Począwszy od akumulatorów typu blade firmy BYD, poprzez akumulatory bezkobaltowe firmy Honeycomb Energy, aż po akumulatory sodowo-jonowe z ery CATL – przemysł akumulatorów elektroenergetycznych doświadcza ciągłych innowacji. 23 września 2020 r. - Dzień Baterii Tesli, dyrektor generalny Tesli Elon Musk pokazał światu nową baterię – baterię 4680.
Wcześniej rozmiary cylindrycznych baterii litowych wynosiły głównie 18650 i 21700, a 21700 miało o 50% więcej energii niż 18650.Akumulator 4680 ma pięciokrotnie większą pojemność ogniw niż akumulator 21700, a nowy akumulator może obniżyć koszt kilowatogodziny o około 14% i zwiększyć zasięg przelotowy o 16%.
Musk bez ogródek stwierdził, że dzięki temu akumulatorowi powstanie samochód elektryczny za 25 000 dolarów.
Skąd więc wzięła się ta groźna bateria?Następnie analizujemy je jeden po drugim.
1. Co to jest bateria 4680?
Sposób, w jaki Tesla nazywa akumulatory energetyczne, jest bardzo prosty i bezpośredni.Bateria 4680, jak sama nazwa wskazuje, jest baterią cylindryczną o średnicy pojedynczego ogniwa 46 mm i wysokości 80 mm.
Trzy różne rozmiary cylindrycznych akumulatorów litowo-jonowych
Jak widać na zdjęciu, w porównaniu z oryginalnym akumulatorem Tesli 18650 i akumulatorem 21700, akumulator 4680 wygląda na wysokiego i silnego mężczyznę.
Ale bateria 4680 to nie tylko zmiana rozmiaru. Tesla wprowadziła wiele nowych technologii w celu poprawy wydajności.
Po drugie, nowa technologia baterii 4680
1. Konstrukcja ucha bez elektrod
Intuicyjnie największe wrażenie związane z modelem 4680 polega na tym, że jest większy.Dlaczego więc w przeszłości inni producenci nie zwiększyli baterii.Dzieje się tak dlatego, że im większa objętość i wyższa energia, tym trudniej jest kontrolować ciepło i tym większe jest zagrożenie bezpieczeństwa w wyniku spalenia i eksplozji.
Najwyraźniej Tesla również wzięła to pod uwagę.
W porównaniu z poprzednią baterią cylindryczną, największą innowacją konstrukcyjną baterii 4680 jest końcówka bezelektrodowa, zwana także końcówką pełną.W tradycyjnej baterii cylindrycznej dodatnia i ujemna folia miedziana oraz separator z folii aluminiowej są ułożone i nawinięte. W celu wyciągnięcia elektrod do dwóch końców folii miedzianej i folii aluminiowej przyspawany jest drut prowadzący zwany wypustką.
Długość uzwojenia tradycyjnej baterii 1860 wynosi 800 mm. Biorąc za przykład folię miedzianą o lepszej przewodności, długość wypustek odprowadzających prąd z folii miedzianej wynosi 800 mm, co odpowiada prądowi przepływającemu przez przewód o długości 800 mm.
Obliczeniowo rezystancja wynosi około 20 mΩ, długość uzwojenia akumulatora 2170 wynosi około 1000 mm, a rezystancja około 23 mΩ.Można łatwo przeliczyć, że folię o tej samej grubości należy zwinąć w akumulator 4680, a długość uzwojenia wynosi około 3800mm.
Zwiększanie długości uzwojenia ma wiele wad. Elektrony muszą pokonać większą odległość, aby dotrzeć do wypustek na obu końcach baterii, rezystancja wzrośnie, a bateria będzie bardziej podatna na ciepło.Wydajność akumulatora ulegnie pogorszeniu, a nawet spowoduje problemy z bezpieczeństwem.Aby skrócić odległość pokonywaną przez elektrony, bateria 4680 wykorzystuje technologię bezelektrodowego ucha.
Wypustka bezelektrodowa nie ma wypustek, lecz zamienia cały kolektor prądu w wypustkę, ścieżka przewodzenia nie jest już zależna od wypustki, a prąd przekazywany jest z przekładni bocznej wzdłuż wypustki na płytkę kolektora do przekładni wzdłużnej kolektor prądu.
Całkowita długość przewodząca została zmieniona z 800 na 1000 mm przy długości folii miedzianej 1860 lub 2170 na 80 mm (wysokość akumulatora).Rezystancja zostaje zmniejszona do 2 mΩ, a wewnętrzne zużycie rezystancji zostaje zmniejszone z 2 W do 0,2 W, co jest bezpośrednio zmniejszone o rząd wielkości.
Taka konstrukcja znacznie zmniejsza impedancję akumulatora i rozwiązuje problem nagrzewania akumulatora cylindrycznego.
Z jednej strony technologia ucha bezelektrodowego zwiększa obszar przewodzenia prądu, skraca odległość przewodzenia prądu i znacznie zmniejsza rezystancję wewnętrzną akumulatora; zmniejszenie rezystancji wewnętrznej może zmniejszyć zjawisko przesunięcia prądu i przedłużyć żywotność baterii; zmniejszenie rezystancji może również zmniejszyć wytwarzanie ciepła, a powłoka przewodząca elektrodę Efektywna powierzchnia styku między warstwą a pokrywą końcową akumulatora może osiągnąć 100%, co może poprawić zdolność rozpraszania ciepła.
W baterii 4680 zastosowano nowy rodzaj technologii ucha bezelektrodowego pod względem struktury komórkowej, co może obniżyć koszty i zwiększyć wydajność.Z drugiej strony pominięty jest proces zgrzewania zakładek, poprawia się wydajność produkcji, a jednocześnie można zmniejszyć odsetek defektów spowodowanych spawaniem.
Schematyczny diagram struktury jednobiegunowej i pełnobiegunowej
2. W połączeniu z technologią CTC
Ogólnie rzecz biorąc, im większy rozmiar akumulatora, tym mniej akumulatorów należy zainstalować w tym samym pojeździe.Przy 18650 ogniwach Tesla potrzebuje 7100 ogniw.Jeśli używasz baterii 4680, potrzebujesz tylko 900 baterii.
Im mniej akumulatorów, tym szybciej można je złożyć, tym wyższa wydajność, tym mniejsze ryzyko problemów w ogniwach pośrednich i tym niższa cena.Według Tesli duży 4680 może obniżyć cenę produkcji akumulatorów o 14%.
Aby poprawić gęstość energii pakietu akumulatorów, akumulator 4680 zostanie połączony z technologią CTC (Cell to Chassis).Polega na zintegrowaniu ogniw akumulatora bezpośrednio z podwoziem.Całkowite usunięcie modułów i pakietów akumulatorów spowoduje, że ogniwa akumulatorowe staną się bardziej zwarte, liczba części akumulatorowych zostanie znacznie zmniejszona, a wykorzystanie przestrzeni podwozia również ulegnie znacznej poprawie.
CTC ma pewne wymagania dotyczące wytrzymałości strukturalnej akumulatora. Sam akumulator musi wytrzymywać dużą wytrzymałość mechaniczną. W porównaniu z akumulatorami 18650 i 2170, pojedyncza bateria 4680 ma większą wytrzymałość konstrukcyjną i wyższą wytrzymałość konstrukcyjną, a ogólna bateria o kwadratowej obudowie jest aluminiowa. Obudowa 4680 jest wykonana ze stali nierdzewnej, co gwarantuje naturalną wytrzymałość konstrukcyjną.
W porównaniu z akumulatorem o kwadratowej obudowie układ akumulatora cylindrycznego będzie bardziej elastyczny, można go dostosować do różnych podwozi i lepiej połączyć z miejscem.
Według badań i oceny „EMF” technologia CTC jest dyszą nowych pojazdów energetycznych w 2022 roku, a także rozwidleniem dróg.
Wbudowanie akumulatora w nadwozie może sprawić, że konserwacja pojazdu będzie niezwykle skomplikowana, a samodzielna wymiana akumulatora będzie trudna.Ceny usług posprzedażowych wzrosną, a koszty te, takie jak koszty ubezpieczenia, zostaną bezpośrednio przerzucone na konsumentów.Chociaż Musk twierdzi, że zaprojektował szyny naprawcze, które można wyciąć i wymienić, minie trochę czasu, aby przekonać się, jak dobrze to będzie działać.
Wiele firm samochodowych zaproponowało własne rozwiązania techniczne CTC, ponieważ nie tylko przestawia ono akumulator, ale także wymaga zmiany konstrukcji nadwozia.Wiąże się to z ponownym podziałem pracy w łańcuchu dostaw powiązanych branż.
CTC to tylko droga techniczna.Jest to korpus akumulatora zintegrowany z demontażem bez zmian.Po drugiej stronie istnieje inna technologia – wymiana baterii.Technologia wymiany baterii jest łatwa do demontażu, ale bateria ma ogromny wpływ na jej wytrzymałość.Wybór tych dwóch dróg to gra pomiędzy dostawcami akumulatorów a producentami OEM.
Technologia CTC w połączeniu z baterią 4680
3. Innowacje w procesie produkcji akumulatorów, materiałach katod i anod
Tesla zastosuje proces suchej elektrody akumulatorowej, zamiast rozpuszczalnika, niewielką ilość (około 5-8%) drobno sproszkowanego spoiwa PTFE miesza się z proszkiem elektrody dodatniej/ujemnej, przepuszcza przez wytłaczarkę w celu utworzenia cienkiego paska materiał elektrody, a następnie pasek materiału elektrody laminowano z kolektorem prądu z folii metalowej w celu utworzenia gotowej elektrody.
Wyprodukowany w ten sposób akumulator jest bardziej przyjazny dla środowiska.Proces ten zwiększy gęstość energii akumulatora i 10-krotnie zmniejszy zużycie energii podczas produkcji.Technologia suchych elektrod prawdopodobnie stanie się technologicznym punktem odniesienia dla następnej generacji.
Technologia suchej elektrody w akumulatorze Tesla 4680
Jeśli chodzi o materiały katodowe, Tesla oświadczyła, że usunie również pierwiastek kobaltowy z katody.Kobalt jest drogi i rzadki.Można go wydobywać tylko w nielicznych krajach na świecie lub w niestabilnych krajach Afryki, takich jak Kongo.Jeśli akumulator rzeczywiście potrafi usunąć element kobaltowy, można powiedzieć, że jest to duża innowacja technologiczna.
Kobalt
Jeśli chodzi o materiały anodowe, Tesla zacznie od materiałów krzemowych i użyje większej ilości krzemu, aby zastąpić obecnie używany grafit.Teoretyczna pojemność właściwa krzemowej elektrody ujemnej wynosi aż 4200 mAh/g, czyli jest dziesięciokrotnie wyższa niż grafitowej elektrody ujemnej.Jednakże elektrody ujemne na bazie krzemu mają również problemy, takie jak łatwe zwiększanie objętości krzemu, słaba przewodność elektryczna i duża początkowa utrata ładunku-rozładowania.
Dlatego też poprawa wydajności materiałów polega w rzeczywistości na znalezieniu równowagi między gęstością energii a stabilnością, a obecne produkty anodowe na bazie krzemu są domieszkowane krzemem i grafitem do zastosowań kompozytowych.
Tesla planuje zasadniczo zmienić plastyczność powierzchni krzemu, aby była mniej podatna na pękanie. Technologia ta nie tylko umożliwia szybsze ładowanie akumulatorów, ale także zwiększa ich żywotność o 20 procent.Tesla nazwała nowy materiał „Tesla Silicon”, a koszt wynosi 1,2 dolara za kWh, co stanowi zaledwie jedną dziesiątą istniejącego procesu z krzemem strukturalnym.
Anody na bazie krzemu są uważane za materiały anodowe baterii litowych nowej generacji.
W kilku modelach dostępnych na rynku zaczęto stosować materiały anodowe na bazie krzemu.Modele takie jak Tesla Model 3 zawierają już niewielkie ilości krzemu w elektrodzie ujemnej.Niedawno na rynek trafił model GAC AION LX Plus. Wersja Qianli jest wyposażona w technologię akumulatorów z gąbczastą anodą krzemową, która pozwala osiągnąć 1000 kilometrów żywotności baterii.
Anoda krzemowa baterii 4680
Podsumowując, zaletą technologii akumulatorów 4680 jest to, że może ona poprawić wydajność przy jednoczesnej redukcji kosztów.
3. Dalekosiężny wpływ baterii 4680
Bateria 4680 nie jest wywrotową rewolucją technologiczną, nie przełomem w gęstości energii, ale raczej innowacją w technologii procesowej.
Jednak napędzana przez Teslę, zgodnie z obecnym modelem nowego rynku energii, produkcja akumulatorów 4680 zmieni istniejący wzór akumulatorów.Przemysł nieuchronnie wywoła falę wielkogabarytowych akumulatorów cylindrycznych.
Według doniesień Panasonic planuje rozpocząć masową produkcję 4680 akumulatorów o dużej pojemności dla Tesli na początku 2023 roku.Nowa inwestycja będzie kosztować aż 80 miliardów jenów (ok. 704 mln dolarów).W prace nad akumulatorem 4680 włączyły się także firmy Samsung SDI i LG Energy.
Na rynku krajowym spółka Yiwei Lithium Energy ogłosiła, że jej spółka zależna Yiwei Power planuje budowę linii produkcyjnej dużych cylindrycznych akumulatorów o mocy 20 GWh do pojazdów osobowych w strefie zaawansowanych technologii Jingmen. Na pole dużych akumulatorów cylindrycznych wejdą także BAK Battery i Honeycomb Energy. BMW i CATL również aktywnie wdrażają duże cylindryczne akumulatory i określono podstawowy wzór.
Układ baterii cylindrycznej producentów baterii
Po czwarte, siła elektromotoryczna ma coś do powiedzenia
Innowacja konstrukcyjna dużego cylindrycznego akumulatora niewątpliwie będzie sprzyjać rozwojowi branży akumulatorów energetycznych. Nie jest to tak proste, jak samo przejście z piątej baterii na pierwszą. Jego grube ciało kryje w sobie wiele pytań.
Koszt akumulatora to blisko 40% ceny całego pojazdu. Znaczenie akumulatora jako „serca” jest oczywiste.Jednak wraz z popularnością nowych pojazdów energetycznych zapotrzebowanie na akumulatory rośnie z dnia na dzień, a ceny materiałów rosną. Innowacyjność akumulatorów stała się ważnym sposobem rozwoju firm samochodowych.
Wraz z rozwojem technologii związanych z akumulatorami, niedrogie pojazdy elektryczne są tuż za rogiem!
Czas publikacji: 13 czerwca 2022 r