Od lopatkovej batérie BYD po bezkobaltovú batériu Honeycomb Energy a potom až po sodíkovo-iónové batérie z éry CATL, odvetvie energetických batérií zažíva neustále inovácie.23. septembra 2020 - Tesla Battery Day, generálny riaditeľ spoločnosti Tesla Elon Musk ukázal svetu novú batériu – batériu 4680.
Predtým boli veľkosti cylindrických lítiových batérií hlavne 18650 a 21700 a 21700 mali o 50% viac energie ako 18650.Batéria 4680 má päťkrát väčšiu kapacitu článkov ako batéria 21700 a nová batéria môže znížiť náklady na kilowatthodinu približne o 14 % a zvýšiť dojazd o 16 %.
Musk bez okolkov uviedol, že táto batéria umožní elektrický automobil za 25 000 dolárov.
Odkiaľ sa teda vzala táto hrozivá batéria?Ďalej ich analyzujeme jeden po druhom.
1. Čo je batéria 4680?
Spôsob pomenovania napájacích batérií od Tesly je veľmi jednoduchý a priamočiary.Batéria 4680, ako už názov napovedá, je valcová batéria s priemerom jedného článku 46 mm a výškou 80 mm.
Tri rôzne veľkosti lítium-iónových valcových batérií
Ako je vidieť z obrázku, v porovnaní s pôvodnou batériou 18650 a 21700 od Tesly vyzerá batéria 4680 ako vysoký a silný muž.
Batéria 4680 však nie je len zmenou veľkosti, Tesla začlenila množstvo nových technológií na zlepšenie výkonu.
Po druhé, nová technológia batérie 4680
1. Bezelektródový dizajn uší
Intuitívne je najväčší pocit z 4680-ky, že je väčšia.Prečo teda iní výrobcovia v minulosti batériu nezväčšili.Je to preto, že čím väčší objem a vyššia energia, tým je teplo ťažšie regulovateľné a tým väčšie je bezpečnostné ohrozenie horením a výbuchom.
Tesla to zrejme vzala do úvahy.
V porovnaní s predchádzajúcou cylindrickou batériou je najväčšou štrukturálnou inováciou batérie 4680 bezelektródové oko, známe tiež ako plné oko.V tradičnej cylindrickej batérii sú kladné a záporné medené fólie a separátor z hliníkovej fólie naskladané a navinuté.Na vytiahnutie elektród je k dvom koncom medenej fólie a hliníkovej fólie privarený olovený drôt nazývaný jazýček.
Dĺžka vinutia tradičnej batérie 1860 je 800 mm.Ak vezmeme ako príklad medenú fóliu s lepšou vodivosťou, dĺžka jazýčkov na vyvedenie elektriny z medenej fólie je 800 mm, čo zodpovedá prúdu prechádzajúcemu cez 800 mm dlhý drôt.
Podľa výpočtu je odpor asi 20 mΩ, dĺžka vinutia batérie 2170 je asi 1000 mm a odpor je asi 23 mΩ.Dá sa ľahko previesť tak, že fóliu rovnakej hrúbky je potrebné zvinúť do batérie 4680 a dĺžka navíjania je asi 3800 mm.
Zvyšovanie dĺžky vinutia má veľa nevýhod.Elektróny musia prejsť dlhšiu vzdialenosť, aby dosiahli výstupky na oboch koncoch batérie, odpor sa zvýši a batéria bude náchylnejšia na teplo.Výkon batérie sa zníži a dokonca spôsobí bezpečnostné problémy.Aby sa skrátila vzdialenosť, ktorú prejdú elektróny, batéria 4680 využíva technológiu bezelektródových uší.
Bezelektródový jazýček nemá žiadne jazýčky, ale mení celý zberač prúdu na jazýček, vodivá dráha už nezávisí na jazýčku a prúd sa prenáša z bočného prenosu pozdĺž jazýčka na platňu kolektora do pozdĺžneho prenosu. zberač prúdu.
Celková vodivá dĺžka sa zmenila z 800 na 1000 mm dĺžky medenej fólie 1860 alebo 2170 na 80 mm (výška batérie).Odpor sa zníži na 2 mΩ a spotreba vnútorného odporu sa zníži z 2 W na 0,2 W, čo sa priamo zníži o rád.
Táto konštrukcia výrazne znižuje impedanciu batérie a rieši problém zahrievania valcovej batérie.
Na jednej strane technológia bezelektródových uší zväčšuje oblasť vedenia prúdu, skracuje vzdialenosť vedenia prúdu a výrazne znižuje vnútorný odpor batérie;zníženie vnútorného odporu môže znížiť fenomén súčasného posunu a predĺžiť životnosť batérie;zníženie odporu môže tiež znížiť tvorbu tepla a vodivý povlak elektródy Účinná kontaktná plocha medzi vrstvou a koncovým uzáverom batérie môže dosiahnuť 100%, čo môže zlepšiť kapacitu rozptylu tepla.
Batéria 4680 využíva nový typ technológie bezelektródových uší, pokiaľ ide o štruktúru buniek, čo môže znížiť náklady a zvýšiť efektivitu.Na druhej strane odpadá proces zvárania jazýčkov, zlepšuje sa efektivita výroby a zároveň sa môže znížiť chybovosť spôsobená zváraním.
Schematický diagram monopólovej a celopólovej štruktúry
2. V kombinácii s technológiou CTC
Vo všeobecnosti platí, že čím väčšia je veľkosť batérie, tým menej batérií je potrebné nainštalovať do toho istého vozidla.S 18650 článkami potrebuje Tesla 7100 článkov.Ak používate 4680 batérií, potrebujete iba 900 batérií.
Čím menej batérií, tým rýchlejšie sa dajú zložiť, tým vyššia je účinnosť, tým menšia šanca na problémy v medzičlánkoch a lacnejšia cena.Veľká 4680 dokáže podľa Tesly znížiť výrobnú cenu batérií o 14 %.
Aby sa zlepšila hustota energie batérie, bude batéria 4680 kombinovaná s technológiou CTC (Cell to Chassis).Ide o integráciu batériových článkov priamo do podvozku.Úplným odstránením modulov a batériových blokov sa batériové články stanú kompaktnejšími, výrazne sa zníži počet batériových dielov a výrazne sa zlepší aj priestorové využitie šasi.
CTC má určité požiadavky na štrukturálnu pevnosť batérie.Samotná batéria musí znášať veľkú mechanickú pevnosť.V porovnaní s batériami 18650 a 2170 má jedna batéria 4680 väčšiu štrukturálnu pevnosť a vyššiu štrukturálnu pevnosť a všeobecná štvorcová batéria je hliníkový plášť.Plášť 4680 je vyrobený z nehrdzavejúcej ocele a je zaručená vlastná konštrukčná pevnosť.
V porovnaní so štvorcovou batériou bude usporiadanie valcovej batérie flexibilnejšie, môže sa prispôsobiť rôznym podvozkom a dá sa lepšie kombinovať s miestom.
Podľa výskumu a úsudku „EMF“ je technológia CTC v roku 2022 nosnou trubicou nových energetických vozidiel a je tiež vidličkou na ceste.
Integrácia batérie do karosérie môže mimoriadne skomplikovať údržbu vozidla a samostatne sa batéria ťažko vymieňa.Ceny popredajných služieb sa zvýšia a tieto náklady sa priamo prenesú na spotrebiteľov, ako napríklad náklady na poistenie.Aj keď Musk tvrdí, že navrhli opravné koľajnice, ktoré sa dajú odrezať a vymeniť, bude chvíľu trvať, kým uvidíme, ako dobre to bude fungovať.
Mnohé automobilky navrhli vlastné technické riešenia CTC, pretože to nielen preusporiadava batériu, ale potrebuje zmeniť aj štruktúru karosérie.Súvisí to s prerozdeľovaním pracovných síl v dodávateľskom reťazci príbuzných odvetví.
CTC je len technická cesta.Ide o telo batérie integrované, nezmenená demontáž.Naproti tomu stojí ďalšia technológia – výmena batérií.Technológia výmeny batérií sa dá ľahko rozobrať, ale batéria výrazne prispieva k sile batérie.Ako si vybrať tieto dve cesty je hra medzi dodávateľmi batérií a OEM.
CTC technológia kombinovaná s batériou 4680
3. Inovácia v procese výroby batérií, materiály katód a anód
Tesla bude používať proces suchej batérie, namiesto použitia rozpúšťadla sa malé množstvo (asi 5-8 %) jemne práškového PTFE spojiva zmieša s práškom pozitívnej/negatívnej elektródy, nechá sa prejsť extrudérom, aby sa vytvoril tenký prúžok materiál elektródy a potom sa pás elektródového materiálu nalaminoval na zberač prúdu z kovovej fólie, aby sa vytvorila hotová elektróda.
Takto vyrobená batéria je šetrnejšia k životnému prostrediu.A tento proces zvýši hustotu energie batérie a zníži spotrebu energie pri výrobe 10-krát.Technológia suchých elektród sa pravdepodobne stane technologickým štandardom pre budúcu generáciu.
Technológia suchých elektród batérie Tesla 4680
Pokiaľ ide o katódové materiály, Tesla uviedla, že odstráni aj kobaltový prvok v katóde.Kobalt je drahý a vzácny.Dá sa ťažiť len vo veľmi málo krajinách sveta alebo v nestabilných afrických krajinách ako Kongo.Ak batéria skutočne dokáže odstrániť kobaltový prvok, dá sa povedať, že ide o veľkú technologickú inováciu.
kobalt
Čo sa týka anódových materiálov, Tesla začne s kremíkovými materiálmi a použije viac kremíka, ktorý nahradí v súčasnosti používaný grafit.Teoretická špecifická kapacita zápornej elektródy na báze kremíka je až 4200 mAh/g, čo je desaťkrát viac ako kapacita grafitovej zápornej elektródy.Záporné elektródy na báze kremíka však majú aj problémy, ako je ľahká objemová expanzia kremíka, zlá elektrická vodivosť a veľká počiatočná strata náboja-vybitie.
Zlepšenie výkonu materiálov je teda v skutočnosti nájsť rovnováhu medzi hustotou energie a stabilitou a súčasné anódové produkty na báze kremíka sú dopované kremíkom a grafitom na kompozitné použitie.
Tesla plánuje zásadne zmeniť tvárnosť kremíkového povrchu, aby bol menej náchylný na rozbitie, čo je technológia, ktorá nielenže umožňuje rýchlejšie nabíjanie batérií, ale tiež zvyšuje životnosť batérie o 20 percent.Tesla nazvala nový materiál „Tesla Silicon“ a cena je 1,2 USD/KWh, čo je len jedna desatina existujúceho procesu štruktúrovaného kremíka.
Anódy na báze kremíka sa považujú za materiály anód lítiových batérií novej generácie.
Niekoľko modelov na trhu začalo používať anódové materiály na báze kremíka.Modely ako Tesla Model 3 už obsahujú malé množstvo kremíka v zápornej elektróde.Nedávno bol uvedený na trh model GAC AION LX Plus.Verzia Qianli je vybavená technológiou špongiovej silikónovej anódovej čipovej batérie, ktorá dokáže dosiahnuť 1 000 kilometrov životnosti batérie.
Silikónová anóda batérie 4680
Aby sme zhrnuli výhody technológie batérií 4680, môžu zlepšiť výkon a zároveň znížiť náklady.
3. Ďalekosiahly vplyv 4680 batérií
Batéria 4680 nie je prevratnou technologickou revolúciou, nie je prielomom v hustote energie, ale skôr inováciou v procesnej technológii.
Avšak, poháňaný Teslou, pre súčasný model nového trhu s energiou, výroba 4680 batérií zmení existujúci model batérií.Priemysel nevyhnutne spustí vlnu veľkoobjemových cylindrických batérií.
Podľa správ plánuje Panasonic začať sériovú výrobu 4680 veľkokapacitných batérií pre Teslu začiatkom roka 2023.Nová investícia bude predstavovať až 80 miliárd jenov (približne 704 miliónov USD).K vývoju batérie 4680 sa pridali aj Samsung SDI a LG Energy.
Na domácej pôde Yiwei Lithium Energy oznámila, že jej dcérska spoločnosť Yiwei Power plánuje postaviť 20 GWh veľkú linku na výrobu valcových batérií pre osobné vozidlá v zóne Jingmen High-tech.BAK Battery a Honeycomb Energy vstúpia aj do oblasti veľkých valcových batérií.BMW a CATL tiež aktívne nasadzujú veľké valcové batérie a bol určený základný vzor.
Cylindrické rozloženie batérií od výrobcov batérií
Po štvrté, elektromotorická sila má čo povedať
Štrukturálna inovácia veľkej cylindrickej batérie nepochybne podporí rozvoj priemyslu energetických batérií.Nie je to také jednoduché, ako len prechod z 5. batérie na 1. batériu.Jeho tučné telo má veľké otázky.
Náklady na batériu sa blížia k 40 % nákladov na celé vozidlo.Dôležitosť batérie ako „srdca“ je samozrejmá.S popularitou nových energetických vozidiel sa však dopyt po batériách každým dňom zvyšuje a cena materiálov rastie.Inovácia batérií sa stala pre automobilky dôležitým spôsobom rozvoja.
S rozvojom technológií súvisiacich s batériou sú cenovo dostupné elektrické vozidlá hneď za rohom!
Čas odoslania: 13. júna 2022