第一作者：Alex Liu
通讯作者：Peter M. Attia, Ying Shirley-Meng
通讯单位：加州大学圣地亚哥分校，Glimpse
【研究背景】
新能源汽车对大尺寸锂离子电池需求的不断增长，推动了具备更高能量密度和更优成组效率的电芯规格加速发展。截至2024年底，全球乘用车保有量中电动车占比约4%，预计2030年将翻四倍。对于汽车应用，LIB研发围绕成本、能量密度和功率能力展开，同时兼顾安全与寿命，由此催生了多种化学体系、电芯规格及集成方案。EV电池从18650圆柱电芯（≈3 Ah）到100 Ah以上的大尺寸软包和方壳电芯不等，在循环寿命、热性能、能量密度和安全性方面各有取舍。
特斯拉于2020年针对Model Y平台推出的4680圆柱电芯，体积和容量约为上一代21700的5倍。配合无极耳（tabless）设计，旨在不牺牲制造效率与生产成本的前提下获得更高能量密度。另一家电池龙头比亚迪也为其电动车平台开发了创新电芯——采用磷酸铁锂（LFP）化学的“刀片电池”方壳方案，强调安全、寿命和成本。然而，比亚迪同时在其电动车及储能系统（ESS）中采用并量产4680规格的LFP/石墨圆柱电芯，其他电池厂商亦纷纷跟进大尺寸规格。
【工作介绍】
在此，美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley-Meng教授（孟颖）和美国马萨诸塞州的电池扫描公司Glimpse的Peter M. Attia等人对比亚迪4680 LFP/石墨圆柱锂离子电芯进行了全面解析：通过系统的物理拆解、X 射线成像、电化学测试及电子显微成像，从电芯到材料层级对其性能与结构进行评估。拆解与 X射线结果显示，该电芯采用罕见的多极耳设计，电极双面涂布均匀，且石墨负极未添加硅材料。电化学测试表明，其能量密度达到374.6 Wh L-1和 150.5 Wh kg-1。同时，混合脉冲功率特性（HPPC）与电化学阻抗谱（EIS）进一步显示，该电芯具备出色的倍率性能：在不同荷电状态（SOC）下，电芯直流面积比阻抗仅为6~17 Ω·cm2，电荷转移面积比阻抗约5.9 Ω·cm2。因此，上述发现为4680规格在设计与性能上的新方向提供了实证，为大尺寸圆柱电池技术的未来发展奠定了坚实基础。本文研究的比亚迪4680是继特斯拉4680之后第二款被公开表征的4680规格电芯。
相关研究成果以“Design and Performance of the BYD LFP/Graphite 4680 Cylindrical Cell”为题发表在Journal of The Electrochemical Society上。
【内容表述】
电芯结构与卷芯设计
本研究所有被测电芯均独立购自于线上供应商。拆解前初检可见，BYD 4680圆柱电芯外套绝缘热缩管（图1A），而特斯拉4680则为镀镍钢壳无直接绝缘。能谱（EDS）证实BYD 4680壳体为镀镍钢：截面富Fe、表面富Ni。电芯顶部负极盖旁设有一小型泄压阀。实测BYD 4680高80 mm、直径46 mm，与规格一致。与特斯拉4680相同，BYD 4680壳体兼做负极端子，正极盖通过白色橡胶垫圈（图1B“3”）与壳体绝缘。
电芯切开后发现正极盖仍与金属正极盘（图1B“1”）相连，用陶瓷剪剪断后可见正极盘、卷芯、蓝色塑料盘（“2”）及卷芯中心塑料空心轴（“5”）。壳体底部亦有金属负极盘（“4”），直接点焊于壳底。用割管器去掉底部壳体后，再用陶瓷剪切断负极极耳与负极盘的连接，卷芯即与上下端完全脱离。
卷芯取出后拆去胶带并展开，可见正极、负极及隔膜。图1C显示LFP正极卷高69 mm、长5370 mm；石墨负极卷高71 mm、长5513 mm，比正极长143 mm。正极铝极耳4条，负极镍极耳3条，沿电极长度方向布置，外覆PET绝缘膜。负极最内圈镍极耳虽被PET完全包裹，未与壳体焊接。
其余非活性件见图1D：金属正极盘厚0.31 mm，外缘呈非对称扩大，并留有圆、半圆及矩形缺口供铝极耳及PET带穿过；与正极盖之间夹0.29 mm蓝色塑料正极盘，起绝缘作用，防止卷芯铜集流体误触。四根铝极耳呈~90°间隔焊于金属正极盘，其径向伸出距离分别为0.4、13.1、16.0、18.3 mm。金属负极盘厚为0.31 mm，仅半圆缺口，无中心孔，直接点焊壳底；三根镍极耳径向距离9.0、15.6、20.0 mm，盘与卷芯之间另设同厚塑料盘绝缘，防止铝集流体与壳体短路。
图1. 比亚迪4680的尺寸、拆卸、内部特征和非活动组件概述。
图2. BYD 4680三维示意图。
为直观、定量解析 BYD 4680 结构，采用3D X射线计算机断层扫描（CT）实现无损全芯成像。图3A的2D径向切片清晰展示内部结构，对比度与各组件一一对应；放大图（图 3B）可见塑料中心轴与电极对比分明，轴内呈六角形空腔，拆出后光学验证一致。图 3C 的轴向旋转切片给出全身视图，图 3D 进一步分辨层状电极、极耳及电解液弯月面，弯月面处富余电解液提示需探究中心轴功能。
实测中心轴高 7.1 mm，与负极卷高度一致。常规圆柱电池借中心轴抑制径向变形或在热失控时提供排气通道。为验证BYD设计是否超越传统功能，先在常压下向六角腔注入乙醇，无泄漏；再在手套箱内真空干燥后浸LP57电解液两周，称重几乎无增重，表明轴体不吸液，主要起结构支撑作用，可在快充或热冲击下防止卷芯塌陷。同时，红外光谱鉴定中心轴材质为聚丙烯（PP），而非聚乙烯（PE），因此隔膜为PP。SEM观察表面具亚微米孔，截面均匀，确认为单层结构。与 CT 结果一致，六角腔长2.5 mm，截面积约16.24 mm2，壁厚约0.66 mm。
图3. BYD 4680的3D X射线成像。
通过对比亚迪4680不同径向（横截面）CT切片，可更精细地审视电芯内部及其结构特征。图4A从底部第一帧（Z=0）开始，即可清晰分辨金属负极盘及与其焊接的三根镍极耳（图中标黄）；沿Z轴上移后，四根铝正极耳也相继显现。图4A最顶端切片中的高亮区域即对应金属正极盘上的焊接点。由于极耳材料不同，X射线吸收对比度差异明显，图4B的轴向旋转切片可轻易区分四根铝正极耳（C1-C4）与三根镍负极耳（A1-A3）。
为快速、自动分析电芯CT数据，采用Condon等报道的Glimpse后处理流程，对25颗BYD 4680卷芯中心进行分割（图4A蓝色覆盖层），量化中心区域面积及圆度。圆度定义为椭圆拟合最小/最大直径比。25颗电芯的中心面积与圆度均表现出极高一致性，相对标准差分别为0.546%与0.467%（图4C）；最低圆度仍达97.2%，远高于常规圆柱电芯。这一高均匀性凸显了带中心轴圆柱设计的优势：显著增强机械稳定性，降低应力下的变形风险。
图4. BYD 4680的3D X射线成像以突出电池特征和均匀性。
电化学性能测试
本节所有测试均在两颗独立电芯上重复进行。以C/5（3 A）恒流-恒压（截止C/60）协议在2.8–3.65 V区间循环，测得放电容量15.41 Ah、能量49.82 Wh，平均平台约3.2 V，石墨阶梯与FePO4↔LiFePO4平台清晰，印证LFP/石墨体系（图5A）。据此计算重量与体积能量密度分别为151 Wh kg-1和374.6 Wh L-1，约为特斯拉NMC 4680的60%，主要受限于LFP本征比能低及更长极片带来的集流体、隔膜等冗余质量。连续10圈循环无静置，容量衰减<0.1%，CE逐周升高，显示初期稳定（图5B）。
为获得准确的面容量，从拆出极卷上机械刮取单面涂层，裁剪13 mm（正极）和12.7 mm（负极）圆片，组装CR2032半电池，LP57电解液，C/10首圈给出LFP单平台、石墨多平台特征（图5C）；继续C/5循环，平均可逆容量2.77 mAh（正极）和2.96 mAh（负极），对应单面面容量2.09 mAh cm-2与2.34 mAh cm-2，N/P比1.1。
图5. 25°C条件下全电池与半电池性能的电化学评估。
使用新购买的BYD 4680在20% SOC下EIS测得RCT仅5.9 Ω·cm2，Rs 51.5 Ω·cm2。HPPC显示DC内阻随SOC降低而升高，放电方向增幅更显著，中低SOC区尤为明显，体现LFP体系对SOC变化较NMC/NCA更不敏感的低阻抗优势。
图6. 在25℃条件下电池阻抗的归一化评估。
进一步对比亚迪4680进行倍率测试。基于15 Ah额定容量，选取C/2、1C、2C（7.5、15、30 A）对称充放，各5圈，CC后加CV至C/60。图7A电压曲线高度重合，显示良好一致性。随倍率升高，CV容量占比增加，C/2可用~15.00 Ah，2C降至13.25 Ah；回降C/2后仍可恢复近15 Ah（图7B）。第5圈1C、2C容量利用率分别达94.7%与87.9%，且首圈后CE即稳于99.8%。与特斯拉4680相比，比亚迪1C、2C充入量分别为额定值97.8%与92.7%，远高于对手的82.8%与71.0%，进一步确认其“功率型”定位。需注意的是，持续≥2C快充虽产热抑制锂析出，但可能伴随副反应、SEI增厚；而快放因电位较高，此类副反应较少。
图7. 25℃下测量电池的倍率性能。
材料表征
为深入解析LFP与石墨电极，进行SEM表征。图8给出正、负极的俯视与截面照片。
正极：截面测得电极厚度约150 µm，铝集流体约10 µm（图8A），与螺旋测微计及CT切片结果一致。俯视（图8B）可见100~300 nm纳米LFP一次颗粒，该尺度可缩短锂离子扩散路径，提升倍率。LFP表面碳包覆层<10 nm，SEM难以分辨。EDS还检出约0.3 at% Ti，提示Ti掺杂可缩小晶格、进一步缩短扩散通道，与纳米化协同改善性能。
负极：电极层厚约125 µm，铜集流体约10 µm（图8C），与五点测厚及CT均值吻合。与特斯拉4680单层石墨相比，BYD涂层厚54.5 µm，减薄54%，既降低内阻又提升散热，有利于快充高功率。俯视SEM（图8D）显示片状石墨粒径≤10 µm；EDS仅检出石墨，无硅，C原子比91.2%，含碳黑、粘结剂；Na占1.8%，提示可能使用CMC粘结剂。近期干法工艺靠聚合物原纤化提高载量，但两电极均未出现纤维形貌，表明仍采用传统湿法涂布。
图8. 拆解电池中双面电极的代表性SEM图像。
【全文总结】
综上所述，本文系统解析了比亚迪4680圆柱磷酸铁锂电池的设计与特性。拆解显示电极双面涂布，卷芯内置六角空腔塑料中心轴；正负极均为多极耳结构，但负极最内耳未外接端子。中心轴仅提供机械支撑，无额外透气或吸液功能。同时，CT统计25颗电芯，卷芯圆度与面积一致性极高。SEM观察到正极纳米球形LFP、负极片状石墨；EDS确认LFP含微量Ti掺杂，负极无硅，且两电极均无干法纤维形貌，表明沿用传统湿法工艺。电芯级能量密度374.6 Wh L-1、150.5 Wh kg-1；EIS与HPPC均显示毫欧级内阻，低SOC区增幅明显。此外，1C/2C倍率容量利用率分别达94.8%与88.1%，结合超薄石墨涂层，凸显高功率定位。因此，本文证实了LFP在大圆柱高功率场景的可行性，为EV及储能提供新思路，并指出热管理与正极表面工程可继续优化。
【文献信息】
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 Cell, Journal of The Electrochemical Society, https://doi.org/10.1149/1945-7111/ae1e33
文章来源：能源学人
《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》
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