BYD のブレード バッテリーから Honeycomb Energy のコバルトフリー バッテリー、そして CATL 時代のナトリウム イオン バッテリーに至るまで、パワー バッテリー業界は継続的な革新を経験してきました。 2020 年 9 月 23 日 - テスラ バッテリー デー、テスラ CEO イーロン マスクは新しいバッテリー、4680 バッテリーを世界に披露しました。
以前は、円筒型リチウム電池のサイズは主に 18650 と 21700 で、21700 のエネルギーは 18650 より 50% 増加していました。4680 バッテリーは 21700 バッテリーの 5 倍のセル容量を持ち、新しいバッテリーによりキロワット時あたりのコストが約 14% 削減され、航続距離が 16% 増加します。
マスク氏は、このバッテリーにより2万5000ドルの電気自動車が可能になると率直に述べた。
では、この脅威的なバッテリーはどこから来たのでしょうか?次に、それらを一つずつ分析していきます。
1. 4680 バッテリーとは何ですか?
テスラの動力電池の命名方法は非常にシンプルかつ明快です。4680 バッテリーは、名前が示すように、単セルの直径 46 mm、高さ 80 mm の円筒形バッテリーです。
3 つの異なるサイズの円筒型リチウムイオン電池
写真からわかるように、テスラのオリジナルの18650バッテリーや21700バッテリーと比較すると、4680バッテリーは背が高くて屈強な男性のように見えます。
しかし、4680バッテリーは単なるサイズ変更ではなく、テスラは性能を向上させるために多くの新技術を組み込んでいる。
第二に、4680バッテリーの新技術
1. 無電極耳デザイン
直感的に、4680 の最大の感触は、より大きいということです。では、なぜ他のメーカーはこれまでバッテリーを大きくしなかったのか。これは、体積が大きくなり、エネルギーが高くなるほど、熱の制御が難しくなり、燃焼や爆発による安全上の脅威が大きくなるからです。
テスラもこれを考慮しているようだ。
以前の円筒形バッテリーと比較して、4680 バッテリーの最大の構造革新は、フル ラグとも呼ばれる無電極ラグです。従来の円筒形電池では、正極と負極の銅箔とアルミニウム箔セパレータが重ねられて巻かれています。電極を引き出すために、銅箔とアルミ箔の両端にタブと呼ばれるリード線を溶接します。
従来の 1860 バッテリーの巻き取り長さは 800mm です。導電性の高い銅箔を例にとると、銅箔から電気を引き出すタブの長さは800mmで、これは800mmの長さのワイヤに流れる電流に相当します。
計算すると抵抗は約20mΩ、2170電池の巻き長は約1000mm、抵抗は約23mΩとなります。同じ厚さのフィルムを4680バッテリーに巻き取る必要があることは簡単に換算でき、巻き取り長さは約3800mmとなります。
巻き取り長さを長くすると多くのデメリットがあります。電子はバッテリーの両端のタブに到達するまでに長い距離を移動する必要があり、抵抗が増加し、バッテリーが熱くなりやすくなります。バッテリーの性能が低下し、安全上の問題が発生することもあります。電子の移動距離を短縮するために、4680 バッテリーは無電極イヤー技術を採用しています。
無電極タブにはタブがありませんが、集電体全体がタブに変わり、導電経路はタブに依存しなくなり、電流はタブに沿った横方向の伝達から集電板を経て、縦方向の伝達に伝達されます。集電装置。
導電性全体の長さは、1860 または 2170 銅箔の長さの 800 ～ 1000 mm から 80 mm (バッテリーの高さ) に変更されました。抵抗は 2mΩ に減少し、内部抵抗消費量は 2W から 0.2W に減少し、直接的には 1 桁減少します。
この設計により、バッテリーのインピーダンスが大幅に低下し、円筒型バッテリーの発熱の問題が解決されます。
一方で、無電極イヤー技術は電流伝導面積を増加させ、電流伝導距離を短縮し、バッテリーの内部抵抗を大幅に減少させます。内部抵抗の減少により、電流オフセット現象が減少し、バッテリー寿命が延びます。抵抗の低減により発熱も低減され、電極の導電性コーティング層とバッテリーエンドキャップ間の有効接触面積が 100% に達し、放熱能力が向上します。
4680 バッテリーは、セル構造の点で新しいタイプの無電極イヤー技術を採用しており、コストを削減し、効率を向上させることができます。一方、タブの溶接工程が省略され、生産効率が向上すると同時に、溶接による不良率も低減することができる。
モノポール構造とフルポール構造の模式図
2. CTC技術との融合
一般的に、バッテリーのサイズが大きくなるほど、同じ車両に搭載する必要のあるバッテリーの数は少なくなります。18650 セルの場合、テスラには 7100 セルが必要です。4680 個の電池を使用する場合、必要な電池は 900 個だけです。
バッテリーの数が少ないほど、組み立てが速くなり、効率が高くなり、中間リンクで問題が発生する可能性が減り、価格が安くなります。テスラによると、大型の４６８０は電池の生産価格を１４％削減できるという。
バッテリーパックのエネルギー密度を向上させるために、4680 バッテリーは CTC (Cell to Chassis) テクノロジーと組み合わされます。それはバッテリーセルをシャーシに直接統合することです。モジュールとバッテリーパックを完全に取り除くことで、バッテリーセルがよりコンパクトになり、バッテリー部品の数が大幅に削減され、シャーシのスペース利用率も大幅に向上します。
CTC には、バッテリーの構造強度に関して特定の要件があります。バッテリー自体はかなりの機械的強度に耐える必要があります。 18650および2170バッテリーと比較して、4680単一バッテリーは構造強度が大きく、構造強度が高く、一般的な角型シェルバッテリーはアルミニウムシェルです。 4680 シェルはステンレス鋼で作られており、固有の構造強度が保証されています。
角型シェルバッテリーと比較して、円筒型バッテリーのレイアウトはより柔軟で、さまざまなシャーシに適応でき、現場とよりよく組み合わせることができます。
「EMF」の調査と判断によれば、CTC技術は2022年の新エネルギー車の羽口であり、また分岐点でもある。
バッテリーを車体に組み込むと車両のメンテナンスが非常に複雑になる可能性があり、バッテリーを単独で交換することは困難です。アフターサービスの価格は上昇し、そのコストは保険料など消費者に直接転嫁されることになる。マスク氏は、切断して交換できる修復レールを設計したと主張しているが、それがどれほどうまく機能するかを確認するには時間がかかるだろう。
多くの自動車会社は、バッテリーを再配置するだけでなく、ボディ構造も変更する必要があるため、独自の CTC 技術ソリューションを提案しています。これは、関連産業のサプライチェーンにおける分業の再分割に関連しています。
CTCは単なるテクニカルなルートです。バッテリー本体一体型、分解そのままです。その反対側には、バッテリー交換という別のテクノロジーがあります。バッテリー交換技術は分解が簡単ですが、バッテリーはバッテリーの強度に大きく貢献します。この 2 つのルートをどのように選択するかは、バッテリー サプライヤーと OEM の間の勝負です。
CTC テクノロジーと 4680 バッテリーの組み合わせ
3. 電池製造プロセス、正極および負極材料の革新
テスラは、溶媒を使用する代わりに、少量（約 5 ～ 8%）の微粉末 PTFE バインダーを正/負電極粉末と混合し、押出機に通して薄いストリップを形成する乾電池電極プロセスを使用します。次に、電極材料のストリップを金属箔集電体に積層して、完成した電極を形成した。
この方法で製造されたバッテリーは、より環境に優しいものになります。このプロセスにより、バッテリーのエネルギー密度が向上し、生産時のエネルギー消費が 10 分の 1 に削減されます。乾式電極技術は、次世代の技術ベンチマークとなる可能性があります。
Tesla 4680 バッテリー乾式電極技術
正極材料に関しては、テスラは正極に含まれるコバルト元素も除去すると述べた。コバルトは高価で希少です。世界中のごく限られた国、またはコンゴのような不安定なアフリカ諸国でのみ採掘できます。本当に電池からコバルト元素を除去できれば、大きな技術革新と言えるでしょう。
コバルト
陽極材料に関して、テスラはシリコン材料から開始し、現在使用されているグラファイトの代わりにシリコンをさらに使用する予定です。シリコン系負極の理論比容量は4200mAh/gと高く、黒鉛負極の10倍です。しかし、シリコン系負極には、シリコンが体積膨張しやすい、導電性が悪い、初回充放電ロスが大きいなどの問題もありました。
したがって、材料の性能向上は実際にはエネルギー密度と安定性のバランスを見つけることであり、現在のシリコンベースのアノード製品には複合用途のためにシリコンとグラファイトがドープされています。
テスラは、シリコン表面の展性を根本的に変えて破損しにくくする計画を立てており、この技術によりバッテリーの充電が速くなるだけでなく、バッテリー寿命も20％延びるという。テスラはこの新材料を「テスラシリコン」と名付け、コストは1.2ドル/KWhで、既存の構造化シリコンプロセスのわずか10分の1である。
シリコンベースの負極は、次世代のリチウム電池の負極材料とみなされています。
市場に出回っているいくつかのモデルでは、シリコンベースの陽極材料が使用され始めています。Tesla Model 3 などのモデルには、すでに負極に少量のシリコンが組み込まれています。最近、GAC AION LX Plus モデルが発売されました。 Qianli バージョンにはスポンジ シリコン アノード チップ バッテリー技術が搭載されており、1,000 キロメートルのバッテリー寿命を達成できます。
4680バッテリーシリコンアノード
4680 バッテリー テクノロジーの利点を要約すると、コストを削減しながらパフォーマンスを向上できるということです。
3. 4680 バッテリーの広範囲にわたる影響
4680 バッテリーは破壊的な技術革命でも、エネルギー密度の画期的な進歩でもありませんが、むしろプロセス技術の革新です。
しかし、テスラ主導の新エネルギー市場の現在のパターンでは、4680 バッテリーの生産により既存のバッテリー パターンが変更されます。業界が大容量円筒型電池の波を起こすことは避けられない。
報道によると、パナソニックは2023年初めにテスラ向けに4680個の大容量電池の量産を開始する予定。新たな投資額は800億円（約7億400万米ドル）に達する。Samsung SDI と LG Energy も 4680 バッテリーの開発に参加しています。
国内では、宜威リチウムエネルギーは、子会社の宜威電力が荊門高新区に20GWhの乗用車用大型円筒型電池生産ラインを建設する計画であると発表した。 BAKバッテリーとハニカムエナジーも大型円筒型電池の分野に参入する。 BMWやCATLも大型円筒型電池を積極展開しており、基本パターンは決まっている。
電池メーカーの円筒型電池レイアウト
第四に、起電力には意味がある
大型円筒形電池の構造革新は、間違いなく動力電池産業の発展を促進するでしょう。 5 番目のバッテリーから 1 番目のバッテリーにアップグレードするほど単純ではありません。その太った体には大きな疑問があります。
バッテリーのコストは車両全体のコストの 40% 近くになります。バッテリーが「心臓」であることの重要性は自明の理です。しかし、新エネルギー車の普及に伴い、電池の需要は日に日に増加しており、材料価格も高騰しています。バッテリーの革新は、自動車会社にとって重要な発展方法となっています。
バッテリー関連技術の発展により、手頃な価格の電気自動車がすぐそこまで来ています。
投稿日時: 2022 年 6 月 13 日