Des de la bateria blade de BYD, fins a la bateria sense cobalt de Honeycomb Energy, i després fins a la bateria d'ions de sodi de l'era CATL, la indústria de les bateries d'energia ha experimentat una innovació contínua. 23 de setembre de 2020 - Tesla Battery Day, el CEO de Tesla, Elon Musk, va mostrar al món una nova bateria: la bateria 4680.
Anteriorment, les mides de les bateries de liti cilíndriques eren principalment 18650 i 21700, i 21700 tenien un 50% més d'energia que 18650.La bateria 4680 té cinc vegades la capacitat cel·lular de la bateria 21700, i la nova bateria pot reduir el cost per quilowatt-hora al voltant d'un 14% i augmentar el rang de creuer en un 16%.
Musk va dir sense embuts que aquesta bateria farà possible un cotxe elèctric de 25.000 dòlars.
Aleshores, d'on prové aquesta bateria amenaçadora?A continuació, les analitzem una per una.
1. Què és una bateria 4680?
La manera de Tesla d'anomenar les bateries d'energia és molt senzilla i directa.La bateria 4680, com el seu nom indica, és una bateria cilíndrica amb un diàmetre de cel·la única de 46 mm i una alçada de 80 mm.
Tres mides diferents de bateries cilíndriques d'ions de liti
Com es pot veure a la imatge, en comparació amb la bateria 18650 i la bateria 21700 originals de Tesla, la bateria 4680 sembla un home alt i fort.
Però la bateria 4680 no és només un canvi de mida, Tesla ha incorporat molta tecnologia nova per millorar el rendiment.
En segon lloc, la nova tecnologia de la bateria 4680
1. Disseny d'orella sense elèctrodes
Intuïtivament, la sensació més gran del 4680 és que és més gran.Aleshores, per què altres fabricants no van fer més gran la bateria en el passat?Això és degut a que com més gran és el volum i més gran és l'energia, la calor és més difícil de controlar i més gran és l'amenaça de seguretat per cremades i explosions.
Aparentment, Tesla també ho ha tingut en compte.
En comparació amb l'anterior bateria cilíndrica, la major innovació estructural de la bateria 4680 és l'extensió sense elèctrodes, també coneguda com a fulla.En una bateria cilíndrica tradicional, les làmines de coure positives i negatives i el separador de paper d'alumini s'apilen i enrotllen. Per extreure els elèctrodes, es solda un cable de plom anomenat pestanya als dos extrems de la làmina de coure i la d'alumini.
La longitud de bobinatge d'una bateria 1860 tradicional és de 800 mm. Prenent com a exemple la làmina de coure amb millor conductivitat, la longitud de les pestanyes per treure l'electricitat de la làmina de coure és de 800 mm, que equival al corrent que passa pel cable de 800 mm de llarg.
Per càlcul, la resistència és d'uns 20 mΩ, la longitud de la bobina de la bateria 2170 és d'uns 1000 mm i la resistència és d'uns 23 mΩ.Es pot convertir fàcilment que la pel·lícula del mateix gruix s'ha d'enrotllar en una bateria 4680 i la longitud de la bobina és d'uns 3800 mm.
Hi ha molts desavantatges per augmentar la longitud de la bobina. Els electrons han de recórrer una distància més llarga per arribar a les pestanyes dels dos extrems de la bateria, la resistència augmentarà i la bateria serà més propensa a la calor.El rendiment de la bateria es degradarà i fins i tot crearà problemes de seguretat.Per tal d'escurçar la distància recorreguda pels electrons, la bateria 4680 utilitza tecnologia d'oïda sense elèctrodes.
La pestanya sense elèctrodes no té pestanyes, però converteix tot el col·lector de corrent en una pestanya, el camí conductor ja no depèn de la pestanya i el corrent es transfereix des de la transmissió lateral al llarg de la pestanya fins a la placa del col·lector a la transmissió longitudinal de el col·lector actual.
Tota la longitud conductora ha canviat de 800 a 1000 mm de longitud de làmina de coure 1860 o 2170 a 80 mm (alçada de la bateria).La resistència es redueix a 2 mΩ i el consum de resistència interna es redueix de 2 W a 0,2 W, que es redueix directament en un ordre de magnitud.
Aquest disseny redueix molt la impedància de la bateria i soluciona el problema d'escalfament de la bateria cilíndrica.
D'una banda, la tecnologia d'oïda sense elèctrodes augmenta l'àrea de conducció actual, escurça la distància de conducció actual i redueix molt la resistència interna de la bateria; la reducció de la resistència interna pot reduir el fenomen de compensació actual i allargar la vida de la bateria; la reducció de la resistència també pot reduir la generació de calor i el recobriment conductor de l'elèctrode L'àrea de contacte efectiva entre la capa i la tapa de la bateria pot arribar al 100%, cosa que pot millorar la capacitat de dissipació de calor.
La bateria 4680 adopta un nou tipus de tecnologia d'oïda sense elèctrodes en termes d'estructura cel·lular, que pot reduir costos i augmentar l'eficiència.D'altra banda, s'omet el procés de soldadura de les pestanyes, es millora l'eficiència de producció i es pot reduir al mateix temps la taxa de defectes causades per la soldadura.
Diagrama esquemàtic de l'estructura del monopol i del pol complet
2. Combinat amb la tecnologia CTC
En termes generals, com més gran sigui la mida de la bateria, menys bateries s'han d'instal·lar al mateix vehicle.Amb 18650 cel·les, un Tesla necessita 7100 cel·les.Si utilitzeu 4680 bateries, només necessiteu 900 bateries.
Com menys bateries siguin, més ràpid es poden muntar, més alta serà l'eficiència, menys possibilitats de problemes en els enllaços intermedis i més barat serà el preu.Segons Tesla, el gran 4680 pot reduir el preu de producció de les bateries en un 14%.
Per tal de millorar la densitat d'energia de la bateria, la bateria 4680 es combinarà amb la tecnologia CTC (Cell to Chassis).Es tracta d'integrar les cèl·lules de la bateria directament al xassís.En eliminar completament els mòduls i els paquets de bateries, les cèl·lules de la bateria es tornen més compactes, el nombre de peces de la bateria es reduirà molt i també es millorarà molt l'ús de l'espai del xassís.
CTC té certs requisits sobre la resistència estructural de la bateria. La bateria en si ha de suportar molta resistència mecànica. En comparació amb les bateries 18650 i 2170, la bateria única 4680 té una resistència estructural més gran i una resistència estructural més gran, i la bateria de carcassa quadrada general és una carcassa d'alumini. La carcassa 4680 està feta d'acer inoxidable i la resistència estructural inherent està garantida.
En comparació amb la bateria de carcassa quadrada, la disposició de la bateria cilíndrica serà més flexible, es pot adaptar a una varietat de xassís diferents i es pot combinar millor amb el lloc.
Segons la investigació i el judici de "EMF", la tecnologia CTC és la base dels vehicles de nova energia el 2022, i també és una bifurcació en el camí.
La integració de la bateria al cos pot fer que el manteniment del vehicle sigui extremadament complicat i la bateria és difícil de substituir de manera independent.Els preus del servei postvenda augmentaran i aquests costos es repercutiran directament als consumidors, com ara els costos d'assegurança.Tot i que Musk afirma que han dissenyat rails de reparació que es poden tallar i substituir, trigarà temps a veure com funcionarà.
Moltes empreses d'automòbils han proposat les seves pròpies solucions tècniques de CTC, perquè no només reordena la bateria, sinó que també necessita canviar l'estructura de la carrosseria.Això està relacionat amb la redivisió del treball a la cadena de subministrament de les indústries relacionades.
El CTC és només una via tècnica.És un cos de bateria integrat, sense canvis de desmuntatge.Hi ha una altra tecnologia al davant: intercanvi de bateries.La tecnologia d'intercanvi de bateria és fàcil de desmuntar, però la bateria contribueix molt a la força de la bateria.Com triar aquestes dues rutes és un joc entre proveïdors de bateries i OEM.
Tecnologia CTC combinada amb bateria 4680
3. Innovació en el procés de producció de bateries, materials de càtode i ànode
Tesla utilitzarà el procés d'elèctrode de bateria seca, en comptes d'utilitzar un dissolvent, una petita quantitat (al voltant del 5-8%) d'un aglutinant de PTFE en pols fina es barreja amb pols d'elèctrode positiu/negatiu, passat per una extrusora per formar una tira fina de material de l'elèctrode, i després es va laminar una tira de material d'elèctrode a un col·lector de corrent de làmina metàl·lica per formar l'elèctrode acabat.
La bateria produïda d'aquesta manera és més respectuosa amb el medi ambient.I aquest procés augmentarà la densitat d'energia de la bateria i reduirà 10 vegades el consum d'energia de la producció.És probable que la tecnologia d'elèctrodes secs es converteixi en el referent tecnològic per a la propera generació.
Tecnologia d'elèctrodes secs de bateria Tesla 4680
Pel que fa als materials del càtode, Tesla va dir que també eliminarà l'element de cobalt del càtode.El cobalt és car i escàs.Només es pot extreure en molt pocs països del món, o en països africans inestables com el Congo.Si la bateria realment pot eliminar l'element de cobalt, es pot dir que és una innovació tecnològica important.
Cobalt
Pel que fa als materials d'ànode, Tesla començarà amb materials de silici i utilitzarà més silici per substituir el grafit que s'utilitza actualment.La capacitat específica teòrica de l'elèctrode negatiu basat en silici és de fins a 4200 mAh/g, que és deu vegades superior a la de l'elèctrode negatiu de grafit.Tanmateix, els elèctrodes negatius basats en silici també tenen problemes com ara la fàcil expansió del volum de silici, una conductivitat elèctrica deficient i una gran pèrdua inicial de càrrega i descàrrega.
Per tant, la millora del rendiment dels materials és en realitat trobar un equilibri entre la densitat d'energia i l'estabilitat, i els productes d'ànode basats en silici actuals es dopen amb silici i grafit per a ús de compostos.
Tesla té previst canviar fonamentalment la mal·leabilitat de la superfície de silici per fer-la menys propensa a trencar-se, una tecnologia que no només permet que les bateries es carreguin més ràpidament, sinó que també augmenta la vida útil de la bateria en un 20 per cent.Tesla va anomenar el nou material "Tesla Silicon" i el cost és d'1,2 $/KWh, que és només una desena part del procés de silici estructurat existent.
Els ànodes basats en silici es consideren els materials d'ànode de bateria de liti de nova generació.
Alguns models del mercat han començat a utilitzar materials d'ànode basats en silici.Models com el Tesla Model 3 ja incorporen petites quantitats de silici a l'elèctrode negatiu.Recentment, es va llançar el model GAC AION LX Plus. La versió Qianli està equipada amb tecnologia de bateria de xip d'ànode de silici esponja, que pot aconseguir 1.000 quilòmetres de durada de la bateria.
Ànode de silici de bateria 4680
Per resumir els avantatges de la tecnologia de la bateria 4680 és que pot millorar el rendiment alhora que redueix els costos.
3. L'impacte de gran abast de les bateries 4680
La bateria 4680 no és una revolució tecnològica subversiva, no és un avenç en la densitat d'energia, sinó més aviat una innovació en la tecnologia de processos.
Tanmateix, impulsat per Tesla, per al patró actual del nou mercat energètic, la producció de bateries 4680 canviarà el patró de bateries existent.La indústria provocarà inevitablement una onada de bateries cilíndriques de gran volum.
Segons els informes, Panasonic té previst iniciar la producció massiva de 4680 bateries de gran capacitat per a Tesla a principis del 2023.La nova inversió serà de fins a 80.000 milions de iens (uns 704 milions de dòlars EUA).Samsung SDI i LG Energy també s'han unit al desenvolupament de la bateria 4680.
A nivell nacional, Yiwei Lithium Energy va anunciar que la seva filial Yiwei Power té previst construir una gran línia de producció de bateries cilíndriques de 20 GWh per a vehicles de passatgers a la zona d'alta tecnologia de Jingmen. BAK Battery i Honeycomb Energy també entraran en el camp de les grans bateries cilíndriques. BMW i CATL també estan desplegant de manera activa grans bateries cilíndriques i s'ha determinat el patró bàsic.
Disposició de la bateria cilíndrica dels fabricants de bateries
En quart lloc, la força electromotriu té alguna cosa a dir
La innovació estructural de la gran bateria cilíndrica promourà, sens dubte, el desenvolupament de la indústria de les bateries d'energia. No és tan senzill com actualitzar de la 5a bateria a la 1a bateria. El seu cos gras té grans preguntes.
El cost de la bateria és proper al 40% del cost de tot el vehicle. La importància de la bateria com a "cor" és evident.Tanmateix, amb la popularitat dels vehicles d'energia nova, la demanda de bateries augmenta dia a dia i el preu dels materials augmenta. La innovació de les bateries s'ha convertit en una manera important de desenvolupar-se per a les empreses automobilístiques.
Amb el desenvolupament de tecnologies relacionades amb les bateries, els vehicles elèctrics assequibles són a la volta de la cantonada!
Hora de publicació: 13-juny-2022