些。Tesla提高鎳的含量，降低鈷的含量，從而提升能量密度，降低成本。

圖：NCM中鈷含量在逐漸降低

5.2. 單晶化

與提高鎳元素來提高能量密度不同，單晶化是通過提高正極材料的電壓來提升能量密度：單晶材料相對于傳統的多晶材料更適合做高電壓，沒有晶界，可提升三元電池的熱穩定性和迴圈性能。

圖：單晶化正極鎳含量

圖：單晶化提升電池迴圈性能

以5系為代表高電壓單晶材料鎳55電池，只採用了和NCM523相同的鎳含量，就可實現NCM811的能量密度，並且有更突出的材料方面的熱穩定性，成本比NCM811更低。

圖：鎳55電池和NCM系電池成分對比

5.3. 4680電池正極趨勢

4680電池實際有三種不同的正極材料：鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳。

圖：三種4680電池（鐵鋰、鎳錳鋁、高鎳）運用產品

5.3.1. 4680電池目前以高鎳方向為主

4680高鎳版為Tesla目前主要方向，未來用在高續航的Cyber truck和Semi上，同時長續航和高性能版本的Model 3和Model Y也可使用。

5.3.2. 4680電池鎳錳版將緊跟高鎳版

在4680高鎳版技術成熟後，將研發4680鎳錳版，將應用在中等續航Model Y及家用電池等產品上。

5.3.3. 4680電池未來也有可能使用鐵鋰正極

4680電池也有可能使用鐵鋰正極：Tesla電池發佈會中，並未提及其迴圈性能，因為矽基陽極體積膨脹降低充放電次數，在鎳錳版4680電池技術成熟後，鐵鋰版的4680電池大概率也可推出，應用於低價車型、能源儲蓄電池中，主打高迴圈性能。

電池型號從高鎳版陸續到鎳錳版最後到鐵鋰版的4680電池逐漸發展，會拉動相關材料的需求。

6. 結論

4680電池核心創新工藝為：大電芯+全極耳+乾電池技術，增強了電池功率與安全性，提升了生產效率、快充性能，降低了電池成本，能量密度、迴圈性能有進一步的提升空間。目前技術難點在於全極耳的製作和焊接、幹電極工藝。4680電池率先應用于高鎳體系，預計22年上半年特斯拉及松下開始量產，將帶動高鎳正極+矽碳負極+碳納米管導電劑+大圓柱結構件+新型鋰鹽需求，對應龍頭將受益；國內大圓柱電池億緯佈局領先，擬投20gwh產能，預計將於2023年放量。

關於4680電池

近日，特斯拉弗里蒙特4680電池試點工廠產量突破100萬的消息引起業界廣泛關注，這意味著特斯拉在4680電池技術壁壘上取得了重大突破，同時也意味著距4680電池的大規模量產又進一步。本文整理了4680電池的技術創新、量產難點等多方面的信息以及最新進展，可以幫助讀者快速建立對4680電池的了解和認識。

一. 性能“逆天”的4680

4680電池是一種直徑46mm、高80mm的圓柱體電池（經研究，對於電池來講，能量密度提升時，功率密度會下降，直徑46mm是圓柱電池兼顧高能量密度和高功率密度的最優選擇），較一代的1860圓柱電池和二代2170圓柱電池主要有以下優勢：

1. 電池組能量密度提高

4680電池直徑和高度的增加，使電芯厚度增加，曲率降低，空心部分更大，內部活性物資的容量隨之增大，從而導致電池組中所需電池數量減少（一代的1860圓柱電池需要7200+個電芯，二代2170圓柱需要4400+個電芯，4680電池僅僅只需要950個電芯）金屬外殼佔比減少，正極、負極等材料佔比增加，單顆電芯的容量提高（5倍於2170電池）。有知情人士稱特斯拉計劃2022年第一代4680電池容量為98Wh、2023年第二代電池容量是108Wh、2024 年第三代電池容量是118Wh。

2. 電池組功率輸出提升

4680電池創新的採用了全極耳技術（傳統電池只有兩個極耳，分別連接正極與負極，全極耳是直接從正極/負極上剪出極耳，縮短了極耳間距，增加了極耳面積），使電池電流通路變寬，內阻大幅減少，內部損耗隨之降低（電池內部損耗功率與內阻的平方成正比），進而大幅提升了電池功率（6倍於2170電池）。

3. 電池組安全性提高

圓柱電池熱量多從極耳出散出，4680電池的全極耳結構增加了熱量傳輸通道，大大改善了散熱效果（只有傳統圓柱電池的20%），增強了電池的熱穩定性，從而提高了電池組的安全性。

4. 電池組成本下降

由於電池組所需電池數量減少，金屬外殼佔比減少，結構件和焊接數量也顯著減少，成本隨之下降（相比2170電池降低14%）。

5. BMS系統難度下降

電池組中電池數量減少，對於電池的監測和狀態分析更為簡單。

6. 續航里程的提升

除了電池能量密度提高，由於4680電池尺寸更大、結構強度更高，可以配合特斯拉CTC技術，既節省了空間又減少了重量，在雙重作用下，特斯拉車輛的續航里程也得到提升（相比2170電池續航提升16%）。

二.4680的“阿喀琉斯之踵”

4680電池的優點雖多，但在工藝上存在難度，良品率較低，弗里蒙特工廠試制的4680型電池起初的良品率僅有15%~20%左右，到2021年，合作商松下電池和LG新能源將4680電芯的良品率提升到80%左右，而在最近的2022年1月22日的產品檢測裡，特斯拉弗里蒙特工廠14 條試生產線的4680電池良品率最終達到了92%，勉強符合量產最低標準（通常來說，動力電池大規模應用的良品率基準線為90%，如果良品率在80%以下，則大規模量產沒有經濟性)。

良品率較低的原因和4680電池的整體結構不無關係，其整體結構是：一層隔膜，兩端分別有一層銅箔和鋁箔做負極和正極，但膜在捲繞過程中容易發生正負極微短路，當自放電流大到一定程度，就會產出不良品；從電池內部構造來看，採用的魚鱗塗覆技術在塗覆不均的時候，也會影響良品率；此外全極耳與集流盤或殼體的連接需要採用面焊技術，相較於傳統兩個極耳的點焊，焊接工序和焊接量都變多，激光強度和焦距不容易控制，易焊穿燒到電芯內部或者沒有焊，造成產品不合格。

三. 堪用，但遠不完美

自從在2020年9月份的“電池日”推出4680電池以來，特斯拉就開始在美國加利福尼亞州弗里蒙特工廠試制，目前特斯拉的合作廠商也在解決良品率和量產的問題。

特斯拉的老朋友松下2021年在日本建立了一條生產4680電池的測試線，並將於今年 4月開始試生產；LG化學也在2021年開始建設4680電芯試生產線，組裝和電鍍設備已經安裝完畢，計劃在松下大規模生產4680電池之前完成試產，量產最早預計在2023年。

國內電池巨頭寧德時代投資4.4億美元的智能科技一體化電動底盤研製項目及智能動力系統項目（二期）日前在上海特斯拉超級工廠旁正式開工，不知是否在為特斯拉上海工廠裝配4680電池做準備。據悉寧德時代共規劃了8條4680產線，目標年產能12GWh，計劃從今年開始大規模生產。除寧德時代外，億緯鋰能、比克電池、蜂巢能源等多家國內電池企業也在積極佈局4680電池，但並未確認與特斯拉達成合作。

四.好用，但不是都要用

五.仍需努力

按照特斯拉的規劃，4680電池的年產量在2022年要達到100GWh（可以滿足約150萬輛電動汽車的電池需求量），在2030年達到3TWh的年產量。目前特斯拉弗里蒙特工廠製定了10GWh的4680電池試生產產能；得州超級工廠規劃的產能是弗里蒙特工廠的數倍，目前得州工廠4680電池生產線已經安裝到位，特斯拉還將在該工廠旁新建一座電池陰極工廠以提高產能，未來德州工廠4680電池年產能有望超過100GWh；柏林超級工廠的4680電池廠房部分已經封頂，內部仍然在建設當中。

目前來看，特斯拉投入4680電池量產後，前期仍需要著重於提升良品率（2170的良品率約在99%，專業人士認為4680短期內達到95%左右是一個很好的數字），加之得州工廠和柏林工廠正式投產時間待定，預計4680電池開始的量產節奏不會很快，在特斯拉2021年Q4財報會議上，馬斯克也稱4680的當前目標是降低成本和提升效率。後期其它兩個工廠投產後，4680產能爬坡速度可能會迎來快速增長，屆時，特斯拉車輛的產能必將進一步提升，成本進一步下降，一輛“2.5萬美元”的特斯拉或將成為現實。

3000W正弦波逆变器

機構安裝尺寸：

產品性能：

規格參數 (3000W 純正弦波高頻逆變器)

4680電池規格

由於尺寸原因，4680電池並不適合移動電源及手持設備應用，但戶外電源卻是4680的理想應用場合。一顆4680電池是21700電池的5倍容量，一顆即可取代5顆21700電池並聯或8顆18650電池並聯，簡化電池組BMS設計，並提高整體可靠性。

同時4680電池屬於優化的電池形態，獨特的無極耳設計，消除了電池集流體內阻導致的壓差，電池的內阻也更低，充放電能力得到大大增強。應用在戶外電源上，可以大大提升交流輸出能力，並且大幅縮短充電時間，讓戶外電源更加好用。

4680相較傳統小尺寸圓柱體電池，性能優勢十分明顯，大容量的單體設計，成本也得到有效降低。是未來大容量鋰電池儲能應用的理想選擇

500KW/1013.76kwh 20呎集裝箱儲能系統規格表

在高峰時段參與電力需求側響應，實現峰荷轉移，提高終端用電效率。

PCS調節無效因素，提供無功補償功能，降低輸電線路耗損。

暫態有功出立緊急響應，解決頻率波動；暫態電壓緊急支撐功能，解決電壓暫降或中斷。

突發電網故障，作為應急備用電源，為客戶省掉UPS備用電源投資。

儲能系統的五層防護

安防系統 (SGS)

Safty Guardian System

貨櫃內的安防系統，包含警示聲光、水浸、煙霧感應等告警系統、消防系統、溫濕度、門禁、溫控系統及監控系統等，由內部EMS經由接點、RS485及TCP/IP進行集中監控調度。

儲能雙向逆變器 (PCS)

Power Conversion System

雙向變流器(PCS)是實現交/直流電能雙向變換連接的裝置。適用於儲能電池以充電和放電的形式與電網交換能量，用以對電池進行充放、電的控制與管理。在EMS控制下時，能實現對電網負荷的”削峰填谷”以及快速的二次調頻；與間歇式分布式能源(風電、光伏)配合時，能平抑間歇式能源的波動性，使得間歇式能源的負荷特性趨於可控制的”電網友好型負荷”；當與就地負荷、其他分布式能源組成微網並孤網運行時，能夠為微網內的負荷提供穩定的電壓和頻率。

電池管理系統 (BMS)

Battery Management System

BMS是對電池狀態進行監控與管理的系統，具有量測電池電壓功能，避免電池於充放電過程中發生過熱及其他異常狀況出現。透過電池管理系統，可以隨時得知個電池芯Cell的狀況，維持儲能系統正常運作。

能源管理系統 (EMS)

Energy Management System

利用程式控制、網路通信、資料庫技術，將現場控制站的能源數據送進管理控制中心，實現對企業生產數據收集、儲存、處理、統計、查詢及分析的功能，及對企業生產數據的監控、分析和診斷，進而達到有效管理的目標。

高安全穩定─鋰電池

金鎂能源選用的電池材料為鋰電池，世界各國已證實鋰電池為目前唯一具有經濟性且符合環保及安全要求，具有高功率、高容量、壽命長、安全、不爆炸、不起火的優點。

消防系統

消防系統採用綠色清潔滅火劑七氟丙烷（FM200），滅火效率高，對設備無汙染，電絕緣性好，滅火迅速。系統啟動方式如下：

自動啟動

當防護區發生火情，火災探測器發出聲光報警信號，同時發出聯動指令，關閉連鎖裝置，經過一定延時時間，控制器向滅火裝置發出滅火指令，電磁型驅動裝置動作打開滅火劑瓶組容器閥，釋放滅火劑，實施滅火。