Dalla batteria a lama di BYD, alla batteria senza cobalto di Honeycomb Energy, fino alla batteria agli ioni di sodio dell'era CATL, l'industria delle batterie di alimentazione ha sperimentato una continua innovazione. 23 settembre 2020 - Tesla Battery Day, il CEO di Tesla Elon Musk ha mostrato al mondo una nuova batteria: la batteria 4680.
In precedenza, le dimensioni delle batterie al litio cilindriche erano principalmente 18650 e 21700 e la 21700 aveva il 50% di energia in più rispetto alla 18650.La batteria 4680 ha cinque volte la capacità della batteria 21700 e la nuova batteria può ridurre il costo per kilowattora di circa il 14% e aumentare l’autonomia di crociera del 16%.
Musk ha dichiarato senza mezzi termini che questa batteria renderà possibile un’auto elettrica da 25.000 dollari.
Allora, da dove viene questa minacciosa batteria?Successivamente, li analizzeremo uno per uno.
1. Cos'è una batteria 4680?
Il modo in cui Tesla chiama le batterie di alimentazione è molto semplice e diretto.La batteria 4680, come suggerisce il nome, è una batteria cilindrica con un diametro di una singola cella di 46 mm e un'altezza di 80 mm.
Tre diverse dimensioni di batterie cilindriche agli ioni di litio
Come si può vedere dall'immagine, rispetto alla batteria originale 18650 e alla batteria 21700 di Tesla, la batteria 4680 sembra un uomo alto e forte.
Ma la batteria 4680 non rappresenta solo un cambiamento di dimensioni: Tesla ha incorporato molte nuove tecnologie per migliorare le prestazioni.
In secondo luogo, la nuova tecnologia della batteria 4680
1. Design dell'orecchio senza elettrodi
Intuitivamente, la sensazione più grande del 4680 è che sia più grande.Allora perché altri produttori non hanno realizzato batterie più grandi in passato?Questo perché maggiore è il volume e maggiore è l'energia, il calore è più difficile da controllare e maggiore è la minaccia alla sicurezza derivante da incendi ed esplosioni.
A quanto pare Tesla ha preso in considerazione anche questo.
Rispetto alla precedente batteria cilindrica, la più grande innovazione strutturale della batteria 4680 è il capocorda senza elettrodi, noto anche come capocorda completo.In una batteria cilindrica tradizionale, i fogli di rame positivi e negativi e il separatore di fogli di alluminio sono impilati e avvolti. Per estrarre gli elettrodi, un filo conduttore chiamato linguetta viene saldato alle due estremità del foglio di rame e del foglio di alluminio.
La lunghezza di avvolgimento di una batteria tradizionale 1860 è di 800 mm. Prendendo come esempio il foglio di rame con una migliore conduttività, la lunghezza delle linguette per far uscire l'elettricità dal foglio di rame è di 800 mm, che equivale alla corrente che passa attraverso il filo lungo 800 mm.
Secondo i calcoli, la resistenza è di circa 20 mΩ, la lunghezza dell'avvolgimento della batteria 2170 è di circa 1000 mm e la resistenza è di circa 23 mΩ.Può essere facilmente convertito in modo che la pellicola dello stesso spessore debba essere arrotolata in una batteria 4680 e la lunghezza di avvolgimento sia di circa 3800 mm.
Ci sono molti svantaggi nell'aumentare la lunghezza dell'avvolgimento. Gli elettroni devono percorrere una distanza maggiore per raggiungere le linguette su entrambe le estremità della batteria, la resistenza aumenterà e la batteria sarà più incline al calore.Le prestazioni della batteria peggioreranno e creeranno persino problemi di sicurezza.Per ridurre la distanza percorsa dagli elettroni, la batteria 4680 utilizza la tecnologia auricolare senza elettrodi.
La linguetta senza elettrodi non ha linguette, ma trasforma l'intero collettore di corrente in una linguetta, il percorso conduttivo non dipende più dalla linguetta e la corrente viene trasferita dalla trasmissione laterale lungo la linguetta alla piastra del collettore alla trasmissione longitudinale di l'attuale collezionista.
L'intera lunghezza conduttiva è cambiata da 800 a 1000 mm della lunghezza della lamina di rame 1860 o 2170 a 80 mm (altezza della batteria).La resistenza è ridotta a 2 mΩ e il consumo della resistenza interna è ridotto da 2 W a 0,2 W, che viene ridotto direttamente di un ordine di grandezza.
Questo design riduce notevolmente l'impedenza della batteria e risolve il problema del riscaldamento della batteria cilindrica.
Da un lato, la tecnologia dell'orecchio senza elettrodi aumenta l'area di conduzione della corrente, accorcia la distanza di conduzione della corrente e riduce notevolmente la resistenza interna della batteria; la riduzione della resistenza interna può ridurre il fenomeno dell'offset di corrente e prolungare la durata della batteria; la riduzione della resistenza può anche ridurre la generazione di calore e il rivestimento conduttivo dell'elettrodo. L'area di contatto effettiva tra lo strato e il cappuccio terminale della batteria può raggiungere il 100%, il che può migliorare la capacità di dissipazione del calore.
La batteria 4680 adotta un nuovo tipo di tecnologia auricolare senza elettrodi in termini di struttura cellulare, che può ridurre i costi e aumentare l'efficienza.D'altro canto, il processo di saldatura delle linguette viene eliminato, l'efficienza produttiva viene migliorata e allo stesso tempo il tasso di difetti causati dalla saldatura può essere ridotto.
Diagramma schematico della struttura monopolare e a polo intero
2. Combinato con la tecnologia CTC
In generale, maggiore è la dimensione della batteria, minore sarà il numero di batterie da installare nello stesso veicolo.Con 18650 celle, una Tesla ha bisogno di 7100 celle.Se usi le batterie 4680, ti serviranno solo 900 batterie.
Meno batterie sono, più velocemente possono essere assemblate, maggiore è l'efficienza, minore è la possibilità di problemi nei collegamenti intermedi e più basso è il prezzo.Secondo Tesla, la grande 4680 può ridurre il prezzo di produzione delle batterie del 14%.
Per migliorare la densità energetica del pacco batterie, la batteria 4680 sarà combinata con la tecnologia CTC (Cell to Chassis).Si tratta di integrare le celle della batteria direttamente nel telaio.Rimuovendo completamente i moduli e i pacchi batteria, le celle della batteria diventeranno più compatte, il numero di parti della batteria sarà notevolmente ridotto e anche l'utilizzo dello spazio del telaio sarà notevolmente migliorato.
CTC ha determinati requisiti sulla resistenza strutturale della batteria. La batteria stessa deve sopportare molta resistenza meccanica. Rispetto alle batterie 18650 e 2170, la batteria singola 4680 ha una maggiore resistenza strutturale e una maggiore resistenza strutturale, e la batteria generale a guscio quadrato è un guscio di alluminio. La scocca del 4680 è realizzata in acciaio inossidabile e la resistenza strutturale intrinseca è garantita.
Rispetto alla batteria a guscio quadrato, il layout della batteria cilindrica sarà più flessibile, potrà adattarsi a una varietà di telai diversi e potrà essere meglio combinato con il sito.
Secondo la ricerca e il giudizio di “EMF”, la tecnologia CTC è la chiave dei veicoli a nuova energia nel 2022, ed è anche un bivio.
L'integrazione della batteria nella carrozzeria può rendere estremamente complicata la manutenzione del veicolo ed è difficile sostituire la batteria in modo indipendente.I prezzi dei servizi post-vendita aumenteranno e questi costi, come i costi assicurativi, verranno trasferiti direttamente ai consumatori.Sebbene Musk affermi di aver progettato binari di riparazione che possono essere tagliati e sostituiti, ci vorrà del tempo per vedere come funzionerà.
Molte case automobilistiche hanno proposto le proprie soluzioni tecniche CTC, perché non solo riorganizza la batteria, ma deve anche modificare la struttura della carrozzeria.Ciò è legato alla ri-divisione del lavoro nella catena di fornitura delle industrie correlate.
CTC è solo un percorso tecnico.È un corpo batteria integrato, smontaggio invariato.C’è un’altra tecnologia di fronte ad essa: lo scambio della batteria.La tecnologia di scambio della batteria è facile da smontare, ma la batteria fornisce un grande contributo alla resistenza della batteria.Come scegliere questi due percorsi è un gioco tra fornitori di batterie e OEM.
Tecnologia CTC abbinata alla batteria 4680
3. Innovazione nel processo di produzione delle batterie, nei materiali catodici e anodici
Tesla utilizzerà il processo con elettrodo a batteria a secco, invece di utilizzare un solvente, una piccola quantità (circa 5-8%) di un legante PTFE finemente polverizzato viene miscelato con polvere di elettrodo positivo/negativo, fatto passare attraverso un estrusore per formare una sottile striscia di materiale dell'elettrodo, quindi una striscia di materiale dell'elettrodo è stata laminata su un collettore di corrente in lamina metallica per formare l'elettrodo finito.
La batteria prodotta in questo modo è più rispettosa dell'ambiente.E questo processo aumenterà la densità energetica della batteria e ridurrà il consumo energetico di produzione di 10 volte.La tecnologia degli elettrodi a secco diventerà probabilmente il punto di riferimento tecnologico per la prossima generazione.
Tecnologia dell'elettrodo secco della batteria Tesla 4680
In termini di materiali catodici, Tesla ha affermato che rimuoverà anche l’elemento di cobalto nel catodo.Il cobalto è costoso e scarso.Può essere estratto solo in pochissimi paesi al mondo o in paesi africani instabili come il Congo.Se la batteria riuscisse davvero a rimuovere l’elemento di cobalto, si potrebbe dire che si tratterebbe di un’importante innovazione tecnologica.
Cobalto
In termini di materiali anodici, Tesla inizierà con materiali in silicio e utilizzerà più silicio per sostituire la grafite attualmente utilizzata.La capacità specifica teorica dell'elettrodo negativo a base di silicio è pari a 4200 mAh/g, ovvero dieci volte superiore a quella dell'elettrodo negativo in grafite.Tuttavia, gli elettrodi negativi a base di silicio presentano anche problemi come una facile espansione del volume del silicio, una scarsa conduttività elettrica e una grande perdita iniziale di carica-scarica.
Pertanto, il miglioramento delle prestazioni dei materiali consiste effettivamente nel trovare un equilibrio tra densità di energia e stabilità, e gli attuali prodotti anodici a base di silicio sono drogati con silicio e grafite per uso composito.
Tesla prevede di modificare radicalmente la malleabilità della superficie del silicio per renderla meno soggetta a rotture, una tecnologia che non solo consente alle batterie di caricarsi più velocemente, ma ne aumenta anche la durata del 20%.Tesla ha chiamato il nuovo materiale “Tesla Silicon” e il costo è di 1,2 dollari/KWh, ovvero solo un decimo del processo di silicio strutturato esistente.
Gli anodi a base di silicio sono considerati i materiali anodici delle batterie al litio di prossima generazione.
Alcuni modelli sul mercato hanno iniziato a utilizzare materiali anodici a base di silicio.Modelli come il Tesla Model 3 incorporano già piccole quantità di silicio nell’elettrodo negativo.Recentemente è stato lanciato il modello GAC AION LX Plus. La versione Qianli è dotata della tecnologia della batteria con chip anodico in silicio spugnoso, che può raggiungere 1.000 chilometri di durata della batteria.
Anodo di silicio per batteria 4680
Riassumendo i vantaggi della tecnologia delle batterie 4680 è che può migliorare le prestazioni riducendo i costi.
3. L'impatto di vasta portata delle batterie 4680
La batteria 4680 non rappresenta una rivoluzione tecnologica sovversiva, né una svolta nella densità energetica, ma piuttosto un’innovazione nella tecnologia di processo.
Tuttavia, su spinta di Tesla, per l’attuale modello del nuovo mercato energetico, la produzione di 4680 batterie cambierà il modello di batterie esistente.L’industria scatenerà inevitabilmente un’ondata di batterie cilindriche di grandi volumi.
Secondo i rapporti, Panasonic prevede di avviare la produzione in serie di 4680 batterie di grande capacità per Tesla all’inizio del 2023.Il nuovo investimento ammonterà a 80 miliardi di yen (circa 704 milioni di dollari).Anche Samsung SDI e LG Energy hanno collaborato allo sviluppo della batteria 4680.
A livello nazionale, Yiwei Lithium Energy ha annunciato che la sua controllata Yiwei Power prevede di costruire una linea di produzione di batterie cilindriche di grandi dimensioni da 20 GWh per veicoli passeggeri nella zona high-tech di Jingmen. Anche BAK Battery e Honeycomb Energy entreranno nel campo delle batterie cilindriche di grandi dimensioni. Anche BMW e CATL stanno implementando attivamente batterie cilindriche di grandi dimensioni e il modello di base è stato determinato.
Layout della batteria cilindrica dei produttori di batterie
In quarto luogo, la forza elettromotrice ha qualcosa da dire
L'innovazione strutturale della grande batteria cilindrica promuoverà senza dubbio lo sviluppo del settore delle batterie di potenza. Non è così semplice come passare dalla quinta batteria alla prima batteria. Il suo corpo grasso ha grandi domande.
Il costo della batteria sfiora il 40% del costo dell’intero veicolo. L’importanza della batteria come “cuore” è evidente.Tuttavia, con la popolarità dei veicoli a nuova energia, la domanda di batterie aumenta di giorno in giorno e il prezzo dei materiali aumenta. L’innovazione delle batterie è diventata un modo importante di sviluppo per le aziende automobilistiche.
Con lo sviluppo delle tecnologie legate alle batterie, i veicoli elettrici a prezzi accessibili sono proprio dietro l’angolo!
Orario di pubblicazione: 13 giugno 2022