BYD:n teräakusta Honeycomb Energyn kobolttittomaan akkuun ja sitten CATL-aikakauden natrium-ioni-akkuun, tehoakkuteollisuus on kokenut jatkuvaa innovaatiota. 23. syyskuuta 2020 – Teslan akkupäivänä Teslan toimitusjohtaja Elon Musk esitteli maailmalle uuden akun – 4680-akun.
Aikaisemmin lieriömäisten litiumakkujen koot olivat pääasiassa 18650 ja 21700, ja 21700:ssa oli 50 % enemmän energiaa kuin 18650:ssä.4680-akussa on viisi kertaa suurempi kennokapasiteetti kuin 21700-akussa, ja uusi akku voi alentaa kilowattituntikohtaista hintaa noin 14 % ja lisätä matkamatkaa 16 %.
Musk sanoi suoraan, että tämä akku mahdollistaa 25 000 dollarin sähköauton.
Joten mistä tämä uhkaava akku on peräisin?Seuraavaksi analysoimme ne yksitellen.
1. Mikä on 4680-akku?
Teslan tapa nimetä tehoparistot on hyvin yksinkertainen ja suoraviivainen.4680-akku, kuten nimestä voi päätellä, on sylinterimäinen akku, jonka yksikennon halkaisija on 46 mm ja korkeus 80 mm.
Kolme erikokoista sylinterimäistä litiumioniakkua
Kuten kuvasta näkyy, Teslan alkuperäiseen 18650-akkuun ja 21700-akkuun verrattuna 4680-akku näyttää pitkältä ja vahvalta mieheltä.
Mutta 4680:n akku ei ole vain koon muutos, Tesla on sisällyttänyt paljon uutta teknologiaa parantaakseen suorituskykyä.
Toiseksi uusi tekniikka 4680 akku
1. Elektroditon korvamalli
Intuitiivisesti 4680:n suurin tunne on, että se on suurempi.Joten miksi muut valmistajat eivät tehneet akkua aiemmin isommaksi.Tämä johtuu siitä, että mitä suurempi tilavuus ja korkeampi energia, lämpöä on vaikeampi hallita ja sitä suurempi on palamisen ja räjähdyksen aiheuttama turvallisuusuhka.
Tesla on ilmeisesti ottanut tämän myös huomioon.
Edelliseen sylinterimäiseen akkuun verrattuna 4680-akun suurin rakenteellinen innovaatio on elektroditon korvake, joka tunnetaan myös nimellä täysi korvake.Perinteisessä lieriömäisessä akussa positiiviset ja negatiiviset kuparikalvot sekä alumiinifolion erotin pinotaan ja kääritään. Elektrodien vetämiseksi ulos lyijylanka, jota kutsutaan kielekkeeksi, hitsataan kuparifolion ja alumiinifolion kahteen päähän.
Perinteisen 1860-akun käämityksen pituus on 800 mm. Esimerkkinä paremman johtavuuden omaavan kuparifolion pituus kuparikalvosta sähköä johtavien kielekkeiden pituus on 800 mm, mikä vastaa 800 mm pitkän johdon läpi kulkevaa virtaa.
Laskelmien mukaan resistanssi on noin 20mΩ, 2170-akun käämin pituus on noin 1000mm ja resistanssi noin 23mΩ.Se voidaan helposti muuntaa niin, että saman paksuinen kalvo on rullattava 4680 akuksi ja käämityksen pituus on noin 3800 mm.
Käämityksen pituuden lisäämisessä on monia haittoja. Elektronien on kuljettava pidempi matka päästäkseen akun molemmissa päissä oleviin kielekkeisiin, vastus kasvaa ja akku kuumenee alttiimmin.Akun suorituskyky heikkenee ja aiheuttaa jopa turvallisuusongelmia.Elektronien kulkeman matkan lyhentämiseksi 4680-akussa käytetään elektroditonta korvatekniikkaa.
Elektrodittomassa kielekkeessä ei ole kielekkeitä, vaan se muuttaa koko virrankerääjän kielekkeeksi, johtava polku ei enää riipu kielekkeestä ja virta siirtyy sivuttaissiirrosta kielekettä pitkin keräinlevylle sen pituussuuntaiseen siirtoon. nykyinen keräilijä.
Koko johtava pituus on muuttunut 800:sta 1000 mm:iin 1860 tai 2170 kuparikalvon pituudesta 80 mm:iin (akun korkeus).Vastus pienenee 2 mΩ:iin ja sisäinen resistanssin kulutus pienenee 2 W:sta 0,2 W:iin, mikä pienenee suoraan suuruusluokkaa.
Tämä muotoilu vähentää huomattavasti akun impedanssia ja ratkaisee sylinterimäisen akun lämmitysongelman.
Toisaalta elektroditon korvatekniikka lisää virran johtamisaluetta, lyhentää virran johtavuusetäisyyttä ja vähentää huomattavasti akun sisäistä vastusta; sisäisen vastuksen pienentäminen voi vähentää virran offset-ilmiötä ja pidentää akun käyttöikää; vastuksen pienentäminen voi myös vähentää lämmöntuotantoa ja elektrodin johtavaa pinnoitetta. Kerroksen ja akun päätykannen välinen tehokas kosketuspinta voi olla 100%, mikä voi parantaa lämmönpoistokykyä.
4680-akku käyttää uudentyyppistä elektroditonta korvatekniikkaa kennorakenteen suhteen, mikä voi vähentää kustannuksia ja lisätä tehokkuutta.Toisaalta kielekkeiden hitsausprosessi jätetään pois, tuotannon tehokkuus paranee ja hitsauksen aiheuttamaa vikasuhdetta voidaan samalla vähentää.
Kaaviokaavio monopoli- ja täysnapaisesta rakenteesta
2. Yhdessä CTC-tekniikan kanssa
Yleisesti ottaen mitä suurempi akun koko on, sitä vähemmän akkuja on asennettava samaan ajoneuvoon.18650 kennolla Tesla tarvitsee 7100 kennoa.Jos käytät 4680 akkua, tarvitset vain 900 akkua.
Mitä vähemmän akkuja, sitä nopeammin ne voidaan koota, sitä korkeampi hyötysuhde, sitä pienempi on välilinkkien ongelmien mahdollisuus ja halvempi hinta.Teslan mukaan iso 4680 voi alentaa akkujen tuotantohintaa 14%.
Akun energiatiheyden parantamiseksi 4680-akku yhdistetään CTC (Cell to Chassis) -teknologiaan.Se on integroida akkukennot suoraan runkoon.Poistamalla moduulit ja akkupaketit kokonaan, akkukennot tiivistyvät, akun osien määrä vähenee huomattavasti ja myös rungon tilankäyttö paranee huomattavasti.
CTC:llä on tiettyjä vaatimuksia akun rakenteelliselle lujuudelle. Itse akun on kestettävä paljon mekaanista lujuutta. Verrattuna 18650- ja 2170-akkuihin, 4680-akulla on suurempi rakenteellinen lujuus ja suurempi rakenteellinen lujuus, ja yleinen neliömäinen akku on alumiinikuori. 4680-kuori on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, ja sen luontainen rakenteellinen lujuus on taattu.
Verrattuna neliömäiseen akkuun, lieriömäisen akun asettelu on joustavampi, se voi mukautua useisiin erilaisiin alustaan ja voidaan yhdistää paremmin sivustoon.
”EMF:n” tutkimuksen ja arvion mukaan CTC-teknologia on uusien energia-ajoneuvojen ykkönen vuonna 2022, ja se on myös tienhaarukka.
Akun integrointi runkoon voi tehdä ajoneuvon huollosta erittäin monimutkaista ja akkua on vaikea vaihtaa itsenäisesti.Jälkipalveluiden hinnat nousevat, ja nämä kustannukset, kuten vakuutuskulut, siirtyvät suoraan kuluttajille.Vaikka Musk väittää, että he ovat suunnitelleet korjauskiskoja, jotka voidaan leikata ja vaihtaa, kestää jonkin aikaa nähdä kuinka hyvin se toimii.
Monet autoyritykset ovat ehdottaneet omia CTC-teknisiä ratkaisujaan, koska se ei ainoastaan järjestä akkua uudelleen, vaan tarvitsee myös korirakenteen muutoksen.Tämä liittyy työnjakoon uudelleen liittyvien toimialojen toimitusketjussa.
CTC on vain tekninen reitti.Se on integroitu akun runko, purkaminen muuttumattomana.Sitä vastapäätä on toinen tekniikka - akun vaihto.Akun vaihtotekniikka on helppo purkaa, mutta akku vaikuttaa suuresti akun kestoon.Kuinka valita nämä kaksi reittiä, on akkutoimittajien ja OEM-valmistajien välinen peli.
CTC-tekniikka yhdistettynä 4680 akun kanssa
3. Innovaatiot akkujen tuotantoprosessissa, katodi- ja anodimateriaaleissa
Tesla käyttää kuivaakkuelektrodiprosessia, liuottimen sijaan pieni määrä (noin 5-8 %) hienoksi jauhettua PTFE-sideainetta sekoitetaan positiivisen/negatiivisen elektrodijauheen kanssa ja johdetaan ekstruuderin läpi ohueksi kaistaleeksi elektrodimateriaalia, ja sitten elektrodimateriaalinauha laminoitiin metallikalvovirran kerääjään valmiin elektrodin muodostamiseksi.
Tällä tavalla valmistettu akku on ympäristöystävällisempi.Ja tämä prosessi lisää akun energiatiheyttä ja vähentää tuotannon energiankulutusta 10 kertaa.Kuivaelektroditeknologiasta tulee todennäköisesti seuraavan sukupolven teknologinen vertailukohta.
Tesla 4680 akun kuivaelektroditekniikka
Katodimateriaalien osalta Tesla sanoi, että se poistaa myös katodista kobolttielementin.Koboltti on kallista ja niukkaa.Sitä voidaan louhia vain harvoissa maailman maissa tai epävakaissa Afrikan maissa, kuten Kongossa.Jos akku todella pystyy poistamaan kobolttielementin, sen voidaan sanoa olevan suuri teknologinen innovaatio.
Koboltti
Anodimateriaalien osalta Tesla aloittaa piimateriaaleista ja käyttää enemmän piitä nykyisen grafiitin tilalle.Piipohjaisen negatiivisen elektrodin teoreettinen ominaiskapasiteetti on jopa 4200 mAh/g, mikä on kymmenen kertaa suurempi kuin negatiivisen grafiittielektrodin.Piipohjaisilla negatiivisilla elektrodeilla on kuitenkin myös ongelmia, kuten piin helppo tilavuuden laajeneminen, huono sähkönjohtavuus ja suuri alkulataus-purkaushäviö.
Siksi materiaalien suorituskyvyn parantamisessa on itse asiassa löytää tasapaino energiatiheyden ja vakauden välillä, ja nykyiset piipohjaiset anodituotteet on seostettu piillä ja grafiitilla komposiittikäyttöä varten.
Tesla aikoo muuttaa piin pinnan muokattavuutta perusteellisesti tehdäkseen siitä vähemmän alttiita rikkoutumiselle. Tämä tekniikka ei vain mahdollista akkujen lataamista nopeammin, vaan myös lisää akun käyttöikää 20 prosentilla.Tesla nimesi uuden materiaalin "Tesla Siliconiksi", ja sen hinta on 1,2 dollaria/KWh, mikä on vain kymmenesosa nykyisestä strukturoidusta piiprosessista.
Piipohjaisia anodeja pidetään seuraavan sukupolven litiumakun anodimateriaaleina.
Muutamat markkinoiden mallit ovat alkaneet käyttää piipohjaisia anodimateriaaleja.Malleissa, kuten Tesla Model 3, on jo pieni määrä piitä negatiivisessa elektrodissa.Äskettäin lanseerattiin GAC AION LX Plus -malli. Qianli-versio on varustettu silikoni-anodisirun akkuteknologialla, joka voi saavuttaa 1000 kilometriä akun käyttöiän.
4680 akun silikonianodi
Yhteenvetona 4680-akkuteknologian eduista voidaan todeta, että se voi parantaa suorituskykyä ja vähentää kustannuksia.
3. 4680 akun kauaskantoinen vaikutus
4680-akku ei ole kumouksellinen teknologinen vallankumous, ei läpimurto energiatiheydessä, vaan enemmänkin innovaatio prosessiteknologiassa.
Teslan ohjaamana uusien energiamarkkinoiden nykyiseen malliin 4680 akun tuotanto muuttaa kuitenkin nykyistä akkumallia.Teollisuus käynnistää väistämättä suurten sylinterimäisten akkujen aallon.
Raporttien mukaan Panasonic aikoo aloittaa 4680 suuren kapasiteetin akun massatuotannon Teslalle vuoden 2023 alussa.Uusi investointi on jopa 80 miljardia jeniä (noin 704 miljoonaa dollaria).Samsung SDI ja LG Energy ovat myös liittyneet 4680-akun kehittämiseen.
Kotimaassa Yiwei Lithium Energy ilmoitti, että sen tytäryhtiö Yiwei Power suunnittelee rakentavansa 20 GWh:n suuren lieriömäisen akun tuotantolinjan henkilöautoille Jingmen High-tech Zone -alueelle. BAK Battery ja Honeycomb Energy tulevat myös suurten sylinterimäisten akkujen alalle. BMW ja CATL ottavat myös aktiivisesti käyttöön suuria sylinterimäisiä akkuja, ja peruskuvio on selvitetty.
Akkuvalmistajien sylinterimäinen akun asettelu
Neljänneksi sähkömotorisella voimalla on sanottavaa
Suuren sylinterimäisen akun rakenteellinen innovaatio edistää epäilemättä tehoakkuteollisuuden kehitystä. Se ei ole niin yksinkertaista kuin vain päivittäminen viidennestä akusta ensimmäiseen akkuun. Sen lihavalla keholla on suuria kysymyksiä.
Akun hinta on lähes 40 % koko ajoneuvon hinnasta. Akun merkitys "sydämenä" on itsestäänselvyys.Uusien energiaajoneuvojen suosion myötä akkujen kysyntä kuitenkin kasvaa päivä päivältä ja materiaalien hinnat nousevat. Akkujen innovaatiosta on tullut autoyhtiöille tärkeä tapa kehittyä.
Akkuihin liittyvien teknologioiden kehittyessä edulliset sähköajoneuvot ovat aivan nurkan takana!
Postitusaika: 13.6.2022