Ад акумулятара BYD да бескобальтавага акумулятара Honeycomb Energy, а затым да натрыева-іённага акумулятара эпохі CATL, індустрыя акумулятарных батарэй перажывае бесперапынныя інавацыі. 23 верасня 2020 г. - Дзень батарэі Tesla, генеральны дырэктар Tesla Ілон Маск паказаў свету новую батарэю - батарэю 4680.
Раней памеры цыліндрычных літыевых акумулятараў былі ў асноўным 18650 і 21700, а 21700 меў на 50% больш энергіі, чым 18650.Ёмістасць батарэі 4680 у пяць разоў перавышае ёмістасць батарэі 21700, і новая батарэя можа знізіць кошт за кілават-гадзіну прыкладна на 14% і павялічыць запас ходу на 16%.
Маск прама заявіў, што гэтая батарэя зробіць электрамабіль коштам 25 000 долараў магчымым.
Такім чынам, адкуль узялася гэтая грозная батарэйка?Далей мы аналізуем іх адзін за адным.
1. Што такое батарэя 4680?
Спосаб Тэслы называць батарэі вельмі просты і зразумелы.Батарэя 4680, як вынікае з назвы, уяўляе сабой цыліндрычную батарэю з дыяметрам аднаго элемента 46 мм і вышынёй 80 мм.
Літый-іённыя цыліндрычныя батарэі трох розных памераў
Як відаць на малюнку, у параўнанні з арыгінальнай батарэяй Tesla 18650 і батарэяй 21700 батарэя 4680 выглядае як высокі і моцны чалавек.
Але акумулятар 4680 - гэта не проста змяненне памеру, Tesla уключыла шмат новых тэхналогій для павышэння прадукцыйнасці.
Па-другое, новая тэхналогія батарэі 4680
1. Безэлектродная канструкцыя вуха
Інтуітыўна зразумела, самае вялікае адчуванне 4680 - гэта тое, што ён большы.Дык чаму ж раней іншыя вытворцы не павялічылі акумулятар.Гэта адбываецца таму, што чым большы аб'ём і чым вышэй энергія, цяпло цяжэй кантраляваць і тым большая пагроза бяспецы ад гарэння і выбуху.
Tesla, відаць, таксама прыняў гэта да ўвагі.
У параўнанні з папярэдняй цыліндрычнай батарэяй, найбуйнейшым структурным новаўвядзеннем батарэі 4680 з'яўляецца безэлектродная наканечнік, таксама вядомы як поўны наканечнік.У традыцыйнай цыліндрычнай батарэі станоўчая і адмоўная медная фальга і сепаратар з алюмініевай фальгі складзены і наматаны. Каб выцягнуць электроды, да двух канцоў меднай фальгі і алюмініевай фальгі прыварваюць свінцовы провад, які называецца язычок.
Даўжыня абмоткі традыцыйнай батарэі 1860 складае 800 мм. Беручы ў якасці прыкладу медную фальгу з лепшай праводнасцю, даўжыня выступаў, якія выводзяць электрычнасць з меднай фальгі, складае 800 мм, што эквівалентна току, які праходзіць праз провад даўжынёй 800 мм.
Па разліку, супраціўленне складае каля 20 мОм, даўжыня абмоткі батарэі 2170 - каля 1000 мм, а супраціўленне - каля 23 мОм.Можна лёгка пераўтварыць, што плёнку такой жа таўшчыні трэба згарнуць у батарэю 4680, а даўжыня намоткі складае каля 3800 мм.
У павелічэння даўжыні намоткі шмат недахопаў. Электроны павінны прайсці вялікую адлегласць, каб дасягнуць выступаў на абодвух канцах батарэі, супраціўленне павялічыцца, і батарэя стане больш схільнай да награвання.Прадукцыйнасць батарэі пагоршыцца і нават створыць праблемы з бяспекай.Каб скараціць адлегласць, якую праходзяць электроны, батарэя 4680 выкарыстоўвае тэхналогію безэлектроднага вуха.
Безэлектродная ўкладка не мае ўкладак, а ператварае ўвесь токапрыёмнік у ўкладку, токаправодны шлях больш не залежыць ад укладкі, і ток перадаецца ад бакавой перадачы па ўкладцы да калектарнай пласціны да падоўжнай перадачы токапрыёмнік.
Уся токаправодная даўжыня змянілася з 800 да 1000 мм даўжыні меднай фальгі 1860 або 2170 да 80 мм (вышыня батарэі).Супраціў зніжаецца да 2 мОм, а спажыванне ўнутранага супраціву зніжаецца з 2 Вт да 0,2 Вт, што непасрэдна памяншаецца на парадак велічыні.
Такая канструкцыя значна зніжае імпеданс батарэі і вырашае праблему нагрэву цыліндрычнай батарэі.
З аднаго боку, тэхналогія безэлектроднага вуха павялічвае плошчу праводнасці току, скарачае адлегласць праводнасці току і значна зніжае ўнутраны супраціў батарэі; памяншэнне ўнутранага супраціву можа паменшыць зрушэнне току і падоўжыць тэрмін службы батарэі; памяншэнне супраціву таксама можа паменшыць выпрацоўку цяпла, а электрод праводзіць пакрыццё. Эфектыўная плошча кантакту паміж пластом і вечкам батарэі можа дасягаць 100%, што можа палепшыць здольнасць рассейвання цяпла.
Акумулятар 4680 выкарыстоўвае новы тып безэлектроднай тэхналогіі вуха з пункту гледжання структуры ячэек, што можа знізіць выдаткі і павысіць эфектыўнасць.З іншага боку, працэс зваркі выступаў апускаецца, эфектыўнасць вытворчасці павышаецца, і ўзровень дэфектаў, выкліканых зваркай, можа быць зніжаны ў той жа час.
Прынцыповая схема манапольнай і поўнаполюснай структуры
2. У спалучэнні з тэхналогіяй CTC
Наогул кажучы, чым большы памер акумулятара, тым менш акумулятараў трэба ўсталёўваць у адзін аўтамабіль.З 18650 элементамі Tesla патрабуе 7100 элементаў.Калі вы выкарыстоўваеце батарэі 4680, вам спатрэбіцца толькі 900 батарэй.
Чым менш акумулятараў, тым хутчэй іх зборка, вышэй эфектыўнасць, менш верагоднасць праблем у прамежкавых звёнах і танней кошт.Па словах Tesla, вялікі 4680 можа знізіць цану вытворчасці акумулятараў на 14%.
Для павышэння шчыльнасці энергіі акумулятара батарэя 4680 будзе спалучацца з тэхналогіяй CTC (Cell to Chassis).Ён заключаецца ў інтэграцыі элементаў батарэі непасрэдна ў шасі.Пры поўным выдаленні модуляў і акумулятарных блокаў акумулятарныя элементы стануць больш кампактнымі, колькасць дэталяў акумулятара значна паменшыцца, а выкарыстанне прасторы шасі таксама значна палепшыцца.
CTC прад'яўляе пэўныя патрабаванні да структурнай трываласці батарэі. Сама батарэя павінна вытрымліваць вялікую механічную трываласць. У параўнанні з батарэямі 18650 і 2170 адна батарэя 4680 мае большую структурную трываласць і больш высокую структурную трываласць, а звычайная квадратная абалонка батарэі - гэта алюмініевая абалонка. Абалонка 4680 выраблена з нержавеючай сталі, і ўласцівая трываласць канструкцыі гарантавана.
У параўнанні з квадратнай батарэяй, кампаноўка цыліндрычнай батарэі будзе больш гнуткай, можа адаптавацца да мноства розных шасі і лепш спалучацца з пляцоўкай.
Згодна з даследаваннямі і ацэнкай «EMF», тэхналогія CTC з'яўляецца фурмай новых энергетычных транспартных сродкаў у 2022 годзе, а таксама развілкай дарогі.
Інтэграцыя акумулятара ў кузаў можа надзвычай ўскладніць абслугоўванне аўтамабіля, а акумулятар цяжка замяніць самастойна.Цэны на пасляпродажнае абслугоўванне вырастуць, і гэтыя выдаткі будуць непасрэдна перанесены на спажыўцоў, напрыклад, выдаткі на страхаванне.Хоць Маск сцвярджае, што яны распрацавалі рамонтныя рэйкі, якія можна разрэзаць і замяніць, спатрэбіцца час, каб убачыць, наколькі добра гэта будзе працаваць.
Шматлікія аўтаканцэрны прапанавалі ўласныя тэхнічныя рашэнні CTC, таму што ён не толькі перастаўляе акумулятар, але і патрабуе змены канструкцыі кузава.Гэта звязана з перараздзяленнем працы ў ланцугу паставак сумежных галін.
CTC - гэта проста тэхнічны маршрут.Гэта ўбудаваны корпус акумулятара без зменаў у разборцы.Насупраць ёсць яшчэ адна тэхналогія - замена батарэй.Тэхналогію замены батарэі лёгка разабраць, але батарэя ўносіць вялікі ўклад у трываласць батарэі.Як выбраць гэтыя два маршруты - гэта гульня паміж пастаўшчыкамі батарэй і OEM-вытворцамі.
Тэхналогія CTC у спалучэнні з батарэяй 4680
3. Інавацыі ў працэсе вытворчасці батарэй, матэрыялах катодаў і анодаў
Кампанія Tesla будзе выкарыстоўваць працэс з выкарыстаннем сухога акумулятарнага электрода. Замест выкарыстання растваральніка невялікая колькасць (каля 5-8%) дробна парашкападобнага злучнага з ПТФЭ змешваецца з парашком станоўчага/адмоўнага электрода, прапускаецца праз экструдар для фарміравання тонкай палоскі электроднага матэрыялу, а затым паласу электроднага матэрыялу ламініравалі на токапрыёмнік з металічнай фальгі для фарміравання гатовага электрода.
Акумулятар, выраблены такім спосабам, больш экалагічны.І гэты працэс павялічыць шчыльнасць энергіі акумулятара і знізіць энергаёмістасць вытворчасці ў 10 разоў.Тэхналогія сухога электрода, верагодна, стане тэхналагічным эталонам для наступнага пакалення.
Тэхналогія сухога электрода батарэі Tesla 4680
Што тычыцца катодных матэрыялаў, Тэсла сказаў, што ён таксама выдаліць элемент кобальту ў катодзе.Кобальт дарагі і дэфіцытны.Яго можна здабываць толькі ў некалькіх краінах свету або ў нестабільных афрыканскіх краінах, такіх як Конга.Калі акумулятар сапраўды можа выдаліць элемент кобальту, можна сказаць, што гэта сур'ёзнае тэхналагічнае новаўвядзенне.
Кобальт
Што тычыцца анодных матэрыялаў, Tesla пачне з крэмніевых матэрыялаў і будзе выкарыстоўваць больш крэмнію для замены графіту, які выкарыстоўваецца ў цяперашні час.Тэарэтычная ўдзельная ёмістасць адмоўнага электрода на аснове крэмнія складае 4200 мАг/г, што ў дзесяць разоў вышэй, чым у графітавага адмоўнага электрода.Аднак адмоўныя электроды на аснове крэмнію таксама маюць такія праблемы, як лёгкае пашырэнне аб'ёму крэмнію, дрэнная электраправоднасць і вялікія пачатковыя страты пры зарадзе і разрадзе.
Такім чынам, паляпшэнне прадукцыйнасці матэрыялаў на самай справе заключаецца ў пошуку балансу паміж шчыльнасцю энергіі і стабільнасцю, а сучасныя аноды на аснове крэмнія легіраваны крэмніем і графітам для кампазітнага выкарыстання.
Tesla плануе прынцыпова змяніць пластычнасць крэмніевай паверхні, каб зрабіць яе менш схільнай да паломак, тэхналогія, якая не толькі дазваляе батарэям зараджацца хутчэй, але і павялічвае тэрмін службы батарэі на 20 працэнтаў.Кампанія Tesla назвала новы матэрыял «Tesla Silicon», а кошт складае 1,2 даляра за кВт/гадз, што складае толькі адну дзесятую ад існуючага працэсу вырабу структураванага крэмнію.
Аноды на аснове крэмнію лічацца аноднымі матэрыяламі для літыевых батарэй наступнага пакалення.
Некалькі мадэляў на рынку пачалі выкарыстоўваць анодныя матэрыялы на аснове крэмнія.Такія мадэлі, як Tesla Model 3, ужо ўключаюць невялікую колькасць крэмнію ў адмоўны электрод.Нядаўна была выпушчана мадэль GAC AION LX Plus. Версія Qianli абсталявана тэхналогіяй акумулятара з губчатым крэмніевым анодам, які можа дасягаць 1000 кіламетраў аўтаномнай працы.
Крэмніевы анод батарэі 4680
Падводзячы вынік, перавагі акумулятарнай тэхналогіі 4680 заключаюцца ў тым, што яна можа палепшыць прадукцыйнасць пры зніжэнні выдаткаў.
3. Далёка ідучыя наступствы батарэй 4680
Акумулятар 4680 - гэта не падрыўная тэхналагічная рэвалюцыя, не прарыў у шчыльнасці энергіі, а больш інавацыя ў тэхналагічным працэсе.
Аднак, кіруючыся Tesla, для цяперашняй мадэлі новага энергетычнага рынку вытворчасць 4680 акумулятараў зменіць існуючую схему акумулятараў.Прамысловасць непазбежна падштурхне хвалю цыліндрычных акумулятараў вялікага аб'ёму.
Паводле паведамленняў, Panasonic плануе пачаць масавую вытворчасць 4680 акумулятараў вялікай ёмістасці для Tesla ў пачатку 2023 года.Новыя інвестыцыі складуць 80 мільярдаў ен (прыкладна 704 мільёны долараў ЗША).Да распрацоўкі батарэі 4680 таксама далучыліся Samsung SDI і LG Energy.
На ўнутраным рынку Yiwei Lithium Energy абвясціла, што яе даччыная кампанія Yiwei Power плануе пабудаваць лінію па вытворчасці вялікіх цыліндрычных акумулятараў магутнасцю 20 ГВт·гадз для легкавых аўтамабіляў у зоне высокіх тэхналогій Цзінмэнь. BAK Battery і Honeycomb Energy таксама выйдуць на сферу вялікіх цыліндрычных батарэй. BMW і CATL таксама актыўна разгортваюць вялікія цыліндрычныя акумулятары, і асноўны ўзор ужо вызначаны.
Схема цыліндрычных батарэй вытворцаў акумулятараў
Па-чацвёртае, электрарухаючая сіла мае што сказаць
Канструктыўныя інавацыі вялікай цыліндрычнай батарэі, несумненна, будуць спрыяць развіццю індустрыі энергетычных акумулятараў. Гэта не так проста, як проста перайсці з 5-й батарэі на 1-ю. Яго тоўстае цела мае вялікія пытанні.
Кошт акумулятара складае каля 40% ад кошту ўсяго аўтамабіля. Важнасць батарэі як «сэрца» відавочная.Аднак з ростам папулярнасці новых энергетычных аўтамабіляў попыт на акумулятары расце з кожным днём, а цана на матэрыялы расце. Інавацыі акумулятараў сталі важным спосабам развіцця аўтамабільных кампаній.
З развіццём тэхналогій, звязаных з батарэямі, даступныя электрамабілі не за гарамі!
Час публікацыі: 13 чэрвеня 2022 г