Από τη μπαταρία blade της BYD, στην μπαταρία χωρίς κοβάλτιο της Honeycomb Energy και στη συνέχεια στην μπαταρία ιόντων νατρίου της εποχής CATL, η βιομηχανία μπαταριών ισχύος γνώρισε συνεχή καινοτομία. 23 Σεπτεμβρίου 2020 - Ημέρα μπαταρίας Tesla, ο Διευθύνων Σύμβουλος της Tesla, Έλον Μασκ, έδειξε στον κόσμο μια νέα μπαταρία – την μπαταρία 4680.
Προηγουμένως, τα μεγέθη των κυλινδρικών μπαταριών λιθίου ήταν κυρίως 18650 και 21700 και η 21700 είχε 50% περισσότερη ενέργεια από την 18650.Η μπαταρία 4680 έχει πέντε φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα κυψέλης από την μπαταρία 21700 και η νέα μπαταρία μπορεί να μειώσει το κόστος ανά κιλοβατώρα κατά περίπου 14% και να αυξήσει το εύρος πλεύσης κατά 16%.
Ο Μασκ δήλωσε ωμά ότι αυτή η μπαταρία θα κάνει δυνατό ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο αξίας 25.000 δολαρίων.
Λοιπόν, από πού προήλθε αυτή η απειλητική μπαταρία;Στη συνέχεια, τα αναλύουμε ένα προς ένα.
1. Τι είναι μια μπαταρία 4680;
Ο τρόπος της Tesla να ονομάζει τις μπαταρίες ισχύος είναι πολύ απλός και απλός.Η μπαταρία 4680, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια κυλινδρική μπαταρία με διάμετρο μονής κυψέλης 46 mm και ύψος 80 mm.
Τρία διαφορετικά μεγέθη κυλινδρικών μπαταριών ιόντων λιθίου
Όπως φαίνεται από την εικόνα, σε σύγκριση με την αρχική μπαταρία 18650 και μπαταρία 21700 της Tesla, η μπαταρία 4680 μοιάζει με ψηλό και δυνατό άντρα.
Αλλά η μπαταρία 4680 δεν είναι απλώς μια αλλαγή μεγέθους, η Tesla έχει ενσωματώσει πολλές νέες τεχνολογίες για τη βελτίωση της απόδοσης.
Δεύτερον, η νέα τεχνολογία της μπαταρίας 4680
1. Σχέδιο αυτιού χωρίς ηλεκτροδία
Διαισθητικά, η μεγαλύτερη αίσθηση του 4680 είναι ότι είναι μεγαλύτερο.Γιατί λοιπόν άλλοι κατασκευαστές δεν έκαναν την μπαταρία μεγαλύτερη στο παρελθόν.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια, η θερμότητα είναι πιο δύσκολο να ελεγχθεί και τόσο μεγαλύτερη είναι η απειλή για την ασφάλεια από καύση και έκρηξη.
Η Tesla προφανώς το έχει λάβει υπόψη και αυτό.
Σε σύγκριση με την προηγούμενη κυλινδρική μπαταρία, η μεγαλύτερη δομική καινοτομία της μπαταρίας 4680 είναι η ωτίδα χωρίς ηλεκτροδία, γνωστή και ως πλήρης ωτίδα.Σε μια παραδοσιακή κυλινδρική μπαταρία, το θετικό και το αρνητικό φύλλο χαλκού και το διαχωριστικό φύλλου αλουμινίου στοιβάζονται και τυλίγονται. Προκειμένου να αφαιρεθούν τα ηλεκτρόδια, ένα καλώδιο μολύβδου που ονομάζεται γλωττίδα συγκολλάται στα δύο άκρα του φύλλου χαλκού και του φύλλου αλουμινίου.
Το μήκος περιέλιξης μιας παραδοσιακής μπαταρίας 1860 είναι 800 mm. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το φύλλο χαλκού με καλύτερη αγωγιμότητα, το μήκος των γλωττίδων που οδηγούν την ηλεκτρική ενέργεια έξω από το φύλλο χαλκού είναι 800 mm, που ισοδυναμεί με το ρεύμα που διέρχεται από το καλώδιο μήκους 800 mm.
Με υπολογισμό, η αντίσταση είναι περίπου 20mΩ, το μήκος περιέλιξης της μπαταρίας 2170 είναι περίπου 1000mm και η αντίσταση είναι περίπου 23mΩ.Μπορεί εύκολα να μετατραπεί ότι η μεμβράνη του ίδιου πάχους πρέπει να τυλιχτεί σε μπαταρία 4680 και το μήκος περιέλιξης είναι περίπου 3800 mm.
Υπάρχουν πολλά μειονεκτήματα στην αύξηση του μήκους της περιέλιξης. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση για να φτάσουν στις γλωττίδες και στα δύο άκρα της μπαταρίας, η αντίσταση θα αυξηθεί και η μπαταρία θα είναι πιο επιρρεπής στη θερμότητα.Η απόδοση της μπαταρίας θα υποβαθμιστεί και θα δημιουργήσει ακόμη και προβλήματα ασφάλειας.Για να συντομεύσει την απόσταση που διανύουν τα ηλεκτρόνια, η μπαταρία 4680 χρησιμοποιεί τεχνολογία αυτιών χωρίς ηλεκτροδία.
Η γλωττίδα χωρίς ηλεκτρόδιο δεν έχει γλωττίδες, αλλά μετατρέπει ολόκληρο τον συλλέκτη ρεύματος σε γλωττίδα, η αγώγιμη διαδρομή δεν εξαρτάται πλέον από τη γλωττίδα και το ρεύμα μεταφέρεται από την πλευρική μετάδοση κατά μήκος της γλωττίδας στην πλάκα συλλέκτη στη διαμήκη μετάδοση του ο τρέχων συλλέκτης.
Ολόκληρο το αγώγιμο μήκος έχει αλλάξει από 800 σε 1000 mm μήκους φύλλου χαλκού 1860 ή 2170 σε 80 mm (ύψος μπαταρίας).Η αντίσταση μειώνεται στα 2mΩ και η εσωτερική κατανάλωση αντίστασης μειώνεται από 2W σε 0,2W, η οποία μειώνεται άμεσα κατά μια τάξη μεγέθους.
Αυτός ο σχεδιασμός μειώνει σημαντικά την αντίσταση της μπαταρίας και λύνει το πρόβλημα θέρμανσης της κυλινδρικής μπαταρίας.
Από τη μία πλευρά, η τεχνολογία αυτιού χωρίς ηλεκτροδία αυξάνει την περιοχή αγωγιμότητας του ρεύματος, μειώνει την απόσταση αγωγιμότητας του ρεύματος και μειώνει σημαντικά την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας. η μείωση της εσωτερικής αντίστασης μπορεί να μειώσει το φαινόμενο της μετατόπισης ρεύματος και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Η μείωση της αντίστασης μπορεί επίσης να μειώσει την παραγωγή θερμότητας και την αγώγιμη επίστρωση του ηλεκτροδίου.
Η μπαταρία 4680 υιοθετεί έναν νέο τύπο τεχνολογίας αυτιού χωρίς ηλεκτροδία όσον αφορά τη δομή των κυψελών, η οποία μπορεί να μειώσει το κόστος και να αυξήσει την απόδοση.Από την άλλη πλευρά, η διαδικασία συγκόλλησης των γλωττίδων παραλείπεται, η απόδοση παραγωγής βελτιώνεται και το ποσοστό ελαττωμάτων που προκαλείται από τη συγκόλληση μπορεί να μειωθεί ταυτόχρονα.
Σχηματικό διάγραμμα μονοπολικής και πλήρης δομής
2. Συνδυάζεται με την τεχνολογία CTC
Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος της μπαταρίας, τόσο λιγότερες μπαταρίες πρέπει να τοποθετηθούν στο ίδιο όχημα.Με 18650 κύτταρα, ένας Tesla χρειάζεται 7100 κύτταρα.Εάν χρησιμοποιείτε μπαταρίες 4680, χρειάζεστε μόνο 900 μπαταρίες.
Όσο λιγότερες είναι οι μπαταρίες, τόσο πιο γρήγορα μπορούν να συναρμολογηθούν, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα προβλημάτων στους ενδιάμεσους συνδέσμους και τόσο φθηνότερη είναι η τιμή.Σύμφωνα με την Tesla, το μεγάλο 4680 μπορεί να μειώσει την τιμή παραγωγής των μπαταριών κατά 14%.
Προκειμένου να βελτιωθεί η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας, η μπαταρία 4680 θα συνδυαστεί με την τεχνολογία CTC (Cell to Chassis).Είναι η ενσωμάτωση των στοιχείων της μπαταρίας απευθείας στο πλαίσιο.Αφαιρώντας πλήρως τις μονάδες και τα πακέτα μπαταριών, τα στοιχεία της μπαταρίας γίνονται πιο συμπαγή, ο αριθμός των εξαρτημάτων της μπαταρίας θα μειωθεί σημαντικά και η χρήση του χώρου του πλαισίου θα βελτιωθεί επίσης σημαντικά.
Το CTC έχει ορισμένες απαιτήσεις σχετικά με τη δομική αντοχή της μπαταρίας. Η ίδια η μπαταρία πρέπει να φέρει μεγάλη μηχανική αντοχή. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες 18650 και 2170, η μονή μπαταρία 4680 έχει μεγαλύτερη δομική αντοχή και υψηλότερη δομική αντοχή και η γενική μπαταρία τετράγωνου κελύφους είναι κέλυφος αλουμινίου. Το κέλυφος 4680 είναι κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα και η εγγενής δομική αντοχή είναι εγγυημένη.
Σε σύγκριση με την τετράγωνη μπαταρία κελύφους, η διάταξη της κυλινδρικής μπαταρίας θα είναι πιο ευέλικτη, μπορεί να προσαρμοστεί σε μια ποικιλία διαφορετικών σασί και μπορεί να συνδυαστεί καλύτερα με την τοποθεσία.
Σύμφωνα με την έρευνα και την κρίση της «EMF», η τεχνολογία CTC είναι η κινητήρια δύναμη των νέων ενεργειακών οχημάτων το 2022 και είναι επίσης μια διχάλα στον δρόμο.
Η ενσωμάτωση της μπαταρίας στο σώμα μπορεί να κάνει τη συντήρηση του οχήματος εξαιρετικά περίπλοκη και η μπαταρία είναι δύσκολο να αντικατασταθεί ανεξάρτητα.Οι τιμές των υπηρεσιών μετά την πώληση θα αυξηθούν και το κόστος αυτό θα μετακυλίεται απευθείας στους καταναλωτές, όπως το κόστος ασφάλισης.Αν και ο Musk ισχυρίζεται ότι έχουν σχεδιάσει ράγες επισκευής που μπορούν να κοπούν και να αντικατασταθούν, θα χρειαστεί χρόνος για να δούμε πόσο καλά θα λειτουργήσει.
Πολλές εταιρείες αυτοκινήτων έχουν προτείνει τις δικές τους τεχνικές λύσεις CTC, επειδή όχι μόνο αναδιατάσσει την μπαταρία, αλλά χρειάζεται και αλλαγή της δομής του αμαξώματος.Αυτό σχετίζεται με τον εκ νέου καταμερισμό της εργασίας στην εφοδιαστική αλυσίδα των σχετικών βιομηχανιών.
Το CTC είναι απλώς μια τεχνική διαδρομή.Είναι ένα σώμα μπαταρίας ενσωματωμένο, αμετάβλητο αποσυναρμολόγηση.Υπάρχει μια άλλη τεχνολογία απέναντί του - η αλλαγή μπαταρίας.Η τεχνολογία εναλλαγής μπαταρίας είναι εύκολο να αποσυναρμολογηθεί, αλλά η μπαταρία συμβάλλει πολύ στην αντοχή της μπαταρίας.Πώς να επιλέξετε αυτές τις δύο διαδρομές είναι ένα παιχνίδι μεταξύ προμηθευτών μπαταριών και OEM.
Τεχνολογία CTC σε συνδυασμό με μπαταρία 4680
3. Καινοτομία στη διαδικασία παραγωγής μπαταριών, υλικά καθόδου και ανόδου
Η Tesla θα χρησιμοποιήσει τη διαδικασία ξηρού ηλεκτροδίου μπαταρίας, αντί να χρησιμοποιήσει διαλύτη, μια μικρή ποσότητα (περίπου 5-8%) ενός συνδετικού PTFE σε λεπτή σκόνη αναμειγνύεται με σκόνη θετικού/αρνητικού ηλεκτροδίου, περνώντας από έναν εξωθητήρα για να σχηματιστεί μια λεπτή λωρίδα υλικό ηλεκτροδίου, και στη συνέχεια Μια λωρίδα υλικού ηλεκτροδίου ελασματοποιήθηκε σε έναν συλλέκτη ρεύματος από μεταλλικό φύλλο για να σχηματιστεί το έτοιμο ηλεκτρόδιο.
Η μπαταρία που παράγεται με αυτόν τον τρόπο είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον.Και αυτή η διαδικασία θα αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας και θα μειώσει την κατανάλωση ενέργειας της παραγωγής κατά 10 φορές.Η τεχνολογία ξηρών ηλεκτροδίων είναι πιθανό να γίνει το τεχνολογικό σημείο αναφοράς για την επόμενη γενιά.
Τεχνολογία ξηρών ηλεκτροδίων μπαταρίας Tesla 4680
Όσον αφορά τα υλικά καθόδου, ο Tesla είπε ότι θα αφαιρέσει επίσης το στοιχείο κοβαλτίου στην κάθοδο.Το κοβάλτιο είναι ακριβό και σπάνιο.Μπορεί να εξορυχθεί μόνο σε πολύ λίγες χώρες στον κόσμο ή σε ασταθείς αφρικανικές χώρες όπως το Κονγκό.Εάν η μπαταρία μπορεί πραγματικά να αφαιρέσει το στοιχείο κοβαλτίου, μπορούμε να πούμε ότι είναι μια σημαντική τεχνολογική καινοτομία.
Κοβάλτιο
Όσον αφορά τα υλικά ανόδου, η Tesla θα ξεκινήσει με υλικά πυριτίου και θα χρησιμοποιήσει περισσότερο πυρίτιο για να αντικαταστήσει τον γραφίτη που χρησιμοποιείται σήμερα.Η θεωρητική ειδική χωρητικότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου με βάση το πυρίτιο είναι τόσο υψηλή όσο 4200 mAh/g, η οποία είναι δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή του αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη.Ωστόσο, τα αρνητικά ηλεκτρόδια με βάση το πυρίτιο έχουν επίσης προβλήματα όπως η εύκολη διαστολή του πυριτίου στον όγκο, η κακή ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μεγάλη αρχική απώλεια φορτίου-εκφόρτισης.
Ως εκ τούτου, η βελτίωση της απόδοσης των υλικών είναι στην πραγματικότητα για να βρεθεί μια ισορροπία μεταξύ της ενεργειακής πυκνότητας και της σταθερότητας, και τα τρέχοντα προϊόντα ανόδου με βάση το πυρίτιο εμποτίζονται με πυρίτιο και γραφίτη για σύνθετη χρήση.
Η Tesla σχεδιάζει να αλλάξει θεμελιωδώς την ελαστικότητα της επιφάνειας του πυριτίου για να την καταστήσει λιγότερο επιρρεπή σε θραύση, μια τεχνολογία που όχι μόνο επιτρέπει στις μπαταρίες να φορτίζονται πιο γρήγορα, αλλά αυξάνει και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας κατά 20%.Η Tesla ονόμασε το νέο υλικό "Tesla Silicon" και το κόστος είναι 1,2 $/KWh, που είναι μόνο το ένα δέκατο της υπάρχουσας διαδικασίας δομημένου πυριτίου.
Οι άνοδοι με βάση το πυρίτιο θεωρούνται ως τα υλικά ανόδου της μπαταρίας λιθίου επόμενης γενιάς.
Μερικά μοντέλα στην αγορά έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν υλικά ανόδου με βάση το πυρίτιο.Μοντέλα όπως το Tesla Model 3 ήδη ενσωματώνουν μικρές ποσότητες πυριτίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο.Πρόσφατα κυκλοφόρησε το μοντέλο GAC AION LX Plus. Η έκδοση Qianli είναι εξοπλισμένη με τεχνολογία μπαταρίας τσιπ ανόδου σπόγγου πυριτίου, η οποία μπορεί να επιτύχει διάρκεια ζωής μπαταρίας 1.000 χιλιομέτρων.
4680 μπαταρία άνοδος πυριτίου
Συνοψίζοντας τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας μπαταριών 4680 είναι ότι μπορεί να βελτιώσει την απόδοση μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος.
3. Ο εκτεταμένος αντίκτυπος των 4680 μπαταριών
Η μπαταρία 4680 δεν είναι μια ανατρεπτική τεχνολογική επανάσταση, ούτε μια σημαντική ανακάλυψη στην ενεργειακή πυκνότητα, αλλά περισσότερο μια καινοτομία στην τεχνολογία διεργασιών.
Ωστόσο, με γνώμονα την Tesla, για το τρέχον μοτίβο της νέας αγοράς ενέργειας, η παραγωγή 4680 μπαταριών θα αλλάξει το υπάρχον μοτίβο των μπαταριών.Η βιομηχανία αναπόφευκτα θα πυροδοτήσει ένα κύμα κυλινδρικών μπαταριών μεγάλου όγκου.
Σύμφωνα με αναφορές, η Panasonic σχεδιάζει να ξεκινήσει τη μαζική παραγωγή 4680 μπαταριών μεγάλης χωρητικότητας για την Tesla στις αρχές του 2023.Η νέα επένδυση θα φτάσει τα 80 δισεκατομμύρια γιεν (περίπου 704 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ).Η Samsung SDI και η LG Energy έχουν επίσης ενταχθεί στην ανάπτυξη της μπαταρίας 4680.
Στο εσωτερικό, η Yiwei Lithium Energy ανακοίνωσε ότι η θυγατρική της Yiwei Power σχεδιάζει να κατασκευάσει μια γραμμή παραγωγής μεγάλης κυλινδρικής μπαταρίας 20 GWh για επιβατικά οχήματα στη Ζώνη Υψηλής τεχνολογίας Jingmen. Στο χώρο των μεγάλων κυλινδρικών μπαταριών θα μπουν και οι BAK Battery και Honeycomb Energy. Η BMW και η CATL αναπτύσσουν επίσης ενεργά μεγάλες κυλινδρικές μπαταρίες και το βασικό σχέδιο έχει καθοριστεί.
Κυλινδρική διάταξη μπαταριών κατασκευαστών μπαταριών
Τέταρτον, η ηλεκτροκινητική δύναμη έχει κάτι να πει
Η δομική καινοτομία της μεγάλης κυλινδρικής μπαταρίας θα προωθήσει αναμφίβολα την ανάπτυξη της βιομηχανίας μπαταριών ισχύος. Δεν είναι τόσο απλό όσο απλά η αναβάθμιση από την 5η μπαταρία στην 1η μπαταρία. Το παχύ σώμα του έχει μεγάλες απορίες.
Το κόστος της μπαταρίας είναι κοντά στο 40% του κόστους ολόκληρου του οχήματος. Η σημασία της μπαταρίας ως «καρδιάς» είναι αυτονόητη.Ωστόσο, με τη δημοτικότητα των νέων ενεργειακών οχημάτων, η ζήτηση για μπαταρίες αυξάνεται μέρα με τη μέρα και η τιμή των υλικών αυξάνεται. Η καινοτομία των μπαταριών έχει γίνει ένας σημαντικός τρόπος για να αναπτυχθούν οι εταιρείες αυτοκινήτων.
Με την ανάπτυξη τεχνολογιών που σχετίζονται με τις μπαταρίες, τα οικονομικά ηλεκτρικά οχήματα είναι προ των πυλών!
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-13-2022