دکتر باتری در مورد باتری ها صحبت می کند: باتری تسلا 4680

از باتری تیغه ای BYD گرفته تا باتری بدون کبالت Honeycomb Energy و سپس باتری یون سدیم در عصر CATL، صنعت باتری های قدرت نوآوری مداوم را تجربه کرده است. 23 سپتامبر 2020 - روز باتری تسلا، ایلان ماسک، مدیرعامل تسلا، باتری جدیدی را به دنیا نشان داد - باتری 4680.

قبلاً اندازه باتری های لیتیومی استوانه ای عمدتاً 18650 و 21700 بود و 21700 50٪ بیشتر از 18650 انرژی داشت.باتری 4680 پنج برابر باتری 21700 ظرفیت سلولی دارد و باتری جدید می تواند هزینه هر کیلووات ساعت را حدود 14 درصد کاهش دهد و برد کروز را 16 درصد افزایش دهد.

ماسک به صراحت اعلام کرد که این باتری یک خودروی الکتریکی 25000 دلاری را ممکن می کند.

بنابراین، این باتری تهدیدآمیز از کجا آمده است؟در ادامه، آنها را یکی یکی تحلیل می کنیم.

1. باتری 4680 چیست؟

روش تسلا برای نام گذاری باتری های برق بسیار ساده و سرراست است.باتری 4680 همانطور که از نامش پیداست یک باتری استوانه ای با قطر تک سلولی 46 میلی متر و ارتفاع 80 میلی متر است.

سه اندازه مختلف باتری استوانه ای لیتیوم یون

همانطور که از تصویر مشخص است، در مقایسه با باتری اصلی تسلا 18650 و باتری 21700، باتری 4680 مانند یک مرد بلندقد و قوی به نظر می رسد.

اما باتری 4680 فقط یک تغییر اندازه نیست، تسلا بسیاری از فناوری های جدید را برای بهبود عملکرد ترکیب کرده است.

دوم، فناوری جدید باتری 4680

1. طراحی گوش بدون الکترود

به طور مستقیم، بزرگترین احساس 4680 بزرگتر بودن آن است.پس چرا دیگر سازندگان در گذشته باتری را بزرگتر نمی کردند.این به این دلیل است که هرچه حجم بیشتر و انرژی بیشتر باشد، کنترل گرما سخت‌تر می‌شود و خطر ایمنی ناشی از سوختن و انفجار بیشتر می‌شود.

ظاهراً تسلا این را نیز در نظر گرفته است.

در مقایسه با باتری استوانه‌ای قبلی، بزرگ‌ترین نوآوری ساختاری باتری 4680، بند بدون الکترود است که به عنوان پره کامل نیز شناخته می‌شود.در باتری‌های استوانه‌ای سنتی، فویل‌های مسی مثبت و منفی و جداکننده فویل آلومینیومی روی هم چیده شده و پیچیده می‌شوند. برای بیرون کشیدن الکترودها، یک سیم سربی به نام زبانه به دو سر ورق مسی و ورق آلومینیومی جوش داده می شود.

طول سیم پیچ یک باتری سنتی 1860 800 میلی متر است. به عنوان مثال، فویل مسی با رسانایی بهتر را در نظر بگیرید، طول زبانه هایی که برق را از فویل مسی خارج می کند 800 میلی متر است که معادل جریان عبوری از سیم طول 800 میلی متر است.

با محاسبه، مقاومت حدود 20mΩ، طول سیم پیچ باتری 2170 حدود 1000 میلی متر و مقاومت حدود 23mΩ است.به راحتی می توان آن را تبدیل کرد که فیلم با همان ضخامت باید به یک باتری 4680 رول شود و طول سیم پیچ آن حدود 3800 میلی متر است.

افزایش طول سیم پیچ معایب زیادی دارد. الکترون‌ها باید مسافت بیشتری را طی کنند تا به زبانه‌های هر دو انتهای باتری برسند، مقاومت افزایش می‌یابد و باتری بیشتر مستعد گرما می‌شود.عملکرد باتری کاهش می یابد و حتی مشکلات ایمنی ایجاد می کند.به منظور کوتاه کردن مسافت طی شده توسط الکترون ها، باتری 4680 از فناوری گوش بدون الکترود استفاده می کند.

زبانه بدون الکترود هیچ زبانه ای ندارد، اما کل کلکتور جریان را به یک زبانه تبدیل می کند، مسیر رسانا دیگر به زبانه بستگی ندارد و جریان از انتقال جانبی در امتداد زبانه به صفحه کلکتور به انتقال طولی انتقال می یابد. جمع کننده فعلی

کل طول رسانا از 800 به 1000 میلی متر طول فویل مسی 1860 یا 2170 به 80 میلی متر (ارتفاع باتری) تغییر کرده است.مقاومت به 2mΩ کاهش می یابد و مصرف مقاومت داخلی از 2W به 0.2W کاهش می یابد که به طور مستقیم با یک مرتبه کاهش می یابد.

این طراحی امپدانس باتری را تا حد زیادی کاهش می دهد و مشکل گرمایش باتری استوانه ای را حل می کند.

از یک طرف، فناوری گوش بدون الکترود، ناحیه هدایت جریان را افزایش می دهد، فاصله هدایت جریان را کوتاه می کند و مقاومت داخلی باتری را تا حد زیادی کاهش می دهد. کاهش مقاومت داخلی می تواند پدیده افست جریان را کاهش دهد و عمر باتری را طولانی تر کند. کاهش مقاومت همچنین می تواند تولید گرما را کاهش دهد و پوشش رسانای الکترود سطح تماس موثر بین لایه و درپوش انتهای باتری می تواند به 100٪ برسد که می تواند ظرفیت اتلاف گرما را بهبود بخشد.

باتری 4680 از نظر ساختار سلولی از نوع جدیدی از فناوری گوش بدون الکترود استفاده می کند که می تواند هزینه ها را کاهش داده و کارایی را افزایش دهد.از طرفی فرآیند جوش زبانه ها حذف می شود، راندمان تولید بهبود می یابد و می توان همزمان میزان عیب ناشی از جوشکاری را کاهش داد.

نمودار شماتیک ساختار تک قطبی و تمام قطبی

2. همراه با تکنولوژی CTC

به طور کلی، هرچه اندازه باتری بزرگتر باشد، باتری های کمتری باید در همان خودرو نصب شوند.با 18650 سلول، یک تسلا به 7100 سلول نیاز دارد.اگر از باتری 4680 استفاده می کنید، تنها به 900 باتری نیاز دارید.

هر چه تعداد باتری ها کمتر باشد، سریعتر می توان آنها را مونتاژ کرد، راندمان بالاتر، احتمال بروز مشکل در لینک های میانی کمتر و قیمت ارزان تر می شود.به گفته تسلا، 4680 بزرگ می تواند قیمت تولید باتری ها را تا 14 درصد کاهش دهد.

به منظور بهبود چگالی انرژی بسته باتری، باتری 4680 با فناوری CTC (Cell to Chassis) ترکیب خواهد شد.این است که سلول های باتری را مستقیماً در شاسی ادغام کنید.با حذف کامل ماژول‌ها و بسته‌های باتری، سلول‌های باتری فشرده‌تر می‌شوند، تعداد قطعات باتری بسیار کاهش می‌یابد و استفاده از فضای شاسی نیز تا حد زیادی بهبود می‌یابد.

CTC الزامات خاصی در مورد استحکام ساختاری باتری دارد. خود باتری باید استحکام مکانیکی زیادی را تحمل کند. در مقایسه با باتری های 18650 و 2170، باتری تکی 4680 دارای استحکام ساختاری بیشتر و استحکام ساختاری بالاتری است و باتری پوسته مربعی عمومی پوسته آلومینیومی است. پوسته 4680 از فولاد ضد زنگ ساخته شده است و استحکام ساختاری ذاتی آن تضمین شده است.

در مقایسه با باتری پوسته مربعی، طرح باتری استوانه ای انعطاف پذیرتر خواهد بود، می تواند با انواع شاسی های مختلف سازگار شود و می تواند بهتر با سایت ترکیب شود.

بر اساس تحقیقات و قضاوت "EMF"، فناوری CTC در سال 2022 موتور خودروهای جدید انرژی است و همچنین انشعابی در جاده است.

ادغام باتری در بدنه می تواند تعمیر و نگهداری خودرو را بسیار پیچیده کند و تعویض باتری به طور مستقل دشوار است.قیمت خدمات پس از فروش افزایش می یابد و این هزینه ها به طور مستقیم به مصرف کنندگان منتقل می شود، مانند هزینه های بیمه.اگرچه ماسک ادعا می کند که آنها ریل های تعمیری را طراحی کرده اند که می توان آنها را برش داد و جایگزین کرد، اما زمان می برد تا ببینیم چقدر خوب کار می کند.

بسیاری از شرکت‌های خودروسازی راه‌حل‌های فنی CTC خود را پیشنهاد کرده‌اند، زیرا نه تنها باتری را مرتب می‌کند، بلکه باید ساختار بدنه را نیز تغییر دهد.این مربوط به تقسیم مجدد کار در زنجیره تامین صنایع مرتبط است.

CTC فقط یک مسیر فنی است.این یک بدنه باتری یکپارچه و بدون تغییر است.فناوری دیگری نیز در مقابل آن وجود دارد - تعویض باتری.فن آوری تعویض باتری به راحتی جدا می شود، اما باتری سهم زیادی در قدرت باتری دارد.نحوه انتخاب این دو مسیر یک بازی بین تامین کنندگان باتری و OEM ها است.

فناوری CTC همراه با باتری 4680

3. نوآوری در فرآیند تولید باتری، مواد کاتد و آند

تسلا از فرآیند الکترود باتری خشک استفاده خواهد کرد، به جای استفاده از یک حلال، مقدار کمی (حدود 5-8٪) از یک بایندر PTFE ریز پودر شده با پودر الکترود مثبت/منفی مخلوط می شود و از یک اکسترودر عبور می کند تا یک نوار نازک تشکیل شود. مواد الکترود، و سپس یک نوار از مواد الکترود به یک جمع کننده جریان فویل فلزی لمینت شد تا الکترود تمام شده را تشکیل دهد.

باتری تولید شده در این روش سازگارتر با محیط زیست است.و این فرآیند باعث افزایش چگالی انرژی باتری و کاهش 10 برابری مصرف انرژی در تولید می شود.فناوری الکترود خشک احتمالاً به معیار فناوری برای نسل بعدی تبدیل خواهد شد.

فناوری الکترود خشک باتری تسلا 4680

از نظر مواد کاتدی، تسلا گفت که عنصر کبالت را نیز در کاتد حذف خواهد کرد.کبالت گران و کمیاب است.تنها در کشورهای بسیار کمی در جهان یا در کشورهای آفریقایی ناپایدار مانند کنگو قابل استخراج است.اگر باتری واقعا بتواند عنصر کبالت را حذف کند، می توان گفت که یک نوآوری بزرگ در فناوری است.

کبالت

از نظر مواد آندی، تسلا با مواد سیلیکونی شروع کرده و از سیلیکون بیشتری برای جایگزینی گرافیت استفاده شده در حال حاضر استفاده خواهد کرد.ظرفیت ویژه نظری الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون به 4200 میلی آمپر بر گرم می رسد که ده برابر بیشتر از الکترود منفی گرافیت است.با این حال، الکترودهای منفی مبتنی بر سیلیکون نیز مشکلاتی مانند انبساط حجمی آسان سیلیکون، رسانایی الکتریکی ضعیف و تلفات بار-تخلیه اولیه زیاد دارند.

بنابراین، بهبود عملکرد مواد در واقع برای یافتن تعادلی بین چگالی انرژی و پایداری است و محصولات آند مبتنی بر سیلیکون فعلی با سیلیکون و گرافیت برای استفاده کامپوزیت دوپ می‌شوند.

تسلا قصد دارد تا شکل‌پذیری سطح سیلیکون را به‌طور اساسی تغییر دهد تا کمتر در معرض شکستگی قرار گیرد، فناوری که نه تنها به باتری‌ها اجازه می‌دهد سریع‌تر شارژ شوند، بلکه عمر باتری را تا 20 درصد افزایش می‌دهد.تسلا نام ماده جدید را "تسلا سیلیکون" گذاشت و هزینه آن 1.2 دلار در هر کیلووات ساعت است که تنها یک دهم فرآیند سیلیکون ساختار یافته موجود است.

آندهای مبتنی بر سیلیکون به عنوان نسل بعدی مواد آند باتری لیتیومی در نظر گرفته می شوند.

چند مدل موجود در بازار شروع به استفاده از مواد آند مبتنی بر سیلیکون کرده‌اند.مدل هایی مانند تسلا مدل 3 در حال حاضر مقادیر کمی سیلیکون را در الکترود منفی وارد می کنند.به تازگی مدل GAC AION LX Plus به بازار عرضه شده است. نسخه Qianli مجهز به فناوری باتری تراشه آند سیلیکونی اسفنجی است که می تواند به عمر باتری 1000 کیلومتر دست یابد.

آند سیلیکونی باتری 4680

به طور خلاصه مزایای فناوری باتری 4680 این است که می تواند عملکرد را بهبود بخشد و در عین حال هزینه ها را کاهش دهد.

3. تاثیر گسترده باتری های 4680

باتری 4680 یک انقلاب فنی خرابکارانه نیست، نه یک پیشرفت در چگالی انرژی، بلکه بیشتر یک نوآوری در فناوری فرآیند است.

با این حال، با هدایت تسلا، برای الگوی فعلی بازار انرژی جدید، تولید 4680 باتری، الگوی باتری موجود را تغییر خواهد داد.این صنعت به ناچار موجی از باتری های استوانه ای با حجم بالا را به راه خواهد انداخت.

بر اساس گزارش ها، پاناسونیک قصد دارد تولید انبوه 4680 باتری با ظرفیت بالا را برای تسلا در اوایل سال 2023 آغاز کند.سرمایه گذاری جدید تا 80 میلیارد ین (تقریباً 704 میلیون دلار) خواهد بود.سامسونگ SDI و LG Energy نیز به توسعه باتری 4680 پیوسته اند.

در داخل کشور، Yiwei Lithium Energy اعلام کرد که شرکت تابعه آن Yiwei Power قصد دارد یک خط تولید باتری استوانه ای بزرگ 20 گیگاوات ساعتی برای وسایل نقلیه مسافربری در منطقه فناوری پیشرفته جینگمن بسازد. BAK Battery و Honeycomb Energy نیز وارد حوزه باتری های بزرگ استوانه ای خواهند شد. BMW و CATL نیز به طور فعال باتری‌های استوانه‌ای بزرگ را به کار می‌گیرند و الگوی اصلی آن مشخص شده است.

طرح استوانه ای باتری سازندگان باتری

چهارم، نیروی الکتروموتور چیزی برای گفتن دارد

نوآوری ساختاری باتری بزرگ استوانه ای بدون شک توسعه صنعت باتری های قدرت را ارتقا می دهد. این کار به سادگی ارتقاء از باتری پنجم به باتری اول نیست. بدن چاق آن سوالات بزرگی دارد.

هزینه باتری نزدیک به 40 درصد هزینه کل خودرو است. اهمیت باتری به عنوان "قلب" بدیهی است.با این حال، با محبوبیت وسایل نقلیه جدید انرژی، تقاضا برای باتری روز به روز افزایش می یابد و قیمت مواد نیز افزایش می یابد. نوآوری باتری ها به یک راه مهم برای توسعه شرکت های خودروسازی تبدیل شده است.

با توسعه فناوری‌های مرتبط با باتری، خودروهای برقی مقرون‌به‌صرفه در راه هستند!