От блейд батерията на BYD до безкобалтовата батерия на Honeycomb Energy и след това до натриево-йонната батерия от ерата на CATL, индустрията за захранващи батерии преживява непрекъснати иновации. 23 септември 2020 г. – Ден на батерията на Tesla, изпълнителният директор на Tesla Илон Мъск показа на света нова батерия – батерията 4680.
Преди това размерите на цилиндричните литиеви батерии бяха главно 18650 и 21700, а 21700 имаше 50% повече енергия от 18650.Батерията 4680 има пет пъти по-голям капацитет на клетката от батерията 21700, а новата батерия може да намали цената на киловатчас с около 14% и да увеличи обхвата на пътуване с 16%.
Мъск направо заяви, че тази батерия ще направи възможна електрическа кола на стойност $25 000.
И така, откъде идва тази заплашителна батерия?След това ги анализираме един по един.
1. Какво е 4680 батерия?
Начинът на Tesla да наименува батериите е много прост и ясен.Батерията 4680, както подсказва името, е цилиндрична батерия с диаметър на една клетка от 46 mm и височина от 80 mm.
Три различни размера литиево-йонни цилиндрични батерии
Както се вижда от снимката, в сравнение с оригиналната батерия 18650 и 21700 на Tesla, батерията 4680 изглежда като висок и силен човек.
Но батерията 4680 не е просто промяна на размера, Tesla е включила много нови технологии за подобряване на производителността.
Второ, новата технология на батерията 4680
1. Дизайн на ушите без електроди
Интуитивно, най-голямото усещане за 4680 е, че е по-голям.Така че защо други производители не направиха батерията по-голяма в миналото.Това е така, защото колкото по-голям е обемът и колкото по-висока е енергията, топлината се контролира по-трудно и толкова по-голяма е заплахата за безопасността от изгаряне и експлозия.
Tesla очевидно също е взела предвид това.
В сравнение с предишната цилиндрична батерия, най-голямата структурна иновация на батерията 4680 е безелектродното ухо, известно още като пълно ухо.В традиционната цилиндрична батерия положителните и отрицателните медни фолиа и сепараторът от алуминиево фолио са подредени и навити. За да се изтеглят електродите, към двата края на медното фолио и алуминиевото фолио се заварява оловна жица, наречена накрайник.
Дължината на навиване на традиционна батерия 1860 е 800 mm. Вземайки медното фолио с по-добра проводимост като пример, дължината на изводите за извеждане на електричеството от медното фолио е 800 mm, което е еквивалентно на тока, преминаващ през 800 mm дългия проводник.
По изчисление съпротивлението е около 20 mΩ, дължината на намотката на батерията 2170 е около 1000 mm, а съпротивлението е около 23 mΩ.Може лесно да се преобразува, че филмът със същата дебелина трябва да се навие в батерия 4680, а дължината на навиване е около 3800 mm.
Увеличаването на дължината на намотката има много недостатъци. Електроните трябва да изминат по-голямо разстояние, за да достигнат зъбците в двата края на батерията, съпротивлението ще се увеличи и батерията ще бъде по-податлива на топлина.Производителността на батерията ще се влоши и дори ще създаде проблеми с безопасността.За да се скъси разстоянието, изминато от електроните, батерията 4680 използва безелектродна технология за уши.
Безелектродният разделител няма разделители, а превръща целия токоотвод в разделител, проводящият път вече не зависи от разделителя и токът се прехвърля от страничното предаване по протежение на разделителя към колекторната плоча към надлъжното предаване на токоприемника.
Цялата проводяща дължина е променена от 800 до 1000 mm на дължина на медно фолио 1860 или 2170 до 80 mm (височина на батерията).Съпротивлението е намалено до 2 mΩ, а консумацията на вътрешно съпротивление е намалена от 2 W на 0,2 W, което е директно намалено с порядък.
Този дизайн значително намалява импеданса на батерията и решава проблема с нагряването на цилиндричната батерия.
От една страна, технологията за безелектродно ухо увеличава площта на проводимост на тока, скъсява разстоянието на проводимост на тока и значително намалява вътрешното съпротивление на батерията; намаляването на вътрешното съпротивление може да намали феномена на текущото отместване и да удължи живота на батерията; намаляването на съпротивлението може също да намали генерирането на топлина и проводящото покритие на електрода. Ефективната контактна площ между слоя и крайната капачка на батерията може да достигне 100%, което може да подобри капацитета за разсейване на топлината.
Батерията 4680 използва нов тип безелектродна технология за уши по отношение на клетъчната структура, която може да намали разходите и да повиши ефективността.От друга страна, процесът на заваряване на пластините е пропуснат, ефективността на производството е подобрена и процентът на дефектите, причинени от заваряването, може да бъде намален в същото време.
Принципна диаграма на монополна и пълнополюсна структура
2. Комбиниран с CTC технология
Най-общо казано, колкото по-голям е размерът на батерията, толкова по-малко батерии трябва да бъдат инсталирани в едно и също превозно средство.С 18650 клетки, Tesla се нуждае от 7100 клетки.Ако използвате 4680 батерии, имате нужда само от 900 батерии.
Колкото по-малко са батериите, толкова по-бързо могат да бъдат сглобени, толкова по-висока е ефективността, по-малък е шансът за проблеми в междинните връзки и по-ниска е цената.Според Tesla големият 4680 може да намали производствената цена на батериите с 14%.
За да се подобри енергийната плътност на батерията, батерията 4680 ще бъде комбинирана с технологията CTC (Cell to Chassis).Тя е за интегриране на батерийните клетки директно в шасито.Чрез пълното премахване на модулите и батерийните пакети, батерийните клетки стават по-компактни, броят на частите на батерията ще бъде значително намален и използването на пространството на шасито също ще бъде значително подобрено.
CTC има определени изисквания към структурната здравина на батерията. Самата батерия трябва да понесе голяма механична якост. В сравнение с батериите 18650 и 2170, единичната батерия 4680 има по-голяма структурна здравина и по-висока структурна здравина, а общата батерия с квадратен корпус е алуминиева обвивка. Черупката 4680 е изработена от неръждаема стомана и присъщата структурна здравина е гарантирана.
В сравнение с квадратната батерия, оформлението на цилиндричната батерия ще бъде по-гъвкаво, може да се адаптира към различни различни шасита и може да се комбинира по-добре със сайта.
Според проучването и преценката на „EMF“, CTC технологията е фурмата на новите енергийни превозни средства през 2022 г., а също така е разклонение на пътя.
Интегрирането на батерията в купето може да направи поддръжката на автомобила изключително сложна, а батерията е трудна за самостоятелна подмяна.Цените на следпродажбеното обслужване ще се увеличат и тези разходи ще бъдат директно прехвърлени на потребителите, като например разходите за застраховка.Въпреки че Мъск твърди, че са проектирали ремонтни релси, които могат да се режат и сменят, ще отнеме време, за да се види колко добре ще работи.
Много автомобилни компании са предложили свои собствени технически решения на CTC, тъй като той не само пренарежда батерията, но също така трябва да промени структурата на тялото.Това е свързано с преразпределението на труда във веригата на доставки на свързани индустрии.
CTC е просто технически маршрут.Това е интегрирано тяло на батерията, непроменено разглобяване.Има друга технология срещу него – смяна на батерии.Технологията за смяна на батерията е лесна за разглобяване, но батерията има голям принос за здравината на батерията.Как да изберем тези два маршрута е игра между доставчиците на батерии и OEM производителите.
CTC технология, комбинирана с 4680 батерия
3. Иновации в процеса на производство на батерии, катодни и анодни материали
Tesla ще използва процеса на сух батериен електрод, вместо да използва разтворител, малко количество (около 5-8%) от фино прахообразно PTFE свързващо вещество се смесва с прах от положителен/отрицателен електрод, преминава през екструдер за образуване на тънка лента от електроден материал и след това лента от електроден материал беше ламинирана към колектор на ток от метално фолио, за да се образува готовият електрод.
Така произведената батерия е по-екологична.И този процес ще увеличи енергийната плътност на батерията и ще намали потреблението на енергия при производството с 10 пъти.Технологията със сух електрод вероятно ще се превърне в технологичен еталон за следващото поколение.
Технология със сух електрод на батерия Tesla 4680
По отношение на катодните материали, Tesla каза, че ще премахне и кобалтовия елемент в катода.Кобалтът е скъп и оскъден.Може да се добива само в много малко страни по света или в нестабилни африкански страни като Конго.Ако батерията наистина може да премахне кобалтовия елемент, може да се каже, че това е голяма технологична иновация.
Кобалт
По отношение на анодни материали, Tesla ще започне със силициеви материали и ще използва повече силиций, за да замени използвания в момента графит.Теоретичният специфичен капацитет на базирания на силиций отрицателен електрод е 4200mAh/g, което е десет пъти по-високо от това на графитния отрицателен електрод.Отрицателните електроди на базата на силиций обаче също имат проблеми като лесно разширяване на обема на силиций, лоша електрическа проводимост и голяма първоначална загуба на заряд-разряд.
Следователно подобряването на производителността на материалите всъщност е да се намери баланс между енергийна плътност и стабилност, а настоящите анодни продукти на базата на силиций са легирани със силиций и графит за композитна употреба.
Tesla планира фундаментално да промени ковкостта на силиконовата повърхност, за да я направи по-малко склонна към счупване, технология, която не само позволява на батериите да се зареждат по-бързо, но също така увеличава живота на батерията с 20 процента.Tesla нарече новия материал „Tesla Silicon“ и цената е $1,2/KWh, което е само една десета от съществуващия процес на структуриран силиций.
Анодите на базата на силиций се считат за анодни материали от следващо поколение на литиевата батерия.
Няколко модела на пазара започнаха да използват анодни материали на основата на силиций.Модели като Tesla Model 3 вече включват малки количества силиций в отрицателния електрод.Наскоро беше пуснат моделът GAC AION LX Plus. Версията Qianli е оборудвана с гъба силициева анодна технология за батерии, която може да постигне 1000 километра живот на батерията.
4680 батерия силициев анод
За да обобщим предимствата на технологията за батерии 4680 е, че тя може да подобри производителността, като същевременно намали разходите.
3. Далечното въздействие на 4680 батерии
Батерията 4680 не е подривна технологична революция, не е пробив в енергийната плътност, а по-скоро иновация в технологията на процеса.
Въпреки това, водено от Tesla, за настоящия модел на новия енергиен пазар, производството на 4680 батерии ще промени съществуващия модел на батерии.Индустрията неизбежно ще предизвика вълна от цилиндрични батерии с голям обем.
Според докладите Panasonic планира да започне масово производство на 4680 батерии с голям капацитет за Tesla в началото на 2023 г.Новата инвестиция ще достигне 80 милиарда йени (приблизително 704 милиона щатски долара).Samsung SDI и LG Energy също се включиха в разработката на батерията 4680.
Вътрешно Yiwei Lithium Energy обяви, че нейното дъщерно дружество Yiwei Power планира да изгради 20GWh голяма производствена линия за цилиндрични батерии за пътнически превозни средства във високотехнологичната зона Jingmen. BAK Battery и Honeycomb Energy също ще навлязат в областта на големите цилиндрични батерии. BMW и CATL също активно внедряват големи цилиндрични батерии и основният модел е определен.
Цилиндрично оформление на батерията на производителите на батерии
Четвърто, електродвижещата сила има какво да каже
Структурната иновация на голямата цилиндрична батерия несъмнено ще насърчи развитието на индустрията за батерии. Не е толкова просто, колкото просто надграждане от 5-та батерия до 1-ва батерия. Дебелото му тяло има страхотни въпроси.
Цената на батерията е близо 40% от цената на цялото превозно средство. Важността на батерията като „сърце“ е очевидна.Въпреки това, с популярността на новите енергийни превозни средства, търсенето на батерии се увеличава с всеки изминал ден, а цената на материалите се покачва. Иновациите на батериите се превърнаха във важен начин за развитие на автомобилните компании.
С развитието на технологиите, свързани с батериите, достъпните електрически превозни средства са точно зад ъгъла!
Време на публикуване: 13 юни 2022 г