重磅！特斯拉用CATL寧德方形LFP電池拆解

對(duì)于MODEL 3采用的電池組，根據(jù)公開(kāi)信息而言，電池組的總能量為55 kWh，由兩個(gè)25串1并和兩個(gè)28串1并的電池模塊組成，以106串1 并的方式配置成電池包。電池容量為161.5Ah。由此可以推斷特斯拉采用的是寧德時(shí)代161Ah的方形電芯。當(dāng)然寧德時(shí)代也可能專(zhuān)門(mén)為特斯拉開(kāi)發(fā)一款電芯。不過(guò)下面我們?nèi)詫@寧德161Ah電芯進(jìn)行拆解分析，畢竟一個(gè)公司的工藝方法會(huì)保持一致。

寧德時(shí)代LFP6228082-161Ah電池規(guī)格書(shū)

標(biāo)稱容量：161 Ah

額定電壓：3.2 V

內(nèi)阻：≤0.4mΩ

重量：約 3.1Kg

外形尺寸如圖1所示

圖1 寧德時(shí)代LFP6228082-161Ah電池外形尺寸

圖2 拆解過(guò)程中拍攝圖像示例

電池結(jié)構(gòu)

過(guò)拆解，可以看出該款電信芯采用卷繞技術(shù)而成，非采用目前比較火的疊片技術(shù)。纏繞圈數(shù)為40圈。其中銅箔的厚度為（5±1）μm，鋁箔的厚度為（12±1）μm，兩個(gè)卷芯平行并聯(lián)連接，同側(cè)出極耳。正極極耳片厚度厚度為（975±5）μm，負(fù)極極耳片厚度為（775±5）μm。再講極耳焊接在正負(fù)極引出極柱上。兩個(gè)卷芯包裹絕緣膜后入殼（圖3e），最后頂蓋和殼體焊接（圖3f），注液之后，封口焊接（圖5e）。

那為什么該款電信會(huì)采用兩個(gè)平行卷芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)呢。大家都知道對(duì)于卷繞來(lái)說(shuō)，層數(shù)越多，產(chǎn)品越厚，電芯卷的R角越大，這就會(huì)造成電芯有效空間未得到充分利用，故而對(duì)于大型的方塊電芯，一般都是采用雙卷芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)

改款電芯采用的還是傳統(tǒng)的方形電芯設(shè)計(jì)，極柱于泄壓閥位于電芯的頂端，而不是寧德時(shí)代供給小米的泄壓閥位于電芯下部，失控時(shí)火焰超地噴射的機(jī)構(gòu)。電芯引出極耳與極柱使用激光束焊接工藝以圓形焊接軌跡連接（圖5a和5b），熔深為（1690±50）μm，接觸面為（2610±10）μm。焊接仍采用回形焊接的形式，正負(fù)極段子的焊接熔深也根據(jù)材料的不同，采用了不同的工藝參數(shù)。負(fù)極端子的焊接深度為（1000±50）μm（見(jiàn)圖5c），正極端子的焊接深度為（1750 ±50）μm（見(jiàn)圖5d）。

電芯的泄壓閥采用的是傳統(tǒng)鋁膜，厚度為（185±5）μm厚使用激光將鋁膜焊接頂?shù)缴w上（圖5e）。在最薄的點(diǎn)處厚度為（40±5）μm

圖5 頂蓋截面形貌：（a）正極極柱中心頂蓋截面，（b）負(fù)極極柱中心頂蓋截面，（c）正極極耳與頂蓋焊接，（d）負(fù)極極耳與頂蓋焊接，（e）泄壓閥密封焊縫

該款電池采用的是磷酸鐵鋰正極，標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.2V，額定容量為161.5Ah，根據(jù)前面得到的重量數(shù)據(jù)，重量能量密度為163Wh/kg，同時(shí)該款電芯內(nèi)部體積1.4L體積能量密度366Wh/L。

電極設(shè)計(jì)

根據(jù)拆解結(jié)果，該款電芯的正極極片長(zhǎng)22m，負(fù)極長(zhǎng)22.6m，比正極長(zhǎng)0.6m，負(fù)極涂層全部包覆住正極，隔膜由于加工原因，隔膜總長(zhǎng)23.7m，比負(fù)極更長(zhǎng)，可以完全包裹電芯正負(fù)極。寬度方向上，正極67mm，負(fù)極70mm，負(fù)極兩側(cè)比正極多1.5mm，隔膜寬75mm，隔膜兩側(cè)比負(fù)極多出2.5mm。這樣的設(shè)計(jì)總的而言就是為了讓正極的鋰金屬可以完全嵌入到負(fù)極石墨中，防止在進(jìn)行快充時(shí)，由于鋰單質(zhì)未能及時(shí)嵌入到石墨中，刺破隔膜從而發(fā)生熱失控

就箔材的厚度爾雅，其中銅箔采用了5μm，鋁箔采用厚度為12μm，并且鋁集流體在電極邊緣涂有27μm的陶瓷層。圖6詳細(xì)顯示單面涂層極片的厚度和面密度在長(zhǎng)度方向上的分布。正極單面涂層的平均厚度為94 μm（不含鋁箔），負(fù)極單面涂層的平均厚度為71 μm（不含銅箔）正極的平均負(fù)載量測(cè)定為22.6 mg/cm2 ，負(fù)極的平均負(fù)載量測(cè)定為10.7 mg/cm2 。檢測(cè)過(guò)程中的輕微變化或歸因于不均勻分布的電解質(zhì)鹽殘留物。根據(jù)所測(cè)量的電極參數(shù)，估算正極的涂層密度為2.4g/cm3，負(fù)極的涂層密度為1.5g/cm3。根據(jù)電極的材料組成計(jì)算出電極孔隙率約為32%。

假設(shè)電極涂層中，活性材料含量為約95%（該值取決于材料體系，配方設(shè)計(jì)和各個(gè)電極組分的密度等，可能出錯(cuò)），假設(shè)正極材料克容量為160 mAh/g，負(fù)極材料克容量為360 mAh/g（實(shí)際發(fā)揮容量也沒(méi)有這么高），根據(jù)面密度計(jì)算得到正、負(fù)極單面涂層的面容量分別為3.44、3.66 mAh/cm2。

但是，如果正面容量為3.44 mAh/cm2，一個(gè)卷芯的正極極片雙面涂層的面積為22（m）*67（mm）*2=29480（cm2），則一個(gè)卷芯容量為3.44（mAh/cm2） *29480（cm2）= 101.3（Ah），那么內(nèi)置兩個(gè)卷芯的電池設(shè)計(jì)容量應(yīng)該為202 Ah。

根據(jù)電池容量161.5 Ah計(jì)算正極面容量，則有：161.5（Ah）÷2÷29480（cm2）= 2.74（mAh/cm2）。

圖6 單面涂層的厚度（不含箔材）和面密度（不含箔材）

材料表征

負(fù)極由尺寸約為10μm的天然片狀石墨顆粒組成（見(jiàn)圖5a和b），最有可能是天然石墨。EDX檢測(cè)到90.8%的碳和7.2%的氧化物，而所有其他元素都低于1%，包括來(lái)自電解質(zhì)的氟殘留物。沒(méi)有檢測(cè)到硅的痕跡。負(fù)極表面未檢測(cè)到明顯的降解跡象，例如鋰鍍層或顆粒裂紋。

正極是球形的納米尺寸的顆粒，其直徑雙峰分布，其中較小的顆粒直徑約為300 nm，較大的顆粒直徑約為1μm。EDX分析表明，由鐵（11.4%）、磷（13.5%）和氧（59.26%）的原子重量比，確定陰極活性材料為LFP。結(jié)果顯示，高比例的碳添加劑（8.6%）覆蓋整個(gè)電極表面，可能是LFP顆粒的碳涂層或者碳導(dǎo)電劑。碳涂層和LFP顆粒尺寸減小是解決LFP低電子電導(dǎo)率的方法。此外，研究表明，具有高表面積和小粒度的LFP材料具有更好的容量保持率，并且不太容易發(fā)生顆粒破裂。在正極上也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顆粒裂紋或其他明顯的降解跡象。

正極涂層的邊緣，可見(jiàn)5 mm寬的白色陶瓷層（圖7 h）。EDX顯示，該層由顆粒尺寸約為20 nm的長(zhǎng)方體狀顆粒組成，成分是以2：3的比例的鋁和氧，由此可知即為Al2O3顆粒

圖7 負(fù)極表面在（a）低和（B）高放大倍率下的SEM圖像，以及正極表面在（c）低和（d）高放大倍率下的SEM圖像。正極集流體涂層（e）顯示出以2：3的比例的鋁（f）和氧（g）。（h）顯示正極的涂層邊緣的Al2O3涂層

電解質(zhì)的ICP-OES測(cè)試結(jié)果如下表所示，結(jié)果表明，電解液鋰鹽為L(zhǎng)iPF6。溶劑及其質(zhì)量比如圖8d所示。

電化學(xué)性能

動(dòng)拆解的極片中裁切樣品，使用丙酮去除一側(cè)涂層，形成單面涂層的極片，組裝紐扣電池，C/10倍率測(cè)得電極放電面容量為（2.69±0.04）mAh/cm2，根據(jù)電極面積計(jì)算電池的容量為161.5 Ah，與電池實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致

圖8 組裝紐扣電池，采用兩種不同電解液（拆解電池殘留的Tesla和對(duì)比電解液LP572）的電池0.1 C至3 C電化學(xué)性能：（a）放電，（b）充電，（c）兩種電解液電導(dǎo)率，（d）Tesla電解液的溶劑質(zhì)量比

3電極電池的陽(yáng)極、陰極和全電池的阻抗譜如圖9a和b所示，負(fù)極阻抗的大小大于正極阻抗的大小。因此，全電池阻抗譜由負(fù)極主導(dǎo)。陽(yáng)極、陰極和全電池的偽開(kāi)路電壓（pOCV）曲線分別列入圖9 c，盡管施加了C/50的非常低的電流，但是充電和放電曲線不重疊（圖9d）。陰極的特征電位平臺(tái)約3.4V，確認(rèn)陰極化學(xué)成分為L(zhǎng)FP。陽(yáng)極分別在約210 mV、120 mV和85 mV處顯示三個(gè)特征電位平臺(tái)，這些電位分布是純石墨的特征，表明陽(yáng)極不含硅。

圖9 在50%SOC和25°C下記錄的3電極電池的半電池和全電池阻抗譜以及電勢(shì)曲線

總之，本文拆解分析了特斯拉Model 3中的161.5 Ah方形扁卷繞硬殼LFP電池，將電池分解到材料水平，跟蹤了工藝步驟和制造特性。測(cè)得電池163 Wh/kg的比能量和366 Wh/L的體積能量密度電芯內(nèi)部呈現(xiàn)低空隙體積6.4%以及銅和鋁的集流體厚度分別為5μm和12μm。果凍卷芯以蝶形設(shè)計(jì)連接到頂蓋上，為焊接過(guò)程提供了方便。電池蓋的橫截面和顯微鏡分析顯示應(yīng)用了多種激光焊接工藝，提供了高機(jī)械穩(wěn)定性和氣密性。電極的涂層顯示出高度的均勻性，厚度波動(dòng)小于2μm。掃描電子顯微鏡圖像揭示了純石墨陽(yáng)極和LFP陰極內(nèi)的雙峰顆粒分布，其中正極的邊緣覆蓋有Al2O3陶瓷層。電化學(xué)分析表明，與普通LP572電解質(zhì)相比，電池固有電解質(zhì)的性能更好。

參考文獻(xiàn)：Sandro Stock, Jan Hagemeister, Sophie Grabmann, Johannes Kriegler, Josef Keilhofer, Manuel Ank, Jonas L.S. Dickmanns, Markus Schreiber, Fabian Konwitschny, Nikolaos Wassiliadis, Markus Lienkamp, Rüdiger Daub, Cell teardown and characterization of an automotive prismatic LFP battery, Electrochimica Acta, Volume 471, 2023, 143341

• 來(lái)源/作者：鋰電搬運(yùn)工

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