Od lopatkové baterie BYD po bezkobaltovou baterii Honeycomb Energy a poté po sodíkové iontové baterie z éry CATL, průmysl energetických baterií zažívá neustálé inovace. 23. září 2020 - Tesla Battery Day, generální ředitel společnosti Tesla Elon Musk ukázal světu novou baterii – baterii 4680.
Dříve byly velikosti válcových lithiových baterií hlavně 18650 a 21700 a 21700 měly o 50 % více energie než 18650.Baterie 4680 má pětkrát větší kapacitu článků než baterie 21700 a nová baterie může snížit náklady na kilowatthodinu o přibližně 14 % a zvýšit dojezd o 16 %.
Musk bez obalu prohlásil, že tato baterie umožní elektromobil za 25 000 dolarů.
Odkud se tedy tato hrozivá baterie vzala?Dále je analyzujeme jeden po druhém.
1. Co je baterie 4680?
Způsob pojmenování napájecích baterií od Tesly je velmi jednoduchý a přímočarý.Baterie 4680, jak název napovídá, je válcová baterie s průměrem jednoho článku 46 mm a výškou 80 mm.
Tři různé velikosti lithium-iontových válcových baterií
Jak je vidět z obrázku, v porovnání s původní baterií 18650 a 21700 od Tesly vypadá baterie 4680 jako vysoký a silný muž.
Ale baterie 4680 není jen změnou velikosti, Tesla začlenila spoustu nových technologií pro zlepšení výkonu.
Za druhé, nová technologie baterie 4680
1. Bezelektrodový design uší
Intuitivně je největším pocitem z 4680 to, že je větší.Proč tedy jiní výrobci v minulosti baterii nezvětšili.Je tomu tak proto, že čím větší objem a vyšší energie, tím je hůře regulovatelné teplo a tím větší je bezpečnostní hrozba hoření a výbuchu.
Tesla to zřejmě také vzala v úvahu.
Ve srovnání s předchozí válcovou baterií je největší konstrukční inovací baterie 4680 bezelektrodové oko, známé také jako plné oko.V tradiční cylindrické baterii jsou kladné a záporné měděné fólie a separátor z hliníkové fólie naskládány a navinuty. Za účelem vytažení elektrod je ke dvěma koncům měděné fólie a hliníkové fólie přivařen olověný drát nazývaný jazýček.
Délka vinutí tradiční baterie 1860 je 800 mm. Vezmeme-li jako příklad měděnou fólii s lepší vodivostí, délka jazýčků pro vyvedení elektřiny z měděné fólie je 800 mm, což je ekvivalent proudu procházejícího drátem o délce 800 mm.
Podle výpočtu je odpor asi 20 mΩ, délka vinutí baterie 2170 je asi 1000 mm a odpor je asi 23 mΩ.Lze snadno převést, že fólii o stejné tloušťce je třeba svinout do baterie 4680 a délka návinu je asi 3800 mm.
Prodlužování délky vinutí má mnoho nevýhod. Elektrony musí urazit delší vzdálenost, aby dosáhly na jazýčky na obou koncích baterie, odpor se zvýší a baterie bude náchylnější k zahřívání.Výkon baterie se sníží a dokonce způsobí bezpečnostní problémy.Aby se zkrátila vzdálenost, kterou urazí elektrony, baterie 4680 využívá bezelektrodovou technologii uší.
Bezelektrodový jazýček nemá žádné jazýčky, ale mění celý sběrač proudu na jazýček, vodivá dráha již nezávisí na jazýčku a proud se přenáší z bočního přenosu podél jazýčku na desku kolektoru do podélného přenosu sběrač proudu.
Celková vodivá délka se změnila z 800 na 1000 mm z délky měděné fólie 1860 nebo 2170 na 80 mm (výška baterie).Odpor se sníží na 2mΩ a spotřeba vnitřního odporu se sníží z 2W na 0,2W, což se přímo sníží o řád.
Tato konstrukce výrazně snižuje impedanci baterie a řeší problém zahřívání válcové baterie.
Technologie bezelektrodového ucha na jedné straně zvětšuje oblast vedení proudu, zkracuje vzdálenost vedení proudu a výrazně snižuje vnitřní odpor baterie; snížení vnitřního odporu může snížit jev současného offsetu a prodloužit životnost baterie; snížení odporu může také snížit tvorbu tepla a vodivý povlak elektrody. Účinná kontaktní plocha mezi vrstvou a koncovým uzávěrem baterie může dosáhnout 100 %, což může zlepšit kapacitu rozptylu tepla.
Baterie 4680 využívá nový typ bezelektrodové technologie uší, pokud jde o strukturu buněk, což může snížit náklady a zvýšit účinnost.Na druhé straně odpadá svařovací proces jazýčků, zlepšuje se efektivita výroby a zároveň se může snížit výskyt vad způsobených svařováním.
Schéma jednopólové a celopólové struktury
2. V kombinaci s technologií CTC
Obecně řečeno, čím větší je velikost baterie, tím méně baterií je třeba nainstalovat do stejného vozidla.S 18650 články potřebuje Tesla 7100 článků.Pokud používáte 4680 baterií, potřebujete pouze 900 baterií.
Čím méně baterií, tím rychleji je lze sestavit, vyšší účinnost, menší pravděpodobnost problémů v mezičláncích a levnější cena.Podle Tesly dokáže velká 4680 snížit výrobní cenu baterií o 14 %.
Aby se zlepšila hustota energie baterie, bude baterie 4680 kombinována s technologií CTC (Cell to Chassis).Jde o integraci bateriových článků přímo do šasi.Úplným vyjmutím modulů a bateriových sad se bateriové články stanou kompaktnějšími, výrazně se sníží počet bateriových dílů a také se výrazně zlepší prostorové využití šasi.
CTC má určité požadavky na strukturální pevnost baterie. Samotná baterie musí snést velkou mechanickou pevnost. Ve srovnání s bateriemi 18650 a 2170 má jediná baterie 4680 větší strukturální pevnost a vyšší strukturální pevnost a obecná baterie se čtvercovým pláštěm je hliníkový plášť. Plášť 4680 je vyroben z nerezové oceli a je zaručena vlastní strukturální pevnost.
Ve srovnání se čtvercovou skořepinovou baterií bude uspořádání válcové baterie flexibilnější, může se přizpůsobit řadě různých podvozků a lze ji lépe kombinovat s místem.
Podle výzkumu a úsudku „EMF“ je technologie CTC v roce 2022 tahačem nových energetických vozidel a je také rozcestí na silnici.
Integrace baterie do karoserie může extrémně zkomplikovat údržbu vozidla a baterii je obtížné samostatně vyměnit.Ceny poprodejních služeb se zvýší a tyto náklady se přímo přenesou na spotřebitele, jako jsou náklady na pojištění.Ačkoli Musk tvrdí, že navrhli opravné kolejnice, které lze řezat a vyměnit, bude chvíli trvat, než uvidíme, jak dobře to bude fungovat.
Mnoho automobilek navrhlo vlastní technická řešení CTC, protože to nejen přeskupuje baterii, ale také potřebuje změnit strukturu karoserie.Souvisí to s přerozdělením pracovních sil v dodavatelském řetězci příbuzných odvětví.
CTC je jen technická cesta.Jedná se o bateriové tělo integrované, nezměněná demontáž.Naproti tomu stojí další technologie – výměna baterií.Technologie výměny baterie je snadno rozebíratelná, ale baterie výrazně přispívá k její síle.Jak zvolit tyto dvě cesty je hra mezi dodavateli baterií a OEM.
Technologie CTC kombinovaná s baterií 4680
3. Inovace v procesu výroby baterií, materiály katody a anody
Tesla bude používat elektrodový proces se suchou baterií, namísto použití rozpouštědla se malé množství (asi 5–8 %) jemně práškového PTFE pojiva smíchá s práškem pozitivní/negativní elektrody, projde extrudérem a vytvoří se tenký proužek elektrodový materiál a poté byl pás elektrodového materiálu nalaminován na sběrač proudu z kovové fólie za účelem vytvoření hotové elektrody.
Takto vyrobená baterie je šetrnější k životnímu prostředí.A tento proces zvýší energetickou hustotu baterie a sníží spotřebu energie při výrobě 10krát.Technologie suchých elektrod se pravděpodobně stane technologickým měřítkem pro příští generaci.
Technologie suchých elektrod baterie Tesla 4680
Pokud jde o materiály katody, Tesla uvedla, že také odstraní kobaltový prvek v katodě.Kobalt je drahý a vzácný.Dá se těžit jen ve velmi málo zemích světa nebo v nestabilních afrických zemích, jako je Kongo.Pokud baterie skutečně dokáže odstranit kobaltový prvek, lze říci, že jde o velkou technologickou novinku.
Kobalt
Pokud jde o anodové materiály, Tesla začne s křemíkovými materiály a použije více křemíku, aby nahradil aktuálně používaný grafit.Teoretická specifická kapacita záporné elektrody na bázi křemíku je až 4200 mAh/g, což je desetkrát více než u grafitové záporné elektrody.Nicméně záporné elektrody na bázi křemíku mají také problémy, jako je snadná objemová expanze křemíku, špatná elektrická vodivost a velká počáteční ztráta náboje-vybití.
Zlepšení výkonu materiálů tedy ve skutečnosti spočívá v nalezení rovnováhy mezi hustotou energie a stabilitou a současné produkty anody na bázi křemíku jsou dopovány křemíkem a grafitem pro kompozitní použití.
Tesla plánuje zásadně změnit tvárnost křemíkového povrchu, aby byl méně náchylný k rozbití, což je technologie, která nejenže umožňuje rychlejší nabíjení baterií, ale také zvyšuje životnost baterie o 20 procent.Tesla pojmenovala nový materiál „Tesla Silicon“ a cena je 1,2 $/KWh, což je pouze jedna desetina stávajícího procesu strukturovaného křemíku.
Anody na bázi křemíku jsou považovány za materiály pro lithiové baterie nové generace.
Několik modelů na trhu začalo používat materiály anody na bázi křemíku.Modely jako Tesla Model 3 již obsahují malé množství křemíku v záporné elektrodě.Nedávno byl uveden na trh model GAC AION LX Plus. Verze Qianli je vybavena technologií baterie s houbovým silikonovým anodovým čipem, která může dosáhnout 1000 kilometrů životnosti baterie.
Silikonová anoda baterie 4680
Abychom shrnuli výhody technologie baterií 4680, mohou zlepšit výkon a zároveň snížit náklady.
3. Dalekosáhlý dopad 4680 baterií
Baterie 4680 není žádnou podvratnou technologickou revolucí, ani průlomem v hustotě energie, ale spíše inovací v procesní technologii.
Výroba 4680 baterií, vedená společností Tesla, však pro současný model nového energetického trhu změní stávající model baterií.Průmysl nevyhnutelně spustí vlnu velkoobjemových válcových baterií.
Podle zpráv plánuje Panasonic zahájit sériovou výrobu 4680 velkokapacitních baterií pro Teslu na začátku roku 2023.Nová investice bude činit až 80 miliard jenů (přibližně 704 milionů USD).K vývoji baterie 4680 se přidaly také Samsung SDI a LG Energy.
V tuzemsku společnost Yiwei Lithium Energy oznámila, že její dceřiná společnost Yiwei Power plánuje postavit 20GWh velkou linku na výrobu válcových baterií pro osobní vozidla v zóně Jingmen High-tech. BAK Battery a Honeycomb Energy vstoupí také na pole velkých válcových baterií. BMW a CATL také aktivně nasazují velké válcové baterie a byl stanoven základní vzorec.
Válcové uspořádání baterií výrobců baterií
Za čtvrté, elektromotorická síla má co říci
Strukturální inovace velké válcové baterie nepochybně podpoří rozvoj průmyslu energetických baterií. Není to tak jednoduché, jako pouhý upgrade z 5. baterie na 1. baterii. Jeho tlusté tělo má velké otázky.
Cena baterie se blíží 40 % ceny celého vozidla. Důležitost baterie jako „srdce“ je zřejmá.S oblibou nových energetických vozidel se však každým dnem zvyšuje poptávka po bateriích a roste cena materiálů. Inovace baterií se pro automobilky stala důležitou cestou k rozvoji.
S rozvojem technologií souvisejících s bateriemi jsou cenově dostupná elektrická vozidla hned za rohem!
Čas odeslání: 13. června 2022