من بطارية BYD النصلية، إلى بطارية Honeycomb Energy الخالية من الكوبالت، ثم إلى بطارية أيون الصوديوم في عصر CATL، شهدت صناعة بطاريات الطاقة ابتكارًا مستمرًا. 23 سبتمبر 2020 - يوم بطارية تسلا، أظهر الرئيس التنفيذي لشركة تسلا إيلون ماسك للعالم بطارية جديدة - بطارية 4680.
في السابق، كانت أحجام بطاريات الليثيوم الأسطوانية هي بشكل أساسي 18650 و21700، وكانت 21700 تحتوي على طاقة أكبر بنسبة 50% من 18650.تتمتع بطارية 4680 بسعة خلية تبلغ خمسة أضعاف سعة بطارية 21700، ويمكن للبطارية الجديدة أن تقلل التكلفة لكل كيلووات/ساعة بحوالي 14% وتزيد نطاق الإبحار بنسبة 16%.
صرح " ماسك " بصراحة أن هذه البطارية ستجعل من الممكن إنتاج سيارة كهربائية بقيمة 25 ألف دولار.
إذًا، من أين أتت هذه البطارية الخطيرة؟بعد ذلك، نقوم بتحليلها واحدة تلو الأخرى.
1. ما هي بطارية 4680؟
طريقة تسلا في تسمية بطاريات الطاقة بسيطة جدًا ومباشرة.البطارية 4680، كما يوحي الاسم، هي بطارية أسطوانية يبلغ قطر خلية واحدة 46 ملم وارتفاعها 80 ملم.
ثلاثة أحجام مختلفة من بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية
كما يتبين من الصورة، بالمقارنة مع بطارية تسلا الأصلية 18650 وبطارية 21700، فإن بطارية 4680 تبدو كرجل طويل القامة وقوي.
لكن بطارية 4680 ليست مجرد تغيير في الحجم، فقد قامت تيسلا بدمج الكثير من التقنيات الجديدة لتحسين الأداء.
ثانيا، التكنولوجيا الجديدة للبطارية 4680
1. تصميم الأذن بدون إلكترود
بشكل بديهي، أكبر شعور بالجهاز 4680 هو أنه أكبر.فلماذا لم تجعل الشركات المصنعة الأخرى البطارية أكبر في الماضي.وذلك لأنه كلما زاد الحجم وارتفعت الطاقة، أصبح التحكم في الحرارة أكثر صعوبة وزاد تهديد السلامة من الاحتراق والانفجار.
ويبدو أن تسلا قد أخذت هذا الأمر بعين الاعتبار أيضًا.
بالمقارنة مع البطارية الأسطوانية السابقة، فإن أكبر ابتكار هيكلي للبطارية 4680 هو العروة الخالية من الإلكترود، والمعروفة أيضًا باسم العروة الكاملة.في البطارية الأسطوانية التقليدية، يتم تكديس وتلف رقائق النحاس الموجبة والسالبة وفاصل رقائق الألومنيوم. من أجل سحب الأقطاب الكهربائية، يتم لحام سلك رصاص يسمى tab على طرفي رقائق النحاس ورقائق الألومنيوم.
يبلغ طول لف بطارية 1860 التقليدية 800 ملم. بأخذ رقائق النحاس ذات الموصلية الأفضل كمثال، يبلغ طول الألسنة لإخراج الكهرباء من رقائق النحاس 800 مم، وهو ما يعادل التيار الذي يمر عبر السلك الطويل 800 مم.
بالحساب، تبلغ المقاومة حوالي 20mΩ، وطول لف بطارية 2170 حوالي 1000mm، والمقاومة حوالي 23mΩ.يمكن تحويله بسهولة إلى أن الفيلم بنفس السماكة يحتاج إلى لفه في بطارية 4680، ويبلغ طول اللف حوالي 3800 مم.
هناك العديد من العيوب لزيادة طول اللف. تحتاج الإلكترونات إلى السفر مسافة أطول للوصول إلى علامات التبويب الموجودة على طرفي البطارية، وستزداد المقاومة، وستكون البطارية أكثر عرضة للحرارة.سوف يتدهور أداء البطارية بل وسيخلق مشكلات تتعلق بالسلامة.ومن أجل تقليل المسافة التي تقطعها الإلكترونات، تستخدم بطارية 4680 تقنية الأذن بدون إلكترود.
لا تحتوي علامة التبويب الكهربية على علامات تبويب، ولكنها تحول مجمع التيار بأكمله إلى علامة تبويب، ولم يعد المسار الموصل يعتمد على علامة التبويب، ويتم نقل التيار من النقل الجانبي على طول علامة التبويب إلى لوحة المجمع إلى النقل الطولي لـ المجمع الحالي.
لقد تغير طول الموصل بالكامل من 800 إلى 1000 مم من طول رقائق النحاس 1860 أو 2170 إلى 80 مم (ارتفاع البطارية).يتم تقليل المقاومة إلى 2mΩ، ويتم تقليل استهلاك المقاومة الداخلية من 2W إلى 0.2W، والذي يتم تقليله مباشرة بأمر من الحجم.
هذا التصميم يقلل بشكل كبير من مقاومة البطارية ويحل مشكلة تسخين البطارية الأسطوانية.
من ناحية، تعمل تقنية الأذن الخالية من الإلكترود على زيادة منطقة التوصيل الحالي، وتقصير مسافة التوصيل الحالية، وتقليل المقاومة الداخلية للبطارية بشكل كبير؛ يمكن أن يؤدي تقليل المقاومة الداخلية إلى تقليل ظاهرة الإزاحة الحالية وإطالة عمر البطارية؛ يمكن أن يؤدي تقليل المقاومة أيضًا إلى تقليل توليد الحرارة، ويمكن أن تصل منطقة الاتصال الفعالة بين الطبقة وغطاء نهاية البطارية إلى 100%، مما يمكن أن يحسن قدرة تبديد الحرارة.
تعتمد بطارية 4680 نوعًا جديدًا من تكنولوجيا الأذن بدون إلكترود من حيث بنية الخلية، والتي يمكن أن تقلل التكاليف وتزيد الكفاءة.من ناحية أخرى، تم حذف عملية لحام الألسنة، وتم تحسين كفاءة الإنتاج، ويمكن تقليل معدل الخلل الناتج عن اللحام في نفس الوقت.
رسم تخطيطي للهيكل أحادي القطب وكامل القطب
2. جنبا إلى جنب مع تكنولوجيا CTC
بشكل عام، كلما زاد حجم البطارية، قل عدد البطاريات التي يجب تركيبها في نفس السيارة.مع 18650 خلية، تحتاج سيارة تسلا إلى 7100 خلية.إذا كنت تستخدم 4680 بطارية، فأنت بحاجة إلى 900 بطارية فقط.
كلما قل عدد البطاريات، زادت سرعة تجميعها، وارتفعت الكفاءة، وقل احتمال حدوث مشاكل في الوصلات الوسيطة، وقل السعر.ووفقا لشركة تسلا، يمكن للطراز 4680 الكبير أن يخفض سعر إنتاج البطاريات بنسبة 14%.
ومن أجل تحسين كثافة الطاقة لحزمة البطارية، سيتم دمج البطارية 4680 مع تقنية CTC (الخلية إلى الهيكل).إنه دمج خلايا البطارية مباشرة في الهيكل.من خلال إزالة الوحدات وحزم البطاريات تمامًا، تصبح خلايا البطارية أكثر إحكاما، وسيتم تقليل عدد أجزاء البطارية بشكل كبير، كما سيتم تحسين استخدام مساحة الهيكل بشكل كبير.
لدى CTC متطلبات معينة بشأن القوة الهيكلية للبطارية. يجب أن تتحمل البطارية نفسها الكثير من القوة الميكانيكية. بالمقارنة مع البطاريات 18650 و2170، تتمتع البطارية المفردة 4680 بقوة هيكلية أكبر وقوة هيكلية أعلى، والبطارية ذات الغلاف المربع العام عبارة عن غلاف من الألومنيوم. الغلاف 4680 مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، والقوة الهيكلية الكامنة مضمونة.
بالمقارنة مع البطارية ذات الغلاف المربع، سيكون تصميم البطارية الأسطوانية أكثر مرونة، ويمكن أن يتكيف مع مجموعة متنوعة من الهياكل المختلفة، ويمكن دمجه بشكل أفضل مع الموقع.
وفقًا لبحث وتقدير "EMF"، فإن تقنية CTC هي رأس سيارات الطاقة الجديدة في عام 2022، وهي أيضًا مفترق طرق.
يمكن أن يؤدي دمج البطارية في الجسم إلى جعل صيانة السيارة معقدة للغاية، ومن الصعب استبدال البطارية بشكل مستقل.سترتفع أسعار خدمات ما بعد البيع، وسيتم نقل هذه التكاليف مباشرة إلى المستهلكين، مثل تكاليف التأمين.على الرغم من أن " ماسك " يدعي أنهم صمموا قضبان إصلاح يمكن قطعها واستبدالها، إلا أن الأمر سيستغرق بعض الوقت لمعرفة مدى نجاحها.
اقترحت العديد من شركات السيارات حلولها التقنية الخاصة بـ CTC، لأنها لا تعيد ترتيب البطارية فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى تغيير هيكل الجسم.ويرتبط هذا بإعادة تقسيم العمل في سلسلة التوريد للصناعات ذات الصلة.
CTC هو مجرد طريق تقني.وهو عبارة عن جسم بطارية متكامل، والتفكيك دون تغيير.هناك تقنية أخرى على الجانب الآخر – تبديل البطارية.من السهل تفكيك تقنية تبديل البطارية، لكن البطارية تساهم بشكل كبير في قوة البطارية.إن كيفية اختيار هذين الطريقين هي لعبة بين موردي البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية.
تقنية CTC مدمجة مع بطارية 4680
3. الابتكار في عملية إنتاج البطاريات ومواد الكاثود والأنود
سوف تستخدم تسلا عملية القطب الكهربائي للبطارية الجافة، فبدلاً من استخدام المذيب، يتم خلط كمية صغيرة (حوالي 5-8%) من مسحوق رابطة PTFE الناعم مع مسحوق القطب الموجب/السالب، وتمريرها عبر الطارد لتشكيل شريط رفيع من مادة القطب الكهربائي، ثم تم تصفيح شريط من مادة القطب الكهربائي إلى مجمع تيار من رقائق معدنية لتشكيل القطب الكهربائي النهائي.
البطارية المنتجة بهذه الطريقة صديقة للبيئة أكثر.وستعمل هذه العملية على زيادة كثافة طاقة البطارية وتقليل استهلاك الطاقة للإنتاج بمقدار 10 مرات.ومن المرجح أن تصبح تكنولوجيا القطب الجاف المعيار التكنولوجي للجيل القادم.
تقنية القطب الجاف لبطارية تسلا 4680
وفيما يتعلق بمواد الكاثود، قالت تسلا إنها ستقوم أيضًا بإزالة عنصر الكوبالت الموجود في الكاثود.الكوبالت باهظ الثمن ونادر.ولا يمكن استخراجه إلا في عدد قليل جدًا من دول العالم، أو في دول أفريقية غير مستقرة مثل الكونغو.إذا كانت البطارية قادرة بالفعل على إزالة عنصر الكوبالت، فيمكن القول أن ذلك يعد ابتكارًا تكنولوجيًا كبيرًا.
الكوبالت
وفيما يتعلق بمواد الأنود، ستبدأ تسلا بمواد السيليكون وستستخدم المزيد من السيليكون ليحل محل الجرافيت المستخدم حاليًا.تصل السعة النظرية المحددة للقطب السالب القائم على السيليكون إلى 4200 مللي أمبير/جرام، وهو أعلى بعشر مرات من قدرة القطب السالب من الجرافيت.ومع ذلك، فإن الأقطاب الكهربائية السالبة القائمة على السيليكون تواجه أيضًا مشاكل مثل سهولة توسيع حجم السيليكون، وضعف التوصيل الكهربائي، وفقدان الشحن والتفريغ الأولي الكبير.
ولذلك، فإن تحسين أداء المواد هو في الواقع إيجاد توازن بين كثافة الطاقة والاستقرار، ويتم تطعيم منتجات الأنود الحالية القائمة على السيليكون بالسيليكون والجرافيت للاستخدام المركب.
وتخطط تسلا لإجراء تغيير جذري على مرونة سطح السيليكون لجعله أقل عرضة للكسر، وهي تقنية لا تسمح للبطاريات بالشحن بشكل أسرع فحسب، بل تزيد أيضًا من عمر البطارية بنسبة 20 بالمائة.أطلقت تسلا على المادة الجديدة اسم "Tesla Silicon"، وتبلغ التكلفة 1.2 دولار لكل كيلووات في الساعة، وهو ما يعادل عُشر عملية السيليكون الهيكلية الحالية.
تعتبر الأنودات القائمة على السيليكون بمثابة الجيل التالي من مواد أنود بطارية الليثيوم.
بدأت بعض النماذج في السوق في استخدام مواد الأنود القائمة على السيليكون.نماذج مثل Tesla Model 3 تتضمن بالفعل كميات صغيرة من السيليكون في القطب السالب.تم إطلاق طراز GAC AION LX Plus مؤخرًا. تم تجهيز إصدار Qianli بتقنية بطارية رقاقة أنود السيليكون الإسفنجية، والتي يمكنها تحقيق عمر بطارية يصل إلى 1000 كيلومتر.
4680 أنود السيليكون البطارية
لتلخيص مزايا تقنية بطارية 4680، فهي يمكنها تحسين الأداء مع تقليل التكاليف.
3. التأثير بعيد المدى لـ 4680 بطارية
لا تمثل بطارية 4680 ثورة تكنولوجية تخريبية، وليست طفرة في كثافة الطاقة، ولكنها أكثر من مجرد ابتكار في تكنولوجيا العمليات.
ومع ذلك، مدفوعًا بشركة تسلا، بالنسبة للنمط الحالي لسوق الطاقة الجديدة، فإن إنتاج 4680 بطارية سيغير نمط البطارية الحالي.ستؤدي الصناعة حتماً إلى إطلاق موجة من البطاريات الأسطوانية كبيرة الحجم.
ووفقا للتقارير، تخطط باناسونيك لبدء الإنتاج الضخم لـ 4680 بطارية ذات سعة كبيرة لشركة تسلا في أوائل عام 2023.وسيصل الاستثمار الجديد إلى 80 مليار ين (حوالي 704 ملايين دولار أمريكي).انضمت Samsung SDI وLG Energy أيضًا إلى تطوير بطارية 4680.
محليًا، أعلنت شركة Yiwei Lithium Energy أن شركتها التابعة Yiwei Power تخطط لبناء خط إنتاج بطاريات أسطوانية كبيرة بقدرة 20 جيجاوات في الساعة لسيارات الركاب في منطقة Jingmen للتكنولوجيا الفائقة. كما ستدخل BAK Battery وHoneycomb Energy مجال البطاريات الأسطوانية الكبيرة. تعمل BMW وCATL أيضًا على نشر بطاريات أسطوانية كبيرة الحجم، وقد تم تحديد النمط الأساسي.
تخطيط البطارية الأسطواني الخاص بمصنعي البطاريات
رابعًا، القوة الدافعة الكهربية لديها ما تقوله
إن الابتكار الهيكلي للبطارية الأسطوانية الكبيرة سيعزز بلا شك تطوير صناعة بطاريات الطاقة. الأمر ليس بهذه البساطة مجرد الترقية من البطارية الخامسة إلى البطارية الأولى. جسدها السمين لديه أسئلة كبيرة.
وتقترب تكلفة البطارية من 40% من تكلفة السيارة بأكملها. إن أهمية البطارية باعتبارها "القلب" أمر بديهي.ومع ذلك، مع شعبية مركبات الطاقة الجديدة، يتزايد الطلب على البطاريات يومًا بعد يوم، وترتفع أسعار المواد. أصبح ابتكار البطاريات وسيلة مهمة لتطوير شركات السيارات.
مع تطور التقنيات المتعلقة بالبطاريات، أصبحت السيارات الكهربائية ذات الأسعار المعقولة قاب قوسين أو أدنى!
وقت النشر: 13 يونيو 2022