1.引言

近年来，电动汽车电池系统使用更大电池Cell的趋势继续在行业中蔓延，比亚迪刀片电池是近期一个极端的例子。这些更大的电池Cell在生产中具有优势，尤其是在将许多电池Cell集成到电动汽车的电池系统中时。特斯拉作为电动汽车市场上的一个杰出玩家，最初使用了18,650制式的圆柱形电池Cell，但迅速转向了更大的21,700电池Cell。2020年初，特斯拉公布了一个新的“全极耳”电极设计专利，媒体分析表明这种设计可能会改善电流分布并在快速充电过程中减少欧姆阻抗损失。

特斯拉的CEO埃隆·马斯克在推特上迅速指出，这一发展“比听起来的要重要得多”，并且在2020年后的“电池日”中，特斯拉推出了更大的4680制式电池Cell。电池Cell尺寸的扩大得益于全极耳设计所降低的欧姆阻抗和对外部冷却系统增强的热通道，这一点得到了后续研究的进一步支持。

我们的分析关注了全极耳圆柱形电池Cell设计的额外优势，最初由Degen和Kr¨atzig提出，与电极的制造有关。带焊接极耳的标准圆柱形电池电极，在电极涂层上会留下空隙以焊接极耳。这些空隙是在涂覆过程中通过回收浆料到流体输送系统，推进集电体箔，然后重新开始涂覆过程时形成的。因此，可实现的涂覆速度显著降低。与此形成对比的是，全极耳电极设计消除了这种空隙的需求，导致显著提高的涂覆速度。

本研究展示了电池Cell设计变更为全极耳电极对大规模生产环境下的生产成本的影响。我们采用自下而上的成本计算方法，专注于生产流程的变化，使我们能够分别研究对不同成本类别的影响。建议的模型方便了不同经济和技术参数的分析，并在分析几个参数的重要性时得到了证明。将结果普遍化展示了减少电池成本的电池和生产流程设计创新的重要性。当固定成本（如劳动力成本）较高时，产量的增加对成本具有特别强的影响。

在下一节中，我们将比较全极耳电极与标准电极，在应用的制造过程中关注相关特性。随后，在2.4节中，我们将分析两种电极设计的生产过程，以识别比较制造成本的相关差异。目标是使用自下而上的方法评估两种流程之间的成本差异。结论将提供研究发现和局限性的总结，并建议未来研究的潜在领域。

2.电池设计比较和过程考量

2.1 标准电极设计

标准圆柱形电池有焊接有极耳的电极，它们与铜或铝电极箔焊接在一起。这个焊接过程要求在活性物质涂层中留下空隙，以适应极耳的存在。为了确保与电极箔有较大的接触面积，极耳沿着电极宽度进行焊接。

如图1所示，使用ISEA进行的一次18650电池开罐操作中的电极照片，以及相应的电极布局图来说明这一点。在这种布局中，极耳位于负极的中间，电极末端还有额外的裸箔片。商业圆柱形电池电池的CT扫描显示，不同电池模型的极耳位置可能有所不同，见图2。

不管具体的极耳位置如何，以及是否有额外的涂层空隙来创建电极末端的裸箔片，每个电池至少会在每个电极上有一处裸箔片，这意味着必须执行间断性涂层过程。

2.2 全极耳电极设计与标准圆柱形电池的电极不同，它们没有跨电极焊接的极耳。相反，电极与外壳之间的电气接触是通过在电极的一侧，铜或铝箔覆盖涂层面积外的部分来实现的。特斯拉将这些部分称为“flags”，这些flags会在卷制过程中通过切槽，并与卷筒的顶部和底部一同扁平压弯。这种设计让人联想到某些（薄膜）电容器的构造方式。另一个比较对象是扁平卷绕的软包装电池，在那些电池中，箔片边缘连接到极耳上，而极耳本身则与电池外壳的接触点相连。特斯拉的设计和专利的新颖之处在于切割边缘形成flags，这些flags可以弯曲，形成在卷筒圆面上平整的接触面。图3提供了部分解卷的卷筒正极侧的视觉表现，其中剪裁的flags是可见的，这表明在创建flags过程中可能整合了进一步的切槽或激光修剪步骤。

2.3 本研究具体关注的是与生产过程相关的成本差异，而不是可能由于过渡到更大电池制式而产生的成本改进。为了保持一致性，我们假设两种电池类型的电极长度和电极涂覆宽度相同。电极尺寸基于在我们实验室拆解的三星INR 21700 50E电池的测量而得出，如图4所示。负极尺寸略大于正极尺寸，以实现微小的负极过边。

考虑到负极更大的涂覆面积限制了一对负极和正极涂层机的生产输出，我们将负极作为后续计算的基线电极。对于flags的大小，特斯拉在他们的专利中指定为3至6毫米。我们选择4毫米作为基于21700电池制式的合理中间值。此外，由于我们的电极尺寸是基于18Wh的三星50E电池，所以我们假设我们分析中的两个电池的能量为18Wh。鉴于集电体箔片的成本只占电池材料成本的一小部分，我们假设箔片重量和面积约6.15%的微小差异在成本上可以忽略不计。

2.4 制造过程考量为了比较两种电极类型的制造成本，必须仔细考虑制造过程中的变化。一个显著的区别源自涂覆机的操作模式，连续过程允许的速度比间断过程高。虽然研究中展示了非常高的间断涂层速度，但锂离子电池工厂生产设备的最大供应商之一无锡先导智能设备指出，大规模串联涂布机在间断模式下的最大涂布速度为每分钟60米，而在连续模式下可以达到每分钟100米。间断涂覆在实现涂层边缘处均匀涂层厚度方面面临挑战，并在涂层边缘处造成陡峭的涂层边缘。涂层厚度的变化会对电池性能产生负面影响，例如，压缩隔膜或在负极和正极活性物质之间造成不平衡，导致由于电镀而加速老化。这些挑战以及涂层机在槽口模具移动时的不期望振动，限制了与连续模式相比，当目标相同的生产质量时，间断模式的涂布速度。这一观察在与工业界和其他学术电池生产研究人员的讨论中得到了验证。虽然间断涂覆和连续涂覆过程是持续发展努力的主题，并且数字将继续改善，但过程速度差异可能仍然相关。

当宣布4680电池制式时，特斯拉还宣布从湿法涂布和干燥过程过渡到不需要隧道炉单独干燥步骤的干法涂布过程。目前尚不清楚此过程是否已成功实施在大规模生产设施中。对于本研究，我们专注于全极耳电极设计的影响，我们假设两种电极类型使用相同的湿涂覆过程，并且不考虑我们的基线电极所基于的三星50E活性物质，需要干燥环境的要求。

涂层和干燥后，挥发的溶剂会使电极变得比期望的更多孔。因此，电极会经过压延机处理，通过压缩活性物质涂层来调整孔隙度。由于箔材宽度大于最终电极的宽度，经过压延后，电极网将在分切过程中被分离成多个网。压延和分切机可以匹配连续涂层过程的网速，达到100米/分钟。在低速涂层下，一套压延和分切机器就有足够的吞吐量来处理多个涂层线的输出。鉴于我们的分析目标是经营多条涂层线的大规模工厂，我们假设可以根据涂层和干燥线的输出调整压延和分切机的数量。因此，在我们的模型中，连续涂层过程的增加涂层速度并不会增加压延和分切机器的使用率，这就不会为全极耳电极制造带来额外的成本优势。

涂覆、干燥、压延和纵切之后，全极耳电极进行额外的激光切割步骤来形成flags。特斯拉的专利描述了如何在卷制之前弯曲flags，可以通过一对滚轮轻松实现。尽管这是一个额外的步骤，但它可能可以被整合到卷绕机中而不会产生显著的额外成本。因此，我们在这项研究中没有将弯曲flags的额外成本考虑在内。

沿着加工链继续分析，额外的集电体被焊接到全极耳电池卷筒的顶部和底部，以便其连接到电池外壳。由于这个焊接步骤与标准圆柱形电池生产中的极耳焊接步骤在方法和每个电池的焊接过程数量上都非常相似，我们排除了这些步骤，不在生产过程差异的分析中考虑。在图7中总结了创建两种电池类型的卷筒所涉及的生产步骤。对于我们的成本分解，我们只需关注涂覆和干燥过程的差异，以及额外构成全极耳电极flags的步骤（见图5）。

3.方法论

3.1. 成本模型方法成本分析方法可以根据估算成本的方法分类为自下而上或自上而下。自上而下的成本估算方法从总成本开始，通常是基于之前类似产品或过程的总成本。基于专家估计和基准测试，对成本类别或成本中心进行区分。自上而下的方法无法提供生产设施中成本产生原因的详细洞察。然而，由于它不需要详细的输入数据，它在早期规划期间或分析竞争对手性能时可以是一个快速有效的方法。另一方面，自下而上的方法单独分析所有成本组成部分，并基于真实的成本驱动因素。应用于制造成本分析时，会分别评估所有成本因素，例如劳动力、投资和能源成本，以及所有相关的生产过程。这允许对成本结构进行详细分析。因此，本研究使用的模型基于自下而上的方法。为了演示标准电极和全极耳电池制造电极的成本差异，我们可以使用不同的方法建立自下而上的成本模型。虽然许多成本模型通过计算每年固定生产产出（通常以GWh计）所需的生产设备来评估电池电池生产成本，但这种方法可能由于过程中个别机器能力的不同而导致未使用的过剩产能。在我们的案例中，计算标准和全极耳电极过程产出差异所需的涂布机数量，将导致设备利用率不均，使得计算出的成本差异取决于假设的年产量。由于我们专注于特定的生产步骤并仔细分析成本差异，我们选择通过计算电极设计变更影响的生产设备的生产率增加来评估成本，我们的案例中是涂布机。因此，我们可以假设两种机器都在满负荷运行。

标准电极和全极耳电极生产的主要区别在于可能的涂布布局及其涂布速度，以及额外的极耳成型工序。全极耳电极更高的涂布速度使得单台机器的生产产出更大，从而使得投资和运营成本分配给更多的电池Cell，以及，从而降低每千瓦时的成本。相反，极耳成型工序的增加提高了每千瓦时成本。使用自下而上的方法评估这两个因素将帮助我们理解生产全极耳电极的成本影响。

3.2. 包含成本因素除了原材料成本外，生产设施的主要成本因素可以分为三类：建筑和机械的基础设施成本、能源成本和人工成本。可以通过考察机械投资直接归属基础设施成本。由于供应商严格的保密协议，获取精确的电池生产机械成本的数据挑战重重。因此，我们使用其他成本研究中的公开数值作为基准，并基于我们的假设进行调整。对于建筑成本，我们基于各个机器的占地面积进行估算，并加上100%的标记来考虑机器周围的可达性（60%）、物料流动区域（20%）和储存区域（20%）。这样，工厂占地面积的间接费用根据机器占地面积分配到生产步骤上。考虑到生产基础设施的初期投资，为了计算年度成本，我们计算投资的年金，并假设建筑和机械的寿命，并使用虚拟利率（r）计算。公式（1）展示了如何计算生产基础设施的年度成本（CI），作为建筑和机械年金成本之和，基于初始投资（Cb，Cm）、它们的各自寿命（nb，nm）和利率（r）。

除了投资成本之外，对于建筑和机械的维护成本（CM）假设为初始投资成本每年的固定百分比（mb，mm）（公式（2））。能源成本（CE）可以通过考虑各个机器的能源消耗（单位为千瓦时，consel）以及假设的每千瓦时电费（cel）直接分配到生产步骤（公式（3））。劳动力成本（CL）是根据全职员工当量（FTE），每年的总生产时间（PT）和每个工作小时的雇主成本（cWF）来确定的（公式（4））。因此，过程步骤的总制造成本由公式（5）定义。为了分析成本效应，我们必须考虑不同的生产过程变体的产出。因此，我们计算每年的产出（单位为千瓦时，OP）并确定每千瓦时的成本（CT,kWh）（公式（6））。表1提供了本研究中使用的一般成本计算假设的概览。

3.3. 模型参数化在本节中，我们描述了用于此分析的生产设备的特性。考虑到供应工厂级生产机器的供应商种类繁多，我们基于无锡先导智能装备公司提供的数据来确定涂布机的技术参数，该公司是像CATL、VW、ACC和特斯拉等著名电池生产商的主要供应商。他们的机器作为了解现实世界中千兆工厂机器能力的可靠基准。

3.3.1.涂布机如前所述，我们假设涂布机的最大速度为100米/分钟的持续模式和60米/分钟的间歇模式。机器的最大涂布宽度假设为700毫米。尽管在业内存在宽度达到1.5米的更宽电极箔，但对这些机器的详细数据，例如能源消耗是有限的。我们考虑的涂布机是一台串联涂布机，分别涂布并干燥电极的两面，干燥炉叠加在一起，大大减小了机器的尺寸。我们假设干燥炉长度与涂布速度的米/分钟成正比，从而使干燥时间保持恒定。因此，全极耳电极的干燥炉长度假设为100米，标准电极的干燥炉长度为60米。考虑到涂布装置以及卷轴的缠绕和解绕，我们基于设备供应商Dürr Systems的一份串联涂布机图纸，给两种操作模式的机器长度都加上常数15米。这让我们为全极耳设计使用的涂布机得出总长度为115米，而标准电极涂布机的总长度为75米。机器的宽度假设为7米，从而全极耳设计的占地面积为805平方米，而标准电极涂布机的占地面积为525平方米。

从Heimes等人那里我们获得了涂布机械投资成本的值，范围在3000万至5700万欧元，以实现年产10GWh。使用由阿贡国家实验室开发的BatPaC 5.0模型，我们得到了一个50GWh工厂的正极涂布机投资成本为9000万欧元，负极涂布机为7800万欧元，其中包括正极涂布机所需的溶剂回收成本。总共16800万美元的投资结果是每GWh/a的投资为336万美元，这与Heimes给出的范围的低端很好地对齐。BatPaC模型中描述的涂布机操作速度为80米/分钟。基于BatPaC手册中的数据，我们假设每个电极需要5台涂布机来实现50GWh/a的产量，其中正极为1800万美元，负极涂布机为1560万美元。在Heimes等人之前的一项研究中，涂布和干燥过程被分别分析，假设涂布和干燥机器的成本相同[40]。然而，在我们的分析中，我们使用BatPaC 5.0模型中提供的基线机器的成本值，该机器以80米/分钟的速度操作，干燥长度为80米。为了调整我们的涂布机（干燥机长度分别为60米和100米）的成本，我们使用公式（7）进行计算。这种方法得出了我们的涂布和干燥机的成本估算，如表2所示。

涂布机的能耗，特别是在干燥过程中，可能会相当大。市场上虽然有天然气和电力驱动的干燥单元，但我们认为，由于天然气价格上涨、供应不确定性，以及电池生产商实现气候中和的目标，未来工厂中电力驱动的干燥器将更为相关。基于UKBIC电池生产线的详细信息，我们选择了电力干燥进行研究。

在干燥过程中，大部分能源用于加热炉内的空气，以及在正极的情况下，从热排气中回收溶剂。因此，能耗几乎与干燥器的长度呈线性比例增加。构想Gigafactory规模分析（UKBIC研究中），考虑一个30米长的干燥炉，电力消耗为529千瓦，我们假设60米和100米长的炉子分别消耗1058千瓦和1763千瓦的负极。对于正极，我们再增加30%以用于溶剂回收，分别导致电力消耗为1375千瓦和2292千瓦。

在劳动力要求方面，根据BatPaC 5.0，操作一台机器需要1.5名工人。为了考虑物流任务，我们假设每台机器额外需要0.5名工人，使总数达到每台机器2名工人。这些值假定适用于正极和负极涂布机。

3.3.2.极耳成型如前所述，制造全极耳电池需要考虑一个额外的工序步骤：在全极耳电极的边上成型极耳。极耳是通过将未涂布的电极箔垂直于卷绕方向切割成形。此外，在电极末端，还会修整未涂布的箔（见图3）。为了进行切割操作，有几种加工替代方法，主要是机械方法，如旋转切割刀片或激光切割。激光切割的优势是可以在一步内完成极耳成型和悬垂修整。激光切割机能够达到箔片切割的速度为4-6米/秒或240-360米/分钟。

我们关于极耳几何形状的假设是每4毫米切一次4毫米的切口，并将电极的最后150毫米悬垂箔沿着电极长度修整。这意味着总的切割长度相当于电极长度。即使加上处理时间，一台激光切割机也可以跟上100米/分钟的生产速度，使得将机器与分条机或卷绕机集成在生产线上成为可能。在我们的计算中，我们假设激光切割直接在分条过程后集成，每个分卷需要一台激光切割机，或者每个并行涂覆的电极需要一台机器。集成方式是不增加对精密卷绕和解绕设备额外成本的。因此，我们只考虑激光切割单元本身的成本，估计为50,000欧元，大约是所需激光源成本的两倍。

激光切割机的电力消耗假设为不足0.5千瓦，与干燥单元的能耗相比显得微不足道。由于激光切割机的集成，导致机器占地面积的增加可以忽略不计，不会在后续计算中考虑。此外，不需要额外的机器操作员，由于没有手动装载或卸载卷筒，也不需要额外的物流工人。

4.结论

4.1. 计算生产产量为了确定两台机器生产的电池每千瓦时成本，我们计算了每台机器的年生产能力。用于标准电极的涂布机运行速度为60米/分钟，导致每年总涂布长度为31,536,000米。为了计算在分条时被分开的平行涂覆电极的数量，我们考虑涂布宽度、电极宽度，并假设两边都有10毫米的未涂布边缘，从而能够同时涂覆10个电极。图6的顶部部分显示了个别电极是如何间歇涂层并在分条过程中被分离的。

为了清晰起见，只显示了同时涂覆的四个电极。我们对涂覆和所有下游流程的废品率的假设是5%。这与整体设备效率（OEE）为80%的情况相结合，导致标准电极的涂覆过程的总生产产量为每年252,288,000个电芯，相当于4.54 GWh。负责全极耳电极的涂布机运行速度为100米/分钟，导致每年总涂覆长度为52,560,000米。考虑到为形成极耳所需的个别电极之间的未涂覆间隙，仍然可以平行涂覆10个电极。图6的底部部分展示了全极耳电极涂覆过程的布局。与涂覆方向垂直的间隙不同，这些间隙并行于涂覆方向创建，并不影响涂覆速度。这些间隙随后用于在电极的两侧形成极耳。使用同样的废品率、OEE和电芯能量的假设，这个过程产生的全极耳电极为每年420,480,000个电芯，相当于7.57 GWh。

4.2. 基线案例成本因素分析基于设备使用寿命为10年和利率为2.7%，全极耳电池生产中的负极和正极涂布机的年度年金成本分别为2,026,020欧元和2,337,715欧元，相当于每生产千瓦时成本分别为0.268欧元和0.309欧元。极耳成型激光器涉及的总成本为500,000欧元，导致每年费用为58,000欧元，相当于每千瓦时0.007欧元。对于标准电池生产，年度成本分别为1,575,793欧元和1,818,223欧元，折合为每千瓦时0.347欧元和0.4欧元。为了计算建筑的年金成本，我们考虑了基于总面积的投资成本。全极耳电极涂布机和干燥机占地3220平方米，而标准电极负极和正极涂布机（包括干燥机）占地2100平方米。这导致全极耳和标准电极的建筑投资成本分别为9,016,000欧元和5,880,000欧元。在建筑物寿命为30年的情况下，年金成本分别为442,000欧元和288,000欧元，相当于每千瓦时成本分别为0.078欧元和0.094欧元。继续考虑基础设施成本，全极耳电极工艺的年度维护成本为负极和正极机器每年1,060,160欧元，或每生产千瓦时0.140欧元。对于标准电极，维护总成本为每年793,800欧元，导致每生产千瓦时成本为0.175欧元。能源成本主要受干燥机电费影响。标准电极的60米负极干燥炉和正极工艺（包括溶剂回收）的消耗量分别假设为1058千瓦和1375千瓦。对于全极耳工艺，100米的炉子分别消耗负极1763千瓦和正极2292千瓦（包括溶剂回收）。这导致每年总电力消耗分别为21,316,584千瓦时和35,527,640千瓦时。电价为每千瓦时0.15欧元，我们得到的年度总电力成本分别为3,197,487欧元和5,329,146欧元。由于涂布机的生产产量和能耗与涂布速度或炉子长度成线性比例，因此每生产千瓦时的成本为负极机器0.306欧元/千瓦时，两种正极工艺均为0.398欧元/千瓦时。劳动力成本是我们分析中考虑的最后一个类别。提高的涂覆速度和炉子长度不影响操作员数量。以德国工厂工人的雇主成本为每小时44欧元计算，每台机器的年度劳动力成本为770,880欧元。生产产量的差异导致每生产千瓦时成本对于全极耳为0.102欧元/千瓦时，对于标准电极为每台涂覆机0.17欧元/千瓦时。负极和正极标准电池与全极耳电池的生产的各个成本类别在表3中总结。总的来说，在所有其他因素不变的情况下，全极耳电极的生产成本比标准电极低0.331欧元/千瓦时。

4.3. 选定参数的敏感性分析为了分析电池电极生产的成本，有必要对技术和经济参数做出某些假设。然而，某些因素是地点依赖性的，而其他因素，如电力价格和利率，可能会因宏观经济趋势和政治决策而发生变化。在本节中，我们将对关键参数进行敏感性分析。我们选择研究至少每个成本类别的一个参数的影响。特别是，我们将分析基础设施成本对机器和建筑物成本的影响，同时研究假设的利率和机器成本。对于其他两个成本类别（能源和劳工），我们将调查电力价格和每小时雇主劳工成本的影响。

关于机器成本的变化，我们在我们的基线假设周围设定了正负20%的固定窗口。对于其他因素，敏感性分析的范围基于地区或历史差异。我们选择一个大于我们基本情况的值和一个小于我们基本情况的值，并在图7的趋势线上标出它们。

在我们计算基础设施投资成本的利率将基于欧洲中央银行2008年至2023年的历史利率而变化。最初，我们在中央银行利率基础上增加了2个百分点。为了扩大我们敏感性分析的视角，我们将在历史最高值4%的基础上增加4个百分点，并且不在历史最低值0%的基础上增加任何加价，得出我们分析的值为0%和8% 。关于电力价格，我们可以检查地区差异或历史价格差异。观察德国2008年至2021年的历史价格差异时，范围在0.096至0.164欧元/千瓦时之间，到2022年进一步上升至0.193欧元/千瓦时。国际上，2021年国际能源署成员中工业电力价格最低的是芬兰，为0.071欧元/千瓦时，而最高的是英国，为0.16欧元/千瓦时。最近，德国经济事务与气候行动部部长罗伯特·哈贝克提议将德国工业电力价格限制为每千瓦时0.06欧元。基于此数据，我们将突出显示用于分析的0.06和0.2欧元/千瓦时的电力价格。

劳动力成本因国家和年份而大不相同。与德国报告的雇主成本为每小时44欧元相比，中国的劳动力成本虽在上升，但相对较低，约为每小时6欧元。另一方面，传统上劳动力成本较高的国家是瑞士，约为每小时65欧元。在图7中，除了我们的基本情况外，还强调了每小时6欧元和65欧元的劳动力成本。

利率和机器成本的上升对两种电极设计的每千瓦时成本有明显影响。然而，值得注意的是，全极耳电极过程受到的影响较小，因为基础设施成本分布在更大的生产产量上。在资本成本较高的环境中，专注于提高资本利用的技术创新变得更有利。利率对总成本的显著影响突显了市场环境、货币政策决策、以及政府激励措施，如低息贷款，如何影响生产地点的盈利能力和影响投资决策。

分析生产成本对电力价格敏感性的分析揭示了涂布电极的绝对成本有着显著的影响。在我们的模型中，干燥炉的能耗是总能耗的主要决定因素。由于干燥炉的长度和生产产量直接与涂布速度相关联，我们观察到每生产千瓦时电池的能源成本是恒定的。当然，不仅是干燥过程在涂覆过程中消耗电力，因此预计随着生产产量的增加而产生的成本降低是可以预期的，但与总体能源成本相比不会显著。

劳动力成本在确定涂覆过程的总成本中起着关键作用。将标准电极生产从德国迁移到中国，劳动力成本约降低了0.294欧元/千瓦时，这导致50GWh工厂每年可以节省大约14,700,000欧元，前提是所有其他因素保持不变。随着劳动力成本的上升，全极耳电极工艺的生产产量改进带来的影响变得更加明显。在欧洲和美国等劳动力成本高的环境下运营的公司，应该优先考虑增加每个员工的生产产量的创新，以达到显著的成本节约。

5.讨论

本研究成功证明了从标准电极过渡到全极耳电极对于圆柱形电池单体制造所带来的显著成本优势。通过保持所有其他因素不变，如电池制式和每电池能量含量，我们的研究揭示了可以实现的每千瓦时成本节省0.331欧元。这些发现表明，与涂布机、建筑投资、能源消耗和额外的极耳成型过程相关的更高成本，可以被全极耳电极实现的显著增加的生产产量有效补偿。通过专门关注电极生产并将设计变更的影响从其他因素（如更大的电池制式和能量密度改进）中分离出来，我们获得了关于采用全极耳电极的成本影响的有价值的见解。虽然过渡到全极耳电极的目标是围绕提高快速充电性能以适应更大的4680电池制式，并克服从湿涂覆到间歇涂覆过程中的干涂覆的转变时遇到的挑战，但我们的研究最终明确证明了这种设计变化单独对生产成本的积极影响。这表明即使对于较小的电池，如我们基线电极所基于的21700制式，采用全极耳电极也可能非常有益。在全极耳电极的情况下，电池设计的技术改进符合生产成本的减少。但这并不总是如此。因此，旨在降低成本的电池设计师应始终考虑他们提出的变更对生产过程的影响，以作出最佳设计决策。Duffner等人的研究表明，生产过程优化对电池制造成本的一般影响具有较大的成本效果，该研究使用的基线涂布速度较低，为每分钟25米，并且没有考虑生产全极耳电极所需的额外极耳成型步骤和干燥过程中的增加的能源消耗。此外，他们的研究假设涂覆、干燥、压延和分条过程是相连的。基于这一假设，每分钟25米时，压延和分条过程仅以其最大能力的25%运行，将涂覆速度增加到每分钟100米时，这些过程的每千瓦时成本显著降低。如第2.4节所述，我们对大型电池单体工厂的假设在这方面有所不同，这解释了我们结果差异的另一部分。

分别分析各个成本因素及其对总成本节省的影响，使我们能够识别出劳动力成本较高的生产地区，如欧洲或美国，最能从过渡到全极耳电极中受益。这一发现可以推广到生产力其他创新方面。假定的利率和机器成本对总成本节省的强烈影响显示了政府激励措施，如低利率资本提供，以及宏观经济趋势可以对生产设施或地点的竞争力产生显著影响。

由于我们的分析限于电极制造成本，特别是涂覆过程，我们没有考虑全极耳电极可能对电池寿命和电池系统总拥有成本的积极影响。因此，本研究得出的值作为实际应用中成本效果的保守下限。全极耳设计的改进热性能可以正面影响系统级成本，允许潜在缩小热管理系统和由于降低热梯度而增加的电池寿命。因此，这导致减少过度配置电池系统以补偿容量损失的需要，进一步降低系统级成本。

6.结论

在圆柱形电池中，全极耳电极设计通过在电极生产过程中实现连续涂覆，相较于标准电极设计提供了显著优势。相关的涂覆速度增加导致了每千瓦时成本节省0.331欧元，抵消了由于在更高卷膜速度下所需更长干燥隧道导致的更高投资成本和增加的能源消耗。我们对电极特性及对生产过程所需修改的分析确认了形成全极耳电极侧边极耳的额外生产步骤是必需的。与此过程步骤相关的额外成本已包含在成本计算中。对不同成本因素的逐项分析使我们能够研究在何种情况下向全极耳电极的变化最有利。尽管全极耳和标准电极生产过程同样受益于能源价格或消耗的降低，但高劳动力、投资或利率成本增加了由于变更至全极耳电极而产生的成本减少。因为我们分析了转变至全极耳电极的成本效应，同时保持所有其他因素不变，我们得以展示即使不考虑实现更大电池制式的好处，全极耳电极仍然显示出优势。独立于特斯拉向4680电池制式的转变，生产21700和更小电池的制造商应该考虑在他们的产品中采用全极耳电极或其设计变体。分析表明，在电池开发过程中进行生产成本评估，在寻找成本最优的改进方案时是有益的。

参考文献：Martin F. Börner, Ahmad M. Mohsseni, Nilava De, Matthias Faber, Florian Krause, Weihan Li, Stephan Bihn, Florian Ringbeck, Dirk Uwe Sauer, Manufacturing cost comparison of tabless vs. standard electrodes for cylindrical lithium-ion batteries, Journal of Energy Storage, Volume 77, 2024, 109941