De la batterie lame de BYD à la batterie sans cobalt de Honeycomb Energy, puis à la batterie sodium-ion de l'ère CATL, l'industrie des batteries de puissance a connu une innovation continue. 23 septembre 2020 – Tesla Battery Day, le PDG de Tesla, Elon Musk, a présenté au monde une nouvelle batterie : la batterie 4680.
Auparavant, les tailles des batteries cylindriques au lithium étaient principalement 18650 et 21700, et 21700 avait 50 % d'énergie en plus que 18650.La batterie 4680 a cinq fois la capacité des cellules de la batterie 21700, et la nouvelle batterie peut réduire le coût par kilowattheure d'environ 14 % et augmenter l'autonomie de croisière de 16 %.
Musk a déclaré sans ambages que cette batterie rendrait possible une voiture électrique à 25 000 $.
Alors, d’où vient cette batterie menaçante ?Ensuite, nous les analysons un par un.
1. Qu'est-ce qu'une batterie 4680 ?
La façon dont Tesla nomme les batteries de puissance est très simple et directe.La batterie 4680, comme son nom l'indique, est une batterie cylindrique avec un diamètre de cellule unique de 46 mm et une hauteur de 80 mm.
Trois tailles différentes de batteries cylindriques lithium-ion
Comme le montre la photo, comparée à la batterie 18650 et à la batterie 21700 d'origine de Tesla, la batterie 4680 ressemble à un homme grand et fort.
Mais la batterie 4680 ne représente pas seulement un changement de taille, Tesla a incorporé de nombreuses nouvelles technologies pour améliorer les performances.
Deuxièmement, la nouvelle technologie de la batterie 4680
1. Conception d'oreille sans électrode
Intuitivement, la plus grande sensation du 4680 est qu’il est plus grand.Alors pourquoi d’autres fabricants n’ont-ils pas agrandi la batterie dans le passé ?En effet, plus le volume et l'énergie sont élevés, plus la chaleur est difficile à contrôler et plus les risques de brûlure et d'explosion sont grands.
Tesla a apparemment également pris cela en considération.
Par rapport à la batterie cylindrique précédente, la plus grande innovation structurelle de la batterie 4680 est la cosse sans électrode, également connue sous le nom de cosse complète.Dans une batterie cylindrique traditionnelle, les feuilles de cuivre positives et négatives et le séparateur de feuilles d'aluminium sont empilés et enroulés. Afin de retirer les électrodes, un fil conducteur appelé languette est soudé aux deux extrémités de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium.
La longueur d'enroulement d'une batterie 1860 traditionnelle est de 800 mm. En prenant comme exemple la feuille de cuivre avec une meilleure conductivité, la longueur des languettes pour faire sortir l'électricité de la feuille de cuivre est de 800 mm, ce qui équivaut au courant traversant le fil de 800 mm de long.
Par calcul, la résistance est d'environ 20 mΩ, la longueur d'enroulement de la batterie 2170 est d'environ 1 000 mm et la résistance est d'environ 23 mΩ.Il peut être facilement converti que le film de la même épaisseur doit être enroulé dans une batterie 4680 et que la longueur d'enroulement est d'environ 3800 mm.
L’augmentation de la longueur d’enroulement présente de nombreux inconvénients. Les électrons doivent parcourir une plus longue distance pour atteindre les languettes aux deux extrémités de la batterie, la résistance augmentera et la batterie sera plus sujette à la chaleur.Les performances de la batterie se dégraderont et créeront même des problèmes de sécurité.Afin de réduire la distance parcourue par les électrons, la batterie 4680 utilise la technologie de l'oreille sans électrode.
La languette sans électrode n'a pas de languette, mais transforme l'ensemble du collecteur de courant en languette, le chemin conducteur ne dépend plus de la languette et le courant est transféré de la transmission latérale le long de la languette à la plaque collectrice à la transmission longitudinale de le collecteur actuel.
La longueur totale du conducteur est passée de 800 à 1 000 mm de longueur de feuille de cuivre 1 860 ou 2 170 à 80 mm (hauteur de la batterie).La résistance est réduite à 2 mΩ et la consommation de résistance interne est réduite de 2 W à 0,2 W, ce qui est directement réduit d'un ordre de grandeur.
Cette conception réduit considérablement l'impédance de la batterie et résout le problème d'échauffement de la batterie cylindrique.
D'une part, la technologie auriculaire sans électrode augmente la zone de conduction du courant, raccourcit la distance de conduction du courant et réduit considérablement la résistance interne de la batterie ; la réduction de la résistance interne peut réduire le phénomène de décalage de courant et prolonger la durée de vie de la batterie ; la réduction de la résistance peut également réduire la génération de chaleur, et le revêtement conducteur de l'électrode. La zone de contact efficace entre la couche et le capuchon d'extrémité de la batterie peut atteindre 100 %, ce qui peut améliorer la capacité de dissipation thermique.
La batterie 4680 adopte un nouveau type de technologie auriculaire sans électrode en termes de structure cellulaire, ce qui peut réduire les coûts et augmenter l'efficacité.D'autre part, le processus de soudage des languettes est supprimé, l'efficacité de la production est améliorée et le taux de défauts provoqués par le soudage peut être réduit en même temps.
Diagramme schématique de la structure monopôle et complet
2. Combiné avec la technologie CTC
De manière générale, plus la taille de la batterie est grande, moins il faut installer de batteries dans le même véhicule.Avec 18 650 cellules, une Tesla a besoin de 7 100 cellules.Si vous utilisez des piles 4680, vous n'aurez besoin que de 900 piles.
Moins il y a de batteries, plus elles peuvent être assemblées rapidement, plus l'efficacité est élevée, moins il y a de risques de problèmes dans les maillons intermédiaires et moins le prix est bas.Selon Tesla, le grand 4680 peut réduire le prix de production des batteries de 14 %.
Afin d'améliorer la densité énergétique du pack batterie, la batterie 4680 sera associée à la technologie CTC (Cell to Chassis).Il s’agit d’intégrer les cellules de batterie directement dans le châssis.En retirant complètement les modules et les batteries, les cellules de la batterie deviennent plus compactes, le nombre de pièces de batterie sera considérablement réduit et l'utilisation de l'espace du châssis sera également grandement améliorée.
CTC a certaines exigences concernant la résistance structurelle de la batterie. La batterie elle-même doit supporter une grande résistance mécanique. Par rapport aux batteries 18650 et 2170, la batterie unique 4680 a une résistance structurelle plus grande et une résistance structurelle plus élevée, et la batterie à coque carrée générale est une coque en aluminium. La coque du 4680 est en acier inoxydable et la résistance structurelle inhérente est garantie.
Par rapport à la batterie à coque carrée, la disposition de la batterie cylindrique sera plus flexible, pourra s'adapter à une variété de châssis différents et pourra être mieux combinée avec le site.
Selon les recherches et le jugement de « EMF », la technologie CTC est la tuyère des véhicules à énergie nouvelle en 2022, et c'est aussi une bifurcation sur la route.
L'intégration de la batterie dans la carrosserie peut rendre l'entretien du véhicule extrêmement compliqué et la batterie est difficile à remplacer indépendamment.Les prix du service après-vente augmenteront et ces coûts seront directement répercutés sur les consommateurs, comme les frais d'assurance.Bien que Musk affirme avoir conçu des rails de réparation qui peuvent être coupés et remplacés, il faudra du temps pour voir dans quelle mesure cela fonctionnera.
De nombreux constructeurs automobiles ont proposé leurs propres solutions techniques CTC, car elles réorganisent non seulement la batterie, mais nécessitent également de modifier la structure de la carrosserie.Ceci est lié à la redistribution du travail dans la chaîne d’approvisionnement des industries connexes.
CTC n’est qu’une voie technique.Il s'agit d'un corps de batterie intégré, démontage inchangé.Il existe une autre technologie en face : l’échange de batterie.La technologie d'échange de batterie est facile à démonter, mais la batterie contribue grandement à sa résistance.Le choix de ces deux voies est un jeu entre les fournisseurs de batteries et les équipementiers.
Technologie CTC combinée à une batterie 4680
3. Innovation dans le processus de production de batteries, les matériaux de cathode et d'anode
Tesla utilisera le processus d'électrode de batterie sèche. Au lieu d'utiliser un solvant, une petite quantité (environ 5 à 8 %) d'un liant PTFE finement pulvérisé est mélangée à de la poudre d'électrode positive/négative, passée à travers une extrudeuse pour former une fine bande de matériau d'électrode, puis une bande de matériau d'électrode a été laminée sur un collecteur de courant en feuille métallique pour former l'électrode finie.
La batterie ainsi produite est plus respectueuse de l’environnement.Et ce processus augmentera la densité énergétique de la batterie et réduira de 10 fois la consommation d'énergie de production.La technologie des électrodes sèches est susceptible de devenir la référence technologique pour la prochaine génération.
Technologie d'électrode sèche de batterie Tesla 4680
En ce qui concerne les matériaux cathodiques, Tesla a déclaré qu'elle supprimerait également l'élément cobalt de la cathode.Le cobalt est cher et rare.Il ne peut être extrait que dans très peu de pays dans le monde, ou dans des pays africains instables comme le Congo.Si la batterie peut réellement éliminer l'élément cobalt, on peut dire qu'il s'agit d'une innovation technologique majeure.
Cobalt
En termes de matériaux d'anode, Tesla commencera par des matériaux en silicium et utilisera davantage de silicium pour remplacer le graphite actuellement utilisé.La capacité spécifique théorique de l'électrode négative à base de silicium atteint 4 200 mAh/g, soit dix fois supérieure à celle de l'électrode négative en graphite.Cependant, les électrodes négatives à base de silicium présentent également des problèmes tels qu'une expansion volumique facile du silicium, une mauvaise conductivité électrique et une perte de charge-décharge initiale importante.
Par conséquent, l'amélioration des performances des matériaux consiste en fait à trouver un équilibre entre densité d'énergie et stabilité, et les produits d'anodes actuels à base de silicium sont dopés avec du silicium et du graphite pour une utilisation composite.
Tesla prévoit de modifier fondamentalement la malléabilité de la surface en silicium pour la rendre moins sujette à la casse, une technologie qui permet non seulement aux batteries de se charger plus rapidement, mais qui augmente également leur durée de vie de 20 %.Tesla a baptisé le nouveau matériau « Tesla Silicon » et le coût est de 1,2 $/KWh, ce qui ne représente qu'un dixième du processus de silicium structuré existant.
Les anodes à base de silicium sont considérées comme les matériaux d'anodes pour batteries au lithium de nouvelle génération.
Quelques modèles sur le marché ont commencé à utiliser des matériaux d'anode à base de silicium.Des modèles tels que le Tesla Model 3 intègrent déjà de petites quantités de silicium dans l'électrode négative.Récemment, le modèle GAC AION LX Plus a été lancé. La version Qianli est équipée d'une technologie de batterie à puce d'anode en silicium spongieux, qui peut atteindre 1 000 kilomètres d'autonomie.
Anode de silicium de la batterie 4680
Pour résumer les avantages de la technologie de batterie 4680, c’est qu’elle peut améliorer les performances tout en réduisant les coûts.
3. L’impact considérable des batteries 4680
La batterie 4680 n’est pas une révolution technologique subversive, ni une percée en matière de densité énergétique, mais plutôt une innovation dans la technologie des procédés.
Cependant, sous l'impulsion de Tesla, compte tenu du modèle actuel du nouveau marché de l'énergie, la production de 4 680 batteries modifiera le modèle de batterie existant.L’industrie déclenchera inévitablement une vague de batteries cylindriques à grand volume.
Selon certaines informations, Panasonic prévoit de démarrer la production en série de 4 680 batteries de grande capacité pour Tesla au début de 2023.Le nouvel investissement s'élèvera à 80 milliards de yens (environ 704 millions de dollars américains).Samsung SDI et LG Energy ont également rejoint le développement de la batterie 4680.
Au niveau national, Yiwei Lithium Energy a annoncé que sa filiale Yiwei Power prévoyait de construire une grande ligne de production de batteries cylindriques de 20 GWh pour les véhicules de tourisme dans la zone de haute technologie de Jingmen. BAK Battery et Honeycomb Energy entreront également dans le domaine des grosses batteries cylindriques. BMW et CATL déploient également activement de grandes batteries cylindriques, et le modèle de base a été déterminé.
Disposition des batteries cylindriques des fabricants de batteries
Quatrièmement, la force électromotrice a quelque chose à dire
L’innovation structurelle de la grande batterie cylindrique favorisera sans aucun doute le développement de l’industrie des batteries de puissance. Ce n'est pas aussi simple que de simplement passer de la 5ème batterie à la 1ère batterie. Son corps gras pose de grandes questions.
Le coût de la batterie représente près de 40 % du coût de l’ensemble du véhicule. L’importance de la batterie en tant que « cœur » est évidente.Cependant, avec la popularité des véhicules à énergie nouvelle, la demande de batteries augmente de jour en jour et le prix des matériaux augmente. L’innovation en matière de batteries est devenue un moyen important de développement pour les constructeurs automobiles.
Avec le développement des technologies liées aux batteries, des véhicules électriques abordables approchent à grands pas !
Heure de publication : 13 juin 2022