Desde a batería de láminas de BYD, ata a batería sen cobalto de Honeycomb Energy, e despois ata a batería de ións de sodio da era CATL, a industria das baterías de enerxía experimentou unha innovación continua. 23 de setembro de 2020 - Tesla Battery Day, o CEO de Tesla, Elon Musk, mostrou ao mundo unha nova batería: a batería 4680.
Anteriormente, os tamaños das baterías de litio cilíndricas eran principalmente 18650 e 21700, e 21700 tiñan un 50% máis de enerxía que 18650.A batería 4680 ten cinco veces a capacidade das células da batería 21700, e a nova batería pode reducir o custo por quilovatio-hora nun 14% e aumentar o rango de cruceiro nun 16%.
Musk afirmou sen rodeos que esta batería fará posible un coche eléctrico de 25.000 dólares.
Entón, de onde veu esta batería ameazante?A continuación, analizámolos un por un.
1. Que é unha batería 4680?
A forma de Tesla de nomear as baterías de enerxía é moi sinxela e directa.A batería 4680, como o propio nome indica, é unha batería cilíndrica cun diámetro de célula única de 46 mm e unha altura de 80 mm.
Tres tamaños diferentes de baterías cilíndricas de iones de litio
Como se pode ver na imaxe, en comparación coa batería 18650 e 21700 orixinais de Tesla, a batería 4680 parece un home alto e forte.
Pero a batería 4680 non é só un cambio de tamaño, Tesla incorporou moita tecnoloxía nova para mellorar o rendemento.
En segundo lugar, a nova tecnoloxía de batería 4680
1. Deseño do oído sen electrodos
Intuitivamente, a sensación máis grande do 4680 é que é máis grande.Entón, por que outros fabricantes non aumentaron a batería no pasado.Isto débese a que canto maior sexa o volume e canto maior sexa a enerxía, a calor é máis difícil de controlar e maior é a ameaza de seguridade por queimas e explosións.
Aparentemente, Tesla tamén tivo en conta.
En comparación coa batería cilíndrica anterior, a maior innovación estrutural da batería 4680 é a lengüeta sen eléctrodos, tamén coñecida como lug completa.Nunha batería cilíndrica tradicional, as follas de cobre positivas e negativas e o separador de follas de aluminio apílanse e enrólanse. Para extraer os electrodos, un fío de chumbo chamado pestana está soldado aos dous extremos da folla de cobre e da folla de aluminio.
A lonxitude do enrolamento dunha batería 1860 tradicional é de 800 mm. Tomando como exemplo a folla de cobre con mellor condutividade, a lonxitude das pestanas para sacar a electricidade da folla de cobre é de 800 mm, o que equivale á corrente que atravesa o fío de 800 mm de lonxitude.
Por cálculo, a resistencia é duns 20 mΩ, a lonxitude do enrolamento da batería 2170 é duns 1000 mm e a resistencia é duns 23 mΩ.Pódese converter facilmente que a película do mesmo grosor debe ser enrolada nunha batería 4680 e a lonxitude do enrolamento é duns 3800 mm.
Hai moitas desvantaxes ao aumentar a lonxitude do enrolamento. Os electróns necesitan percorrer unha distancia máis longa para chegar ás pestanas dos dous extremos da batería, a resistencia aumentará e a batería será máis propensa ao calor.O rendemento da batería degradará e mesmo creará problemas de seguridade.Para acurtar a distancia percorrida polos electróns, a batería 4680 utiliza tecnoloxía de oído sen electrodos.
A pestana sen electrodos non ten pestanas, pero converte todo o colector de corrente nunha pestana, o camiño condutor xa non depende da pestana e a corrente transfírese desde a transmisión lateral ao longo da pestana ata a placa colectora ata a transmisión lonxitudinal de o colector actual.
Toda a lonxitude condutora cambiou de 800 a 1000 mm de lonxitude de folla de cobre de 1860 ou 2170 a 80 mm (altura da batería).A resistencia redúcese a 2mΩ e o consumo de resistencia interna redúcese de 2W a 0,2W, que se reduce directamente nunha orde de magnitude.
Este deseño reduce moito a impedancia da batería e resolve o problema de calefacción da batería cilíndrica.
Por unha banda, a tecnoloxía de oído sen electrodos aumenta a área de condución actual, acurta a distancia de condución actual e reduce moito a resistencia interna da batería; a redución da resistencia interna pode reducir o fenómeno de compensación actual e prolongar a vida útil da batería; a redución da resistencia tamén pode reducir a xeración de calor e o revestimento condutor do electrodo A área de contacto efectiva entre a capa e a tapa do extremo da batería pode chegar ao 100%, o que pode mellorar a capacidade de disipación de calor.
A batería 4680 adopta un novo tipo de tecnoloxía de oído sen electrodos en termos de estrutura celular, que pode reducir custos e aumentar a eficiencia.Por outra banda, omítese o proceso de soldadura das pestanas, mellórase a eficiencia da produción e, ao mesmo tempo, pódese reducir a taxa de defectos causados pola soldadura.
Diagrama esquemático da estrutura monopolo e polo completo
2. Combinado coa tecnoloxía CTC
En xeral, canto maior sexa o tamaño da batería, menos baterías hai que instalar no mesmo vehículo.Con 18650 celas, un Tesla necesita 7100 celas.Se usas 4680 baterías, só necesitas 900 baterías.
Canto menos baterías, máis rápido se poden montar, maior eficiencia, menor probabilidade de problemas nos enlaces intermedios e menor prezo.Segundo Tesla, o gran 4680 pode reducir o prezo de produción das baterías nun 14%.
Para mellorar a densidade de enerxía da batería, a batería 4680 combinarase coa tecnoloxía CTC (Cell to Chassis).Trátase de integrar as células da batería directamente no chasis.Ao eliminar completamente os módulos e os paquetes de baterías, as células da batería fanse máis compactas, o número de pezas da batería reducirase moito e a utilización do espazo do chasis tamén mellorarase moito.
CTC ten certos requisitos sobre a resistencia estrutural da batería. A propia batería ten que soportar moita resistencia mecánica. En comparación coas baterías 18650 e 2170, a batería única 4680 ten unha maior resistencia estrutural e unha maior resistencia estrutural, e a batería de carcasa cadrada xeral é unha carcasa de aluminio. A carcasa 4680 está feita de aceiro inoxidable e a resistencia estrutural inherente está garantida.
En comparación coa batería de carcasa cadrada, a disposición da batería cilíndrica será máis flexible, pode adaptarse a unha variedade de chasis diferentes e pode combinarse mellor co sitio.
Segundo a investigación e o xuízo de "EMF", a tecnoloxía CTC é a base dos vehículos de nova enerxía en 2022, e tamén é unha bifurcación na estrada.
A integración da batería no corpo pode complicar moito o mantemento do vehículo e a batería é difícil de substituír de forma independente.Os prezos do servizo posvenda aumentarán e estes custos repercutiranse directamente sobre os consumidores, como os custos dos seguros.Aínda que Musk afirma que deseñaron carrís de reparación que se poden cortar e substituír, levará tempo ver o ben que funcionará.
Moitas empresas de automóbiles propuxeron as súas propias solucións técnicas CTC, porque non só reorganiza a batería, senón que tamén necesita cambiar a estrutura da carrocería.Isto está relacionado coa re-división do traballo na cadea de subministración de industrias relacionadas.
CTC é só unha vía técnica.É un corpo de batería integrado, desmontaxe sen cambios.Hai outra tecnoloxía fronte a ela: o intercambio de batería.A tecnoloxía de intercambio de batería é fácil de desmontar, pero a batería fai unha gran contribución á forza da batería.Como escoller estas dúas rutas é un xogo entre provedores de baterías e OEM.
Tecnoloxía CTC combinada coa batería 4680
3. Innovación no proceso de produción de baterías, materiais de cátodo e ánodo
Tesla utilizará o proceso de electrodo de batería seca, en lugar de usar un disolvente, unha pequena cantidade (aproximadamente 5-8%) dun aglutinante de PTFE en po fino mestúrase con po de electrodo positivo/negativo, pásase a través dunha extrusora para formar unha tira fina de material do electrodo e, a continuación, laminouse unha tira de material do electrodo nun colector de corrente de folla metálica para formar o electrodo acabado.
A batería producida deste xeito é máis respectuosa co medio ambiente.E este proceso aumentará a densidade de enerxía da batería e reducirá o consumo de enerxía da produción en 10 veces.É probable que a tecnoloxía de electrodos secos se converta no referente tecnolóxico para a próxima xeración.
Tecnoloxía de electrodos secos de batería Tesla 4680
En canto aos materiais do cátodo, Tesla dixo que tamén eliminará o elemento cobalto do cátodo.O cobalto é caro e escaso.Só se pode extraer en moi poucos países do mundo, ou en países africanos inestables como o Congo.Se a batería realmente pode eliminar o elemento cobalto, pódese dicir que é unha gran innovación tecnolóxica.
Cobalto
En canto aos materiais de ánodo, Tesla comezará con materiais de silicio e utilizará máis silicio para substituír o grafito que se usa actualmente.A capacidade específica teórica do electrodo negativo baseado en silicio é de 4200 mAh/g, que é dez veces maior que a do electrodo negativo de grafito.Non obstante, os electrodos negativos baseados en silicio tamén teñen problemas como a fácil expansión do volume do silicio, unha condutividade eléctrica deficiente e unha gran perda inicial de carga e descarga.
Polo tanto, a mellora do rendemento dos materiais consiste en atopar un equilibrio entre a densidade de enerxía e a estabilidade, e os actuais produtos ánodos a base de silicio están dopados con silicio e grafito para o seu uso en compostos.
Tesla planea cambiar fundamentalmente a maleabilidade da superficie de silicio para facela menos propensa á rotura, unha tecnoloxía que non só permite que as baterías se carguen máis rápido, senón que tamén aumenta a súa duración nun 20 por cento.Tesla chamou o novo material "Tesla Silicon" e o custo é de 1,2 $/KWh, que é só unha décima parte do proceso de silicio estruturado existente.
Os ánodos a base de silicio considéranse como os materiais ánodos de batería de litio de nova xeración.
Algúns modelos no mercado comezaron a utilizar materiais de ánodo a base de silicio.Modelos como o Tesla Model 3 xa incorporan pequenas cantidades de silicio no electrodo negativo.Recentemente lanzouse o modelo GAC AION LX Plus. A versión Qianli está equipada con tecnoloxía de batería con chip de ánodo de silicio esponxa, que pode alcanzar 1.000 quilómetros de duración da batería.
4680 batería ánodo de silicona
Para resumir as vantaxes da tecnoloxía de batería 4680 é que pode mellorar o rendemento reducindo os custos.
3. O impacto de gran alcance das baterías 4680
A batería 4680 non é unha revolución tecnolóxica subversiva, nin un avance na densidade de enerxía, senón máis unha innovación na tecnoloxía de procesos.
Non obstante, impulsado por Tesla, para o patrón actual do novo mercado enerxético, a produción de baterías 4680 cambiará o patrón de batería existente.A industria inevitablemente desencadeará unha onda de baterías cilíndricas de gran volume.
Segundo os informes, Panasonic planea comezar a produción en masa de 4680 baterías de gran capacidade para Tesla a principios de 2023.O novo investimento ascenderá a 80.000 millóns de iens (uns 704 millóns de dólares).Samsung SDI e LG Energy tamén se sumaron ao desenvolvemento da batería 4680.
A nivel nacional, Yiwei Lithium Energy anunciou que a súa filial Yiwei Power planea construír unha liña de produción de baterías cilíndricas grande de 20 GWh para vehículos de pasaxeiros na zona de alta tecnoloxía de Jingmen. BAK Battery e Honeycomb Energy tamén entrarán no campo das grandes baterías cilíndricas. BMW e CATL tamén están a implementar activamente grandes baterías cilíndricas e determinouse o patrón básico.
Disposición de baterías cilíndricas dos fabricantes de baterías
En cuarto lugar, a forza electromotriz ten algo que dicir
A innovación estrutural da gran batería cilíndrica promoverá sen dúbida o desenvolvemento da industria da batería de enerxía. Non é tan sinxelo como actualizar da 5ª batería á 1ª batería. O seu corpo gordo ten grandes preguntas.
O custo da batería é preto do 40% do custo de todo o vehículo. A importancia da batería como "corazón" é evidente.Non obstante, coa popularidade dos vehículos de nova enerxía, a demanda de baterías está aumentando día a día e o prezo dos materiais está en aumento. A innovación das baterías converteuse nun camiño importante para que as empresas de automóbiles se desenvolvan.
Co desenvolvemento das tecnoloxías relacionadas coa batería, os vehículos eléctricos asequibles están á volta da esquina.
Hora de publicación: 13-Xun-2022