Van BYD's bladbatterij tot de kobaltvrije batterij van Honeycomb Energy en vervolgens tot de natrium-ionbatterij uit het CATL-tijdperk: de industrie voor krachtige batterijen heeft voortdurende innovatie ervaren. 23 september 2020 - Tesla Battery Day, Tesla-CEO Elon Musk liet de wereld een nieuwe batterij zien: de 4680-batterij.
Voorheen waren de afmetingen van cilindrische lithiumbatterijen voornamelijk 18650 en 21700, en 21700 hadden 50% meer energie dan 18650.De 4680-batterij heeft vijf keer de celcapaciteit van de 21700-batterij, en de nieuwe batterij kan de kosten per kilowattuur met ongeveer 14% verlagen en het vaarbereik met 16% vergroten.
Musk verklaarde botweg dat deze batterij een elektrische auto van $ 25.000 mogelijk zal maken.
Waar kwam deze dreigende batterij vandaan?Vervolgens analyseren we ze één voor één.
1. Wat is een 4680-batterij?
Tesla's manier om accu's een naam te geven is heel eenvoudig en duidelijk.De 4680-batterij is, zoals de naam al doet vermoeden, een cilindrische batterij met een enkele celdiameter van 46 mm en een hoogte van 80 mm.
Drie verschillende maten lithium-ion cilindrische batterijen
Zoals op de foto te zien is, lijkt de 4680-batterij, vergeleken met Tesla's originele 18650-batterij en 21700-batterij, op een lange en sterke man.
Maar de 4680-batterij is niet alleen een verandering van formaat, Tesla heeft veel nieuwe technologie ingebouwd om de prestaties te verbeteren.
Ten tweede, de nieuwe technologie van de 4680-batterij
1. Elektrodeloos oorontwerp
Intuïtief is het grootste gevoel van de 4680 dat hij groter is.Dus waarom hebben andere fabrikanten de batterij in het verleden niet groter gemaakt?Dit komt omdat hoe groter het volume en hoe hoger de energie, de hitte moeilijker te beheersen is en hoe groter het veiligheidsrisico door verbranding en explosie.
Tesla heeft hier blijkbaar ook rekening mee gehouden.
Vergeleken met de vorige cilindrische batterij is de grootste structurele innovatie van de 4680-batterij de elektrodeloze nok, ook wel de volledige nok genoemd.In een traditionele cilindrische batterij worden de positieve en negatieve koperfolies en de aluminiumfoliescheider gestapeld en gewikkeld. Om de elektroden eruit te trekken, wordt een geleidingsdraad, het lipje genaamd, aan de twee uiteinden van de koperfolie en de aluminiumfolie gelast.
De opwindlengte van een traditionele 1860-batterij is 800 mm. Als we de koperfolie met betere geleiding als voorbeeld nemen, is de lengte van de lipjes om de elektriciteit uit de koperfolie te leiden 800 mm, wat overeenkomt met de stroom die door de 800 mm lange draad gaat.
Volgens berekening is de weerstand ongeveer 20 mΩ, de wikkellengte van de 2170-batterij ongeveer 1000 mm en de weerstand ongeveer 23 mΩ.Er kan eenvoudig worden omgerekend dat de film met dezelfde dikte in een 4680-batterij moet worden gerold, en dat de opwikkellengte ongeveer 3800 mm is.
Er kleven veel nadelen aan het vergroten van de wikkellengte. De elektronen moeten een langere afstand afleggen om de lipjes aan beide uiteinden van de batterij te bereiken, de weerstand zal toenemen en de batterij zal gevoeliger zijn voor hitte.De prestaties van de batterij zullen verslechteren en zelfs veiligheidsproblemen veroorzaken.Om de afstand die de elektronen afleggen te verkorten, maakt de 4680-batterij gebruik van elektrodeloze oortechnologie.
Het elektrodeloze lipje heeft geen lipjes, maar verandert de gehele stroomcollector in een lipje, het geleidingspad is niet langer afhankelijk van het lipje en de stroom wordt overgedragen van de laterale transmissie langs het lipje naar de collectorplaat naar de longitudinale transmissie van de huidige verzamelaar.
De gehele geleidende lengte is veranderd van 800 naar 1000 mm van 1860 of 2170 koperfolielengte naar 80 mm (batterijhoogte).De weerstand wordt teruggebracht tot 2 mΩ en het interne weerstandsverbruik wordt verlaagd van 2 W naar 0,2 W, wat direct met een orde van grootte wordt verminderd.
Dit ontwerp vermindert de impedantie van de batterij aanzienlijk en lost het verwarmingsprobleem van de cilindrische batterij op.
Enerzijds vergroot de elektrodeloze oortechnologie het stroomgeleidingsgebied, verkort de stroomgeleidingsafstand en vermindert de interne weerstand van de batterij aanzienlijk; de vermindering van de interne weerstand kan het huidige offset-fenomeen verminderen en de levensduur van de batterij verlengen; de vermindering van de weerstand kan ook de warmteontwikkeling verminderen, en de geleidende coating van de elektrode. Het effectieve contactoppervlak tussen de laag en de eindkap van de batterij kan 100% bereiken, wat de warmteafvoercapaciteit kan verbeteren.
De 4680-batterij maakt gebruik van een nieuw type elektrodeloze oortechnologie wat betreft celstructuur, wat de kosten kan verlagen en de efficiëntie kan verhogen.Aan de andere kant wordt het lasproces van de lippen weggelaten, wordt de productie-efficiëntie verbeterd en kan tegelijkertijd het aantal defecten veroorzaakt door lassen worden verminderd.
Schematisch diagram van monopool- en volledig-poolstructuur
2. Gecombineerd met CTC-technologie
Over het algemeen geldt dat hoe groter de accu is, hoe minder accu's er in hetzelfde voertuig hoeven te worden geïnstalleerd.Met 18650 cellen heeft een Tesla 7100 cellen nodig.Als u 4680 batterijen gebruikt, heeft u slechts 900 batterijen nodig.
Hoe minder batterijen, hoe sneller ze kunnen worden gemonteerd, hoe hoger het rendement, hoe minder kans op problemen in de tussenschakels en hoe goedkoper de prijs.Volgens Tesla kan de grote 4680 de productieprijs van batterijen met 14% verlagen.
Om de energiedichtheid van het accupakket te verbeteren, wordt de 4680-accu gecombineerd met CTC-technologie (Cell to Chassis).Het is de bedoeling dat de batterijcellen rechtstreeks in het chassis worden geïntegreerd.Door de modules en accupakketten volledig te verwijderen worden de accucellen compacter, wordt het aantal accuonderdelen sterk verminderd en wordt ook de ruimtebenutting van het chassis sterk verbeterd.
CTC stelt bepaalde eisen aan de structurele sterkte van de batterij. De batterij zelf moet veel mechanische kracht dragen. Vergeleken met de 18650- en 2170-batterijen heeft de 4680-enkele batterij een grotere structurele sterkte en een hogere structurele sterkte, en de algemene vierkante batterij is een aluminium omhulsel. De 4680-schaal is gemaakt van roestvrij staal en de inherente structurele sterkte is gegarandeerd.
Vergeleken met de vierkante batterij zal de lay-out van de cilindrische batterij flexibeler zijn, zich aanpassen aan een verscheidenheid aan verschillende chassis en beter worden gecombineerd met de locatie.
Volgens het onderzoek en het oordeel van “EMF” is de CTC-technologie de drijvende kracht achter nieuwe energievoertuigen in 2022, en is het ook een splitsing in de weg.
De integratie van de accu in de carrosserie kan het onderhoud van het voertuig uiterst ingewikkeld maken en de accu is lastig zelfstandig te vervangen.De prijzen voor after-sales service zullen stijgen en deze kosten, zoals verzekeringskosten, zullen direct worden doorberekend aan de consument.Hoewel Musk beweert dat ze reparatierails hebben ontworpen die kunnen worden doorgesneden en vervangen, zal het enige tijd duren om te zien hoe goed het zal werken.
Veel autobedrijven hebben hun eigen technische oplossingen van CTC voorgesteld, omdat deze niet alleen de batterij herschikt, maar ook de carrosseriestructuur moet veranderen.Dit houdt verband met de herverdeling van arbeid in de toeleveringsketen van aanverwante industrieën.
CTC is slechts een technische route.Het is een geïntegreerd batterijlichaam, ongewijzigde demontage.Er is nog een andere technologie tegenover: het verwisselen van batterijen.De batterijwisseltechnologie is eenvoudig te demonteren, maar de batterij levert een grote bijdrage aan de batterijsterkte.Hoe deze twee routes moeten worden gekozen, is een spel tussen batterijleveranciers en OEM's.
CTC-technologie gecombineerd met 4680-batterij
3. Innovatie in het productieproces van batterijen, kathode- en anodematerialen
Tesla zal het droge batterij-elektrodeproces gebruiken. In plaats van een oplosmiddel te gebruiken, wordt een kleine hoeveelheid (ongeveer 5-8%) van een fijngepoederd PTFE-bindmiddel gemengd met positief/negatief elektrodepoeder, door een extruder gevoerd om een dunne strook te vormen. elektrodemateriaal, en vervolgens werd een strook elektrodemateriaal gelamineerd op een stroomcollector van metaalfolie om de voltooide elektrode te vormen.
De op deze manier geproduceerde batterij is milieuvriendelijker.En dit proces zal de energiedichtheid van de batterij verhogen en het energieverbruik van de productie tien keer verminderen.Droge-elektrodetechnologie zal waarschijnlijk de technologische maatstaf voor de volgende generatie worden.
Tesla 4680 batterijdroge elektrodetechnologie
Wat kathodematerialen betreft, zei Tesla dat het ook het kobaltelement in de kathode zal verwijderen.Kobalt is duur en schaars.Het kan slechts in zeer weinig landen ter wereld worden gedolven, of in onstabiele Afrikaanse landen zoals Congo.Als de batterij het kobaltelement echt kan verwijderen, kan worden gezegd dat dit een belangrijke technologische innovatie is.
Kobalt
Wat de anodematerialen betreft, zal Tesla beginnen met siliciummaterialen en meer silicium gebruiken ter vervanging van het momenteel gebruikte grafiet.De theoretische specifieke capaciteit van de op silicium gebaseerde negatieve elektrode is maar liefst 4200 mAh/g, wat tien keer hoger is dan die van de negatieve elektrode van grafiet.Op silicium gebaseerde negatieve elektroden hebben echter ook problemen zoals gemakkelijke volume-expansie van silicium, slechte elektrische geleidbaarheid en een groot aanvankelijk ladings-ontladingsverlies.
Daarom is de prestatieverbetering van materialen feitelijk het vinden van een evenwicht tussen energiedichtheid en stabiliteit, en de huidige op silicium gebaseerde anodeproducten worden gedoteerd met silicium en grafiet voor composietgebruik.
Tesla is van plan de kneedbaarheid van het siliciumoppervlak fundamenteel te veranderen om het minder breukgevoelig te maken, een technologie die het niet alleen mogelijk maakt batterijen sneller op te laden, maar ook de levensduur van de batterij met 20 procent verlengt.Tesla noemde het nieuwe materiaal ‘Tesla Silicon’ en de kosten bedragen $1,2/kWh, wat slechts een tiende is van het bestaande gestructureerde siliciumproces.
Op silicium gebaseerde anoden worden beschouwd als de anodematerialen voor lithiumbatterijen van de volgende generatie.
Een paar modellen op de markt zijn begonnen met het gebruik van op silicium gebaseerde anodematerialen.Modellen zoals de Tesla Model 3 bevatten al kleine hoeveelheden silicium in de negatieve elektrode.Onlangs werd het GAC AION LX Plus-model gelanceerd. De Qianli-versie is uitgerust met spons-siliciumanodechipbatterijtechnologie, die een batterijduur van 1.000 kilometer kan bereiken.
4680 batterij siliciumanode
Om de voordelen van de 4680-batterijtechnologie samen te vatten, is dat deze de prestaties kan verbeteren en tegelijkertijd de kosten kan verlagen.
3. De verreikende impact van 4680-batterijen
De 4680-batterij is geen subversieve technologische revolutie, geen doorbraak in energiedichtheid, maar eerder een innovatie in procestechnologie.
Echter, aangedreven door Tesla, zal de productie van 4680 batterijen, gezien het huidige patroon van de nieuwe energiemarkt, het bestaande batterijpatroon veranderen.De industrie zal onvermijdelijk een golf van cilindrische batterijen met een groot volume veroorzaken.
Volgens rapporten is Panasonic van plan begin 2023 te starten met de massaproductie van 4680 batterijen met grote capaciteit voor Tesla.De nieuwe investering zal oplopen tot 80 miljard yen (ongeveer 704 miljoen dollar).Samsung SDI en LG Energy hebben zich ook aangesloten bij de ontwikkeling van de 4680-batterij.
In eigen land heeft Yiwei Lithium Energy aangekondigd dat haar dochteronderneming Yiwei Power van plan is een grote cilindrische batterijproductielijn van 20 GWh te bouwen voor personenvoertuigen in de Jingmen High-tech Zone. BAK Battery en Honeycomb Energy zullen zich ook op het gebied van grote cilindrische batterijen begeven. BMW en CATL zetten ook actief grote cilindrische batterijen in en het basispatroon is bepaald.
Cilindrische batterij-indeling van batterijfabrikanten
Ten vierde heeft de elektromotorische kracht iets te zeggen
De structurele innovatie van de grote cilindrische batterij zal ongetwijfeld de ontwikkeling van de batterij-industrie bevorderen. Het is niet zo eenvoudig als alleen maar upgraden van de 5e batterij naar de 1e batterij. Zijn dikke lichaam heeft grote vragen.
De kosten van de batterij bedragen bijna 40% van de kosten van het hele voertuig. Het belang van de batterij als ‘hart’ is vanzelfsprekend.Met de populariteit van nieuwe energievoertuigen neemt de vraag naar batterijen echter met de dag toe en stijgt de prijs van materialen. De innovatie van batterijen is voor autobedrijven een belangrijke manier geworden om zich te ontwikkelen.
Met de ontwikkeling van batterijgerelateerde technologieën staan betaalbare elektrische voertuigen voor de deur!
Posttijd: 13 juni 2022