Sākot ar BYD lāpstiņu akumulatoru un beidzot ar Honeycomb Energy kobaltu nesaturošu akumulatoru un pēc tam CATL laikmeta nātrija jonu akumulatoru, enerģijas akumulatoru nozare ir piedzīvojusi nepārtrauktas inovācijas. 2020. gada 23. septembris — Tesla akumulatora diena, Tesla izpilddirektors Īlons Masks pasaulei parādīja jaunu akumulatoru — 4680 akumulatoru.
Iepriekš cilindrisko litija bateriju izmēri galvenokārt bija 18650 un 21700, un 21700 bija par 50% vairāk enerģijas nekā 18650.4680 akumulatoram ir piecas reizes lielāka šūnu ietilpība nekā 21700 akumulatoram, un jaunais akumulators var samazināt izmaksas par kilovatstundu par aptuveni 14% un palielināt kreisēšanas diapazonu par 16%.
Musks atklāti paziņoja, ka šis akumulators padarīs iespējamu elektrisko automašīnu par 25 000 USD.
Tātad, no kurienes radās šis draudīgais akumulators?Tālāk mēs tos analizējam pa vienam.
1. Kas ir 4680 akumulators?
Tesla veids, kā nosaukt jaudas akumulatorus, ir ļoti vienkāršs un saprotams.4680 akumulators, kā norāda nosaukums, ir cilindrisks akumulators ar vienas šūnas diametru 46 mm un augstumu 80 mm.
Trīs dažādu izmēru litija jonu cilindriskās baterijas
Kā redzams attēlā, salīdzinot ar Teslas oriģinālo 18650 akumulatoru un 21700 akumulatoru, 4680 akumulators izskatās pēc gara un spēcīga vīrieša.
Taču 4680 akumulators nav tikai izmēra maiņa, Tesla ir iekļāvusi daudz jaunu tehnoloģiju, lai uzlabotu veiktspēju.
Otrkārt, jaunā tehnoloģija 4680 akumulatoru
1. Bezelektrodu ausu dizains
Intuitīvi 4680 lielākā sajūta ir tā, ka tas ir lielāks.Tātad, kāpēc citi ražotāji agrāk neizgatavoja akumulatoru lielāku.Tas ir tāpēc, ka jo lielāks ir tilpums un lielāka enerģija, jo grūtāk ir kontrolēt siltumu un jo lielāks ir aizdegšanās un sprādziena draudi drošībai.
Acīmredzot arī Tesla to ir ņēmusi vērā.
Salīdzinot ar iepriekšējo cilindrisko akumulatoru, lielākais 4680 akumulatora strukturālais jauninājums ir bezelektrodu uzgaļa, kas pazīstama arī kā pilna cilpa.Tradicionālā cilindriskā akumulatorā pozitīvā un negatīvā vara folija un alumīnija folijas separators ir sakrautas un uztītas. Lai izvilktu elektrodus, vara folijas un alumīnija folijas abiem galiem tiek piemetināta svina stieple, ko sauc par cilni.
Tradicionālā 1860 akumulatora tinuma garums ir 800 mm. Kā piemēru ņemot vara foliju ar labāku vadītspēju, izciļņu garums, lai izvadītu elektrību no vara folijas, ir 800 mm, kas ir līdzvērtīgs strāvai, kas iet caur 800 mm garo vadu.
Aprēķinot, pretestība ir aptuveni 20 mΩ, 2170 akumulatora tinuma garums ir aptuveni 1000 mm un pretestība ir aptuveni 23 mΩ.To var viegli pārveidot, ka tāda paša biezuma plēve ir jārullē 4680 akumulatorā, un tinuma garums ir aptuveni 3800 mm.
Tinuma garuma palielināšanai ir daudz trūkumu. Elektroniem ir jānobrauc lielāks attālums, lai sasniegtu izciļņus abos akumulatora galos, palielināsies pretestība un akumulators būs vairāk pakļauts karstumam.Akumulatora veiktspēja pasliktināsies un pat radīs drošības problēmas.Lai saīsinātu elektronu nobraukto attālumu, 4680 akumulators izmanto bezelektrodu ausu tehnoloģiju.
Bezelektrodu cilnei nav izciļņu, bet tā pārvērš visu strāvas kolektoru par cilni, vadošais ceļš vairs nav atkarīgs no cilnes, un strāva tiek pārnesta no sānu pārvades pa cilni uz kolektora plāksni uz garenisko pārnesi. pašreizējais savācējs.
Viss vadošais garums ir mainīts no 800 līdz 1000 mm no 1860 vai 2170 vara folijas garuma līdz 80 mm (akumulatora augstums).Pretestība tiek samazināta līdz 2mΩ, un iekšējās pretestības patēriņš tiek samazināts no 2W līdz 0,2W, kas tiek tieši samazināts par lielumu.
Šis dizains ievērojami samazina akumulatora pretestību un atrisina cilindriskā akumulatora sildīšanas problēmu.
No vienas puses, bezelektrodu auss tehnoloģija palielina strāvas vadīšanas laukumu, saīsina strāvas vadīšanas attālumu un ievērojami samazina akumulatora iekšējo pretestību; iekšējās pretestības samazināšana var samazināt strāvas nobīdes parādību un pagarināt akumulatora darbības laiku; pretestības samazināšana var arī samazināt siltuma veidošanos, un elektrodu vadošais pārklājums Efektīvais kontakta laukums starp slāni un akumulatora gala vāciņu var sasniegt 100%, kas var uzlabot siltuma izkliedes spēju.
4680 akumulators izmanto jauna veida bezelektrodu ausu tehnoloģiju šūnu struktūras ziņā, kas var samazināt izmaksas un palielināt efektivitāti.No otras puses, tiek izlaists cilpu metināšanas process, tiek uzlabota ražošanas efektivitāte un vienlaikus var samazināt metināšanas radīto defektu līmeni.
Monopola un pilna pola struktūras shematiskā diagramma
2. Apvienojumā ar CTC tehnoloģiju
Vispārīgi runājot, jo lielāks ir akumulatora izmērs, jo mazāk bateriju ir jāievieto tajā pašā transportlīdzeklī.Ar 18650 šūnām Teslai ir vajadzīgas 7100 šūnas.Ja izmantojat 4680 baterijas, jums ir nepieciešamas tikai 900 baterijas.
Jo mazāk akumulatoru, jo ātrāk tos var salikt, jo augstāka efektivitāte, mazāka iespēja, ka starpposmos var rasties problēmas, un lētāka cena.Pēc Tesla domām, lielais 4680 var samazināt akumulatoru ražošanas cenu par 14%.
Lai uzlabotu akumulatora bloka enerģijas blīvumu, 4680 akumulators tiks apvienots ar CTC (Cell to Chassis) tehnoloģiju.Tas ir paredzēts akumulatora elementu integrēšanai tieši šasijā.Pilnībā noņemot moduļus un akumulatoru blokus, akumulatora elementi kļūst kompaktāki, ievērojami samazināsies akumulatora detaļu skaits, kā arī ievērojami uzlabosies šasijas telpas izmantošana.
CTC ir noteiktas prasības attiecībā uz akumulatora konstrukcijas izturību. Akumulatoram pašam ir jāiztur liela mehāniskā izturība. Salīdzinot ar 18650 un 2170 akumulatoriem, 4680 vienam akumulatoram ir lielāka konstrukcijas izturība un lielāka konstrukcijas izturība, un vispārējā kvadrātveida apvalka akumulatoram ir alumīnija apvalks. 4680 apvalks ir izgatavots no nerūsējošā tērauda, un tam ir garantēta raksturīgā konstrukcijas izturība.
Salīdzinot ar kvadrātveida apvalka akumulatoru, cilindriskā akumulatora izkārtojums būs elastīgāks, var pielāgoties dažādām šasijas, un to var labāk apvienot ar vietni.
Saskaņā ar “EMF” pētījumiem un spriedumiem CTC tehnoloģija ir 2022. gada jaunu enerģijas transportlīdzekļu virkne, un tā ir arī ceļa dakša.
Akumulatora integrācija korpusā var padarīt transportlīdzekļa apkopi ārkārtīgi sarežģītu, un akumulatoru ir grūti nomainīt neatkarīgi.Paaugstināsies pēcpārdošanas pakalpojumu cenas, un šīs izmaksas tiks tieši novirzītas uz patērētājiem, piemēram, apdrošināšanas izmaksas.Lai gan Musks apgalvo, ka viņi ir izstrādājuši remonta sliedes, kuras var sagriezt un nomainīt, paies laiks, lai redzētu, cik labi tas darbosies.
Daudzas autobūves kompānijas piedāvājušas savus CTC tehniskos risinājumus, jo tas ne tikai pārkārto akumulatoru, bet arī jāmaina virsbūves uzbūve.Tas ir saistīts ar darba pārdali saistīto nozaru piegādes ķēdē.
CTC ir tikai tehnisks ceļš.Tas ir akumulatora korpuss, kas ir integrēts, izjaukts bez izmaiņām.Tam pretī ir vēl viena tehnoloģija – bateriju maiņa.Akumulatora maiņas tehnoloģiju ir viegli izjaukt, taču akumulators sniedz lielu ieguldījumu akumulatora jaudas uzlabošanā.Kā izvēlēties šos divus maršrutus, tā ir spēle starp akumulatoru piegādātājiem un oriģinālo iekārtu ražotājiem.
CTC tehnoloģija apvienota ar 4680 akumulatoru
3. Inovācijas bateriju ražošanas procesā, katoda un anoda materiāli
Tesla izmantos sausā akumulatora elektrodu procesu, šķīdinātāja vietā nelielu daudzumu (apmēram 5-8%) smalki pulverveida PTFE saistvielas sajauc ar pozitīvā/negatīvā elektroda pulveri, izlaiž cauri ekstrūderim, veidojot plānu elektrodu materiāls, un pēc tam elektrodu materiāla sloksne tika laminēta uz metāla folijas strāvas kolektora, lai izveidotu gatavo elektrodu.
Šādi ražots akumulators ir videi draudzīgāks.Un šis process palielinās akumulatora enerģijas blīvumu un samazinās ražošanas enerģijas patēriņu 10 reizes.Sauso elektrodu tehnoloģija, visticamāk, kļūs par nākamās paaudzes tehnoloģisko etalonu.
Tesla 4680 akumulatora sauso elektrodu tehnoloģija
Runājot par katoda materiāliem, Tesla teica, ka tā noņems arī kobalta elementu katodā.Kobalts ir dārgs un par maz.To var iegūt tikai dažās pasaules valstīs vai tādās nestabilās Āfrikas valstīs kā Kongo.Ja akumulators patiešām var noņemt kobalta elementu, var teikt, ka tas ir būtisks tehnoloģisks jauninājums.
Kobalts
Runājot par anoda materiāliem, Tesla sāks ar silīcija materiāliem un izmantos vairāk silīcija, lai aizstātu pašlaik izmantoto grafītu.Uz silīcija bāzes izgatavotā negatīvā elektroda teorētiskā īpatnējā jauda ir 4200 mAh/g, kas ir desmit reizes lielāka nekā grafīta negatīvā elektroda jauda.Tomēr uz silīcija bāzes veidotiem negatīviem elektrodiem ir arī tādas problēmas kā viegla silīcija tilpuma palielināšanās, slikta elektrovadītspēja un lieli sākotnējie uzlādes-izlādes zudumi.
Tāpēc materiālu veiktspējas uzlabošanai faktiski ir jāatrod līdzsvars starp enerģijas blīvumu un stabilitāti, un pašreizējie silīcija bāzes anoda produkti ir leģēti ar silīciju un grafītu kompozītmateriālu lietošanai.
Tesla plāno fundamentāli mainīt silīcija virsmas kaļamību, lai padarītu to mazāk pakļautu lūzumam – tehnoloģija, kas ne tikai ļauj ātrāk uzlādēt akumulatorus, bet arī palielina akumulatora darbības laiku par 20 procentiem.Tesla jauno materiālu nosauca par "Tesla Silicon", un tā izmaksas ir 1,2 USD/KWh, kas ir tikai viena desmitā daļa no esošā strukturētā silīcija procesa.
Anodi uz silīcija bāzes tiek uzskatīti par nākamās paaudzes litija akumulatoru anoda materiāliem.
Daži modeļi tirgū ir sākuši izmantot anoda materiālus uz silīcija bāzes.Tādos modeļos kā Tesla Model 3 negatīvajā elektrodā jau ir iekļauts neliels daudzums silīcija.Nesen tika laists klajā GAC AION LX Plus modelis. Qianli versija ir aprīkota ar sūkļa silīcija anoda mikroshēmas akumulatoru tehnoloģiju, kas var sasniegt 1000 kilometru akumulatora darbības laiku.
4680 akumulatora silīcija anods
Apkopojot 4680 akumulatora tehnoloģijas priekšrocības, tā var uzlabot veiktspēju, vienlaikus samazinot izmaksas.
3. 4680 bateriju tālejošā ietekme
4680 akumulators nav graujoša tehnoloģiska revolūcija, nevis izrāviens enerģijas blīvuma ziņā, bet gan vairāk jauninājums procesu tehnoloģijā.
Tomēr Tesla vadīts, ņemot vērā pašreizējo jaunā enerģijas tirgus modeli, 4680 akumulatoru ražošana mainīs esošo akumulatoru modeli.Nozare neizbēgami izraisīs liela apjoma cilindrisku akumulatoru vilni.
Saskaņā ar ziņojumiem Panasonic plāno 2023. gada sākumā sākt 4680 lielas ietilpības akumulatoru masveida ražošanu Teslai.Jaunās investīcijas sasniegs 80 miljardus jenu (aptuveni 704 miljonus ASV dolāru).Arī Samsung SDI un LG Energy ir pievienojušies 4680 akumulatora izstrādei.
Iekšzemē Yiwei Lithium Energy paziņoja, ka tā meitasuzņēmums Yiwei Power plāno būvēt 20 GWh lielu cilindrisku akumulatoru ražošanas līniju pasažieru transportlīdzekļiem Jingmen augsto tehnoloģiju zonā. Lielo cilindrisko akumulatoru jomā ienāks arī BAK Battery un Honeycomb Energy. BMW un CATL arī aktīvi izvieto lielus cilindriskus akumulatorus, un ir noteikts pamata modelis.
Akumulatoru ražotāju cilindriskais akumulatora izkārtojums
Ceturtkārt, elektromotora spēkam ir ko teikt
Lielā cilindriskā akumulatora strukturālā inovācija neapšaubāmi veicinās enerģijas akumulatoru nozares attīstību. Tas nav tik vienkārši, kā vienkārši jaunināt no 5. akumulatora uz 1. akumulatoru. Tās resnajam ķermenim ir lieliski jautājumi.
Akumulatora izmaksas ir gandrīz 40% no visa transportlīdzekļa izmaksām. Akumulatora kā “sirds” nozīme ir pašsaprotama.Tomēr līdz ar jaunu enerģijas transportlīdzekļu popularitāti ar katru dienu pieaug pieprasījums pēc akumulatoriem, un aug materiālu cenas. Akumulatoru inovācijas ir kļuvušas par nozīmīgu veidu, kā autobūves uzņēmumi var attīstīties.
Attīstoties ar akumulatoriem saistītām tehnoloģijām, pieejamie elektriskie transportlīdzekļi ir tepat aiz stūra!
Publicēšanas laiks: 13. jūnijs 2022