Од сечивата батерија на BYD, до батеријата без кобалт на Honeycomb Energy, а потоа и до натриум-јонската батерија од ерата CATL, индустријата за енергетски батерии доживеа континуирани иновации. 23 септември 2020 година - Ден на батеријата на Тесла, извршниот директор на Тесла, Илон Маск, му покажа на светот нова батерија - батеријата 4680.
Претходно, големини на цилиндричните литиумски батерии беа главно 18650 и 21700, а 21700 имаше 50% повеќе енергија од 18650 година.Батеријата 4680 има пет пати поголем капацитет од батеријата 21700, а новата батерија може да ја намали цената на киловат-час за околу 14% и да го зголеми опсегот на крстарење за 16%.
Маск отворено изјави дека оваа батерија ќе овозможи електричен автомобил од 25.000 долари.
Значи, од каде дојде оваа заканувачки батерија?Следно, ги анализираме еден по еден.
1. Што е батерија 4680?
Начинот на Тесла за именување на батериите за напојување е многу едноставен и јасен.Батеријата 4680, како што сугерира името, е цилиндрична батерија со дијаметар од една ќелија од 46 mm и висина од 80 mm.
Три различни големини на литиум-јонски цилиндрични батерии
Како што може да се види од сликата, во споредба со оригиналната батерија 18650 и батеријата 21700 на Tesla, батеријата 4680 изгледа како висок и силен човек.
Но, батеријата 4680 не е само промена на големината, Тесла има вградено многу нова технологија за подобрување на перформансите.
Второ, новата технологија на батеријата 4680
1. Дизајн на уво без електроди
Интуитивно, најголемото чувство на 4680 е дека е поголем.Па зошто другите производители не ја направија батеријата поголема во минатото.Тоа е затоа што колку е поголем волуменот и колку е поголема енергијата, топлината е потешко да се контролира и толку е поголема безбедносната закана од горење и експлозија.
Тесла очигледно го има земено предвид и ова.
Во споредба со претходната цилиндрична батерија, најголемата структурна иновација на батеријата 4680 е навртката без електрода, позната и како целосна завртка.Во традиционалната цилиндрична батерија, позитивните и негативните бакарни фолии и сепараторот за алуминиумска фолија се наредени и намотани. За да се извлечат електродите, на двата краја на бакарната фолија и на алуминиумската фолија се заварува оловна жица наречена јазиче.
Должината на намотување на традиционалната батерија од 1860 година е 800 mm. Земајќи ја како пример бакарната фолија со подобра спроводливост, должината на јазичињата за да се изведе струјата од бакарната фолија е 800 mm, што е еквивалентно на струјата што минува низ жицата долга 800 mm.
Според пресметката, отпорот е околу 20mΩ, должината на намотувањето на батеријата 2170 е околу 1000mm, а отпорот е околу 23mΩ.Лесно може да се конвертира дека филмот со иста дебелина треба да се навива во батерија 4680, а должината на намотувањето е околу 3800 mm.
Има многу недостатоци за зголемување на должината на ликвидацијата. Електроните треба да поминат подолго растојание за да стигнат до јазичињата на двата краја на батеријата, отпорот ќе се зголеми, а батеријата ќе биде посклона на топлина.Работата на батеријата ќе се влоши, па дури и ќе создаде безбедносни проблеми.Со цел да се скрати растојанието поминато од електроните, батеријата 4680 користи технологија за уши без електрода.
Јазичето без електрода нема јазичиња, туку го претвора целиот струен колектор во јазиче, проводната патека повеќе не зависи од јазичето, а струјата се пренесува од страничниот пренос долж јазичето до колекторската плоча до надолжниот пренос на тековниот колектор.
Целата проводна должина е променета од 800 на 1000 mm од 1860 или 2170 бакарна фолија должина на 80 mm (висина на батеријата).Отпорот е намален на 2mΩ, а потрошувачката на внатрешниот отпор е намалена од 2W на 0,2W, што директно се намалува за ред на големина.
Овој дизајн во голема мера ја намалува импедансата на батеријата и го решава проблемот со греењето на цилиндричната батерија.
Од една страна, технологијата за уво без електрода ја зголемува областа на тековната спроводливост, го скратува растојанието на тековната спроводливост и значително го намалува внатрешниот отпор на батеријата; намалувањето на внатрешниот отпор може да го намали феноменот на поместување на струјата и да го продолжи траењето на батеријата; намалувањето на отпорот, исто така, може да го намали создавањето на топлина, а електродата спроводлива обвивка Ефективната контактна површина помеѓу слојот и крајното капаче на батеријата може да достигне 100%, што може да го подобри капацитетот за дисипација на топлина.
Батеријата 4680 усвојува нов тип на технологија за уши без електроди во однос на структурата на ќелиите, што може да ги намали трошоците и да ја зголеми ефикасноста.Од друга страна, процесот на заварување на јазичињата е испуштен, ефикасноста на производството се подобрува, а стапката на дефекти предизвикана од заварувањето може истовремено да се намали.
Шематски дијаграм на монопол и целополна структура
2. Во комбинација со CTC технологијата
Општо земено, колку е поголема големината на батеријата, толку помалку батерии треба да се инсталираат во истото возило.Со 18650 ќелии, на Тесла му требаат 7100 ќелии.Ако користите 4680 батерии, потребни ви се само 900 батерии.
Колку помалку батерии, толку побрзо може да се склопат, толку е поголема ефикасноста, помали се шансите за проблеми во средните врски и поевтина цената.Според Tesla, големиот 4680 може да ја намали производната цена на батериите за 14%.
Со цел да се подобри густината на енергијата на батерискиот пакет, батеријата 4680 ќе се комбинира со технологијата CTC (Cell to Chassis).Тоа е да се интегрираат ќелиите на батеријата директно во шасијата.Со целосно отстранување на модулите и батериските пакети, ќелиите на батеријата стануваат покомпактни, бројот на делови од батеријата значително ќе се намали, а искористувањето на просторот на шасијата исто така значително ќе се подобри.
CTC има одредени барања за структурната јачина на батеријата. Самата батерија мора да издржи голема механичка сила. Во споредба со батериите 18650 и 2170, единечната батерија 4680 има поголема структурна цврстина и поголема структурна цврстина, а општата батерија со квадратна обвивка е алуминиумска обвивка. Школката 4680 е изработена од нерѓосувачки челик, а вродената структурна цврстина е загарантирана.
Во споредба со квадратната батерија, распоредот на цилиндричната батерија ќе биде пофлексибилен, може да се прилагоди на различни шасии и подобро да се комбинира со локацијата.
Според истражувањето и проценката на „EMF“, технологијата CTC е берза на нови енергетски возила во 2022 година, а исто така е вилушка на патот.
Интеграцијата на батеријата во телото може да го направи одржувањето на возилото исклучително комплицирано, а батеријата е тешко да се замени самостојно.Цените на услугите по продажбата ќе се зголемат, а овие трошоци директно ќе бидат пренесени на потрошувачите, како што се трошоците за осигурување.Иако Маск тврди дека дизајнирале шини за поправка што може да се исечат и заменат, ќе биде потребно време да се види колку добро ќе функционира.
Многу автомобилски компании предложија свои технички решенија за CTC, бидејќи не само што ја преуредува батеријата, туку треба да ја промени и структурата на каросеријата.Ова е поврзано со повторната поделба на трудот во синџирот на снабдување на сродните индустрии.
CTC е само техничка рута.Тоа е вградено тело на батерија, непроменето расклопување.Наспроти него има друга технологија - замена на батерии.Технологијата за замена на батерии лесно се расклопува, но батеријата има голем придонес за јачината на батеријата.Како да се изберат овие две рути е игра помеѓу добавувачите на батерии и OEM.
CTC технологија во комбинација со батерија 4680
3. Иновации во процесот на производство на батерии, катодни и анодни материјали
Тесла ќе го користи процесот на електрода за сува батерија, наместо да користи растворувач, мала количина (околу 5-8%) од ситно прашкаст тефлонски врзивно средство се меша со позитивна/негативна електрода во прав, поминува низ екструдер за да се формира тенка лента од материјал за електрода, а потоа лента од материјал од електрода беше ламинирана на струен колектор од метална фолија за да се формира готовата електрода.
Вака произведената батерија е поеколошка.И овој процес ќе ја зголеми енергетската густина на батеријата и ќе ја намали потрошувачката на енергија при производство за 10 пати.Технологијата на суви електроди најверојатно ќе стане технолошки репер за следната генерација.
Технологија за суви електроди за батерии Tesla 4680
Во однос на катодните материјали, Тесла рече дека ќе го отстрани и кобалтниот елемент во катодата.Кобалтот е скап и оскуден.Може да се ископува само во многу малку земји во светот или во нестабилни африкански земји како Конго.Ако батеријата навистина може да го отстрани кобалтниот елемент, може да се каже дека е голема технолошка иновација.
Кобалт
Во однос на анодните материјали, Tesla ќе започне со силициумски материјали и ќе користи повеќе силикон за да го замени графитот што моментално се користи.Теоретскиот специфичен капацитет на негативната електрода базирана на силикон е дури 4200 mAh/g, што е десет пати повисоко од оној на графитната негативна електрода.Сепак, негативните електроди базирани на силикон, исто така, имаат проблеми како што се лесно проширување на волуменот на силициумот, слаба електрична спроводливост и голема почетна загуба на полнење-празнење.
Затоа, подобрувањето на перформансите на материјалите е всушност да се најде рамнотежа помеѓу енергетската густина и стабилноста, а сегашните анодни производи базирани на силикон се допингуваат со силициум и графит за композитна употреба.
Тесла планира суштински да ја промени податливоста на силиконската површина за да ја направи помалку подложна на кршење, технологија која не само што овозможува батериите да се полнат побрзо, туку и го зголемува животниот век на батеријата за 20 проценти.Тесла го нарече новиот материјал „Тесла силикон“, а цената е 1,2 долари/KWh, што е само една десетина од постоечкиот структуриран силикон процес.
Анодите базирани на силикон се сметаат за анодни материјали од следната генерација на литиумски батерии.
Неколку модели на пазарот почнаа да користат анодни материјали базирани на силикон.Моделите како што е Tesla Model 3 веќе инкорпорираат мали количества силициум во негативната електрода.Неодамна беше лансиран моделот GAC AION LX Plus. Верзијата Qianli е опремена со технологија за батерии со сунѓерести силиконски анодни чипови, што може да постигне 1.000 километри траење на батеријата.
4680 батерија силиконска анода
Да ги сумираме предностите на технологијата за батерии 4680 е тоа што може да ги подобри перформансите додека ги намалува трошоците.
3. Далекосежното влијание на 4680 батерии
Батеријата 4680 не е субверзивна технолошка револуција, не е пробив во густината на енергијата, туку повеќе е иновација во процесната технологија.
Сепак, управувано од Tesla, за сегашната шема на новиот енергетски пазар, производството на 4680 батерии ќе ја промени постојната шема на батерии.Индустријата неизбежно ќе предизвика бран цилиндрични батерии со голем волумен.
Според извештаите, Panasonic планира да започне масовно производство на 4680 батерии со голем капацитет за Tesla на почетокот на 2023 година.Новата инвестиција ќе изнесува дури 80 милијарди јени (приближно 704 милиони американски долари).Samsung SDI и LG Energy исто така се приклучија на развојот на батеријата 4680.
На домашен терен, Yiwei Lithium Energy објави дека нејзината подружница Yiwei Power планира да изгради линија за производство на големи цилиндрични батерии од 20 GWh за патнички возила во високотехнолошката зона Jingmen. BAK Battery и Honeycomb Energy ќе навлезат и во областа на големите цилиндрични батерии. BMW и CATL исто така активно распоредуваат големи цилиндрични батерии, а основната шема е одредена.
Цилиндричен распоред на батерии од производители на батерии
Четврто, електромоторната сила има што да каже
Структурната иновација на големата цилиндрична батерија несомнено ќе го промовира развојот на индустријата за енергетски батерии. Не е толку едноставно како само надградба од 5-та на 1-ва батерија. Нејзиното дебело тело има големи прашања.
Цената на батеријата е близу 40% од цената на целото возило. Важноста на батеријата како „срце“ е очигледно.Меѓутоа, со популарноста на нови енергетски возила, побарувачката за батерии се зголемува од ден на ден, а цената на материјалите расте. Иновацијата на батериите стана важен начин за развој на автомобилските компании.
Со развојот на технологии поврзани со батерии, електричните возила со пристапни цени се веднаш зад аголот!
Време на објавување: Јуни-13-2022 година