Fra BYDs bladbatteri, til Honeycomb Energys koboltfrie batteri, og deretter til natriumionbatteriet fra CATL-æraen, har kraftbatteriindustrien opplevd kontinuerlig innovasjon. 23. september 2020 - Tesla Battery Day, Tesla-sjef Elon Musk viste verden et nytt batteri – 4680-batteriet.
Tidligere var størrelsene på sylindriske litiumbatterier hovedsakelig 18650 og 21700, og 21700 hadde 50% mer energi enn 18650.4680-batteriet har fem ganger cellekapasiteten til 21700-batteriet, og det nye batteriet kan redusere kostnaden per kilowatt-time med ca. 14 % og øke cruiseområdet med 16 %.
Musk uttalte rett ut at dette batteriet vil gjøre en elektrisk bil på 25 000 dollar mulig.
Så, hvor kom dette truende batteriet fra?Deretter analyserer vi dem en etter en.
1. Hva er et 4680-batteri?
Teslas måte å navngi strømbatterier på er veldig enkel og grei.4680-batteriet, som navnet antyder, er et sylindrisk batteri med en enkeltcellediameter på 46 mm og en høyde på 80 mm.
Tre forskjellige størrelser av litium-ion sylindriske batterier
Som det fremgår av bildet, sammenlignet med Teslas originale 18650-batteri og 21700-batteri, ser 4680-batteriet ut som en høy og sterk mann.
Men 4680-batteriet er ikke bare en størrelsesendring, Tesla har tatt inn mye ny teknologi for å forbedre ytelsen.
For det andre, den nye teknologien til 4680 batteri
1. Elektrodeløst øredesign
Intuitivt er den største følelsen av 4680 at den er større.Så hvorfor gjorde ikke andre produsenter batteriet større tidligere.Dette er fordi jo større volum og høyere energi, varmen er vanskeligere å kontrollere og jo større sikkerhetstrussel fra brenning og eksplosjon.
Tesla har tydeligvis også tatt dette i betraktning.
Sammenlignet med det forrige sylindriske batteriet, er den største strukturelle nyvinningen til 4680-batteriet den elektrodeløse knasten, også kjent som full knast.I et tradisjonelt sylindrisk batteri stables og vikles de positive og negative kobberfoliene og aluminiumsfolieseparatoren. For å trekke ut elektrodene, sveises en blytråd kalt tappen til de to endene av kobberfolien og aluminiumsfolien.
Viklelengden på et tradisjonelt 1860-batteri er 800 mm. Ta kobberfolien med bedre ledningsevne som et eksempel, lengden på tappene for å lede elektrisiteten ut av kobberfolien er 800 mm, som tilsvarer strømmen som går gjennom den 800 mm lange ledningen.
Ved beregning er motstanden omtrent 20mΩ, viklingslengden til 2170-batteriet er omtrent 1000mm, og motstanden er omtrent 23mΩ.Det kan enkelt konverteres til at filmen med samme tykkelse må rulles inn i et 4680-batteri, og viklingslengden er ca. 3800 mm.
Det er mange ulemper med å øke viklingslengden. Elektronene må reise en lengre avstand for å nå tappene i begge ender av batteriet, motstanden vil øke, og batteriet vil være mer utsatt for varme.Ytelsen til batteriet vil forringes og til og med skape sikkerhetsproblemer.For å forkorte avstanden som elektronene tilbakelegger, bruker 4680-batteriet elektrodeløs øreteknologi.
Den elektrodeløse tappen har ingen tapper, men gjør hele strømkollektoren om til en tapp, den ledende banen avhenger ikke lenger av tappen, og strømmen overføres fra sideoverføringen langs tappen til kollektorplaten til den langsgående overføringen av den nåværende samleren.
Hele den ledende lengden har endret seg fra 800 til 1000 mm av 1860 eller 2170 kobberfolielengde til 80 mm (batterihøyde).Motstanden reduseres til 2mΩ, og det interne motstandsforbruket reduseres fra 2W til 0,2W, som direkte reduseres med en størrelsesorden.
Denne designen reduserer impedansen til batteriet kraftig og løser oppvarmingsproblemet til det sylindriske batteriet.
På den ene siden øker den elektrodeløse øreteknologien strømledningsområdet, forkorter strømledningsavstanden og reduserer den interne motstanden til batteriet kraftig; reduksjonen av den interne motstanden kan redusere gjeldende offset-fenomen og forlenge batteriets levetid; reduksjonen av motstanden kan også redusere varmeutviklingen, og det elektrodeledende belegget. Det effektive kontaktområdet mellom laget og batteriendedekselet kan nå 100 %, noe som kan forbedre varmeavledningskapasiteten.
4680-batteriet tar i bruk en ny type elektrodeløs øreteknologi når det gjelder cellestruktur, som kan redusere kostnadene og øke effektiviteten.På den annen side er sveiseprosessen til tappene utelatt, produksjonseffektiviteten forbedres, og defektraten forårsaket av sveising kan reduseres samtidig.
Skjematisk diagram av monopol og full-pol struktur
2. Kombinert med CTC-teknologi
Generelt sett, jo større batteristørrelsen er, desto færre batterier må installeres i samme kjøretøy.Med 18650 celler trenger en Tesla 7100 celler.Bruker du 4680 batterier trenger du kun 900 batterier.
Jo færre batterier, jo raskere kan de monteres, jo høyere effektivitet, jo mindre sjanse for problemer i mellomleddene, og jo billigere er prisen.Ifølge Tesla kan den store 4680 redusere produksjonsprisen på batterier med 14 %.
For å forbedre energitettheten til batteripakken, vil 4680-batteriet bli kombinert med CTC-teknologi (Cell to Chassis).Det er for å integrere battericellene direkte i chassiset.Ved å fjerne modulene og batteripakkene fullstendig, blir battericellene mer kompakte, antall batterideler vil bli kraftig redusert, og plassutnyttelsen av chassiset vil også bli kraftig forbedret.
CTC har visse krav til den strukturelle styrken til batteriet. Selve batteriet må ha mye mekanisk styrke. Sammenlignet med 18650 og 2170 batteriene har 4680 enkeltbatteriet større strukturell styrke og høyere strukturell styrke, og det generelle firkantede skallbatteriet er et aluminiumsskall. 4680-skallet er laget av rustfritt stål, og den iboende strukturelle styrken er garantert.
Sammenlignet med det firkantede skallbatteriet, vil utformingen av det sylindriske batteriet være mer fleksibelt, kan tilpasses en rekke forskjellige chassis, og kan bedre kombineres med stedet.
I følge forskningen og vurderingen til "EMF" er CTC-teknologien bæreren for nye energikjøretøyer i 2022, og den er også en veiskille.
Integreringen av batteriet i kroppen kan gjøre vedlikeholdet av kjøretøyet ekstremt komplisert, og batteriet er vanskelig å erstatte uavhengig.Prisene på ettersalgsservice vil øke, og disse kostnadene vil bli sendt direkte over på forbrukerne, for eksempel forsikringskostnader.Selv om Musk hevder at de har designet reparasjonsskinner som kan kuttes og erstattes, vil det ta tid å se hvor godt det vil fungere.
Mange bilfirmaer har foreslått sine egne tekniske CTC-løsninger, fordi det ikke bare omorganiserer batteriet, men også må endre karosseristrukturen.Dette er knyttet til omfordeling av arbeidskraft i forsyningskjeden til relaterte næringer.
CTC er bare en teknisk rute.Det er et batterihus integrert, uendret demontering.Det er en annen teknologi overfor den – batteribytte.Batteribytteteknologien er enkel å demontere, men batteriet gir et stort bidrag til batteristyrken.Hvordan velge disse to rutene er et spill mellom batterileverandører og OEM-er.
CTC-teknologi kombinert med 4680 batteri
3. Innovasjon i batteriproduksjonsprosessen, katode- og anodematerialer
Tesla vil bruke tørrbatterielektrodeprosessen, i stedet for å bruke et løsemiddel, blandes en liten mengde (ca. 5-8%) av et fint pulverisert PTFE-bindemiddel med positivt/negativt elektrodepulver, føres gjennom en ekstruder for å danne en tynn stripe med elektrodemateriale, og deretter ble en stripe av elektrodemateriale laminert til en metallfoliestrømsamler for å danne den ferdige elektroden.
Batteriet som produseres på denne måten er mer miljøvennlig.Og denne prosessen vil øke energitettheten til batteriet og redusere energiforbruket til produksjonen med 10 ganger.Tørrelektrodeteknologi vil sannsynligvis bli den teknologiske målestokken for neste generasjon.
Tesla 4680 batteritørrelektrodeteknologi
Når det gjelder katodematerialer, sa Tesla at de også vil fjerne koboltelementet i katoden.Kobolt er dyrt og lite.Det kan bare utvinnes i svært få land i verden, eller i ustabile afrikanske land som Kongo.Hvis batteriet virkelig kan fjerne koboltelementet, kan det sies å være en stor teknologisk nyvinning.
Kobolt
Når det gjelder anodematerialer, vil Tesla starte med silisiummaterialer og bruke mer silisium for å erstatte grafitten som brukes i dag.Den teoretiske spesifikke kapasiteten til den silisiumbaserte negative elektroden er så høy som 4200mAh/g, som er ti ganger høyere enn den negative grafittelektroden.Imidlertid har silisiumbaserte negative elektroder også problemer som lett volumutvidelse av silisium, dårlig elektrisk ledningsevne og stort initial ladning-utladningstap.
Derfor er ytelsesforbedringen til materialer faktisk å finne en balanse mellom energitetthet og stabilitet, og de nåværende silisiumbaserte anodeproduktene er dopet med silisium og grafitt for komposittbruk.
Tesla planlegger å fundamentalt endre formbarheten til silisiumoverflaten for å gjøre den mindre utsatt for brudd, en teknologi som ikke bare lar batterier lade raskere, men også øker batterilevetiden med 20 prosent.Tesla kalte det nye materialet "Tesla Silicon", og prisen er $1,2/KWh, som bare er en tiendedel av den eksisterende strukturerte silisiumprosessen.
Silisiumbaserte anoder regnes som neste generasjons litiumbatterianodematerialer.
Noen få modeller på markedet har begynt å bruke silisiumbaserte anodematerialer.Modeller som Tesla Model 3 inneholder allerede små mengder silisium i den negative elektroden.Nylig ble GAC AION LX Plus-modellen lansert. Qianli-versjonen er utstyrt med svampesilisiumanode chip batteriteknologi, som kan oppnå 1000 kilometer batterilevetid.
4680 batteri silisiumanode
For å oppsummere fordelene med 4680 batteriteknologi er at den kan forbedre ytelsen samtidig som kostnadene reduseres.
3. Den vidtrekkende virkningen av 4680-batterier
4680-batteriet er ikke en subversiv teknologisk revolusjon, ikke et gjennombrudd i energitetthet, men mer en innovasjon innen prosessteknologi.
Men drevet av Tesla, for det nåværende mønsteret i det nye energimarkedet, vil produksjonen av 4680 batterier endre det eksisterende batterimønsteret.Industrien vil uunngåelig sette i gang en bølge av store sylindriske batterier.
Ifølge rapporter planlegger Panasonic å starte masseproduksjon av 4680 batterier med stor kapasitet for Tesla tidlig i 2023.Den nye investeringen vil være så høy som 80 milliarder yen (omtrent 704 millioner dollar).Samsung SDI og LG Energy har også blitt med i utviklingen av 4680-batteriet.
Innenlands kunngjorde Yiwei Lithium Energy at datterselskapet Yiwei Power planlegger å bygge en 20GWh stor sylindrisk batteriproduksjonslinje for personbiler i Jingmen High-tech Zone. BAK Battery and Honeycomb Energy vil også gå inn på feltet for store sylindriske batterier. BMW og CATL bruker også aktivt store sylindriske batterier, og det grunnleggende mønsteret er bestemt.
Batteriprodusentenes sylindriske batterioppsett
For det fjerde har den elektromotoriske kraften noe å si
Den strukturelle innovasjonen til det store sylindriske batteriet vil utvilsomt fremme utviklingen av kraftbatteriindustrien. Det er ikke så enkelt som å bare oppgradere fra 5. batteri til 1. batteri. Dens fete kropp har store spørsmål.
Kostnaden for batteriet er nær 40 % av kostnaden for hele kjøretøyet. Viktigheten av batteriet som "hjertet" er selvinnlysende.Men med populariteten til nye energikjøretøyer øker etterspørselen etter batterier dag for dag, og prisen på materialer øker. Innovasjonen av batterier har blitt en viktig måte for bilselskaper å utvikle seg på.
Med utviklingen av batterirelaterte teknologier er rimelige elbiler rett rundt hjørnet!
Innleggstid: 13. juni 2022