От лезвийной батареи BYD до безкобальтовой батареи Honeycomb Energy, а затем до натрий-ионной батареи эпохи CATL, индустрия силовых аккумуляторов постоянно подвергалась инновациям. 23 сентября 2020 г. – День батареи Tesla, генеральный директор Tesla Илон Маск показал миру новую батарею – аккумулятор 4680.
Раньше типоразмеры цилиндрических литиевых батарей были в основном 18650 и 21700, причем 21700 имел на 50% больше энергии, чем 18650.Батарея 4680 имеет в пять раз большую емкость, чем батарея 21700, а новая батарея может снизить стоимость киловатт-часа примерно на 14% и увеличить запас хода на 16%.
Маск прямо заявил, что эта батарея позволит создать электромобиль стоимостью 25 000 долларов.
Так откуда же взялась эта грозная батарея?Далее мы анализируем их один за другим.
1. Что такое аккумулятор 4680?
Способ Теслы называть силовые батареи очень прост и понятен.Батарея 4680, как следует из названия, представляет собой цилиндрическую батарею с диаметром одной ячейки 46 мм и высотой 80 мм.
Три разных размера литий-ионных цилиндрических аккумуляторов
Как видно на картинке, по сравнению с оригинальным аккумулятором Tesla 18650 и аккумулятором 21700, аккумулятор 4680 выглядит высоким и сильным мужчиной.
Но батарея 4680 — это не просто изменение размера: Tesla внедрила множество новых технологий для повышения производительности.
Во-вторых, новая технология батареи 4680.
1. Безэлектродная конструкция уха.
Интуитивно понятно, что самое большое ощущение от 4680 — это то, что он больше.Так почему же другие производители раньше не увеличивали размер батареи?Это связано с тем, что чем больше объем и выше энергия, тем труднее контролировать тепло и тем выше угроза безопасности от горения и взрыва.
Тесла, очевидно, тоже принял это во внимание.
По сравнению с предыдущей цилиндрической батареей самым большим конструктивным новшеством батареи 4680 является безэлектродный наконечник, также известный как полный наконечник.В традиционной цилиндрической батарее положительная и отрицательная медная фольга, а также сепаратор из алюминиевой фольги сложены и намотаны друг на друга. Чтобы вытянуть электроды, к двум концам медной и алюминиевой фольги приваривается выводной провод, называемый язычком.
Длина намотки традиционной батареи 1860 года составляет 800 мм. Если взять в качестве примера медную фольгу с лучшей проводимостью, то длина выводов, выводящих электричество из медной фольги, составляет 800 мм, что эквивалентно току, проходящему через провод длиной 800 мм.
По расчету сопротивление около 20мОм, длина намотки аккумулятора 2170 около 1000мм, сопротивление около 23мОм.Легко переделать, что пленку такой же толщины нужно свернуть в батарею 4680, а длина намотки около 3800мм.
Увеличение длины намотки имеет множество недостатков. Электронам необходимо преодолеть большее расстояние, чтобы достичь выступов на обоих концах батареи, сопротивление увеличится, и батарея станет более склонной к нагреву.Производительность аккумулятора ухудшится и даже создаст проблемы с безопасностью.Чтобы сократить расстояние, проходимое электронами, в аккумуляторе 4680 используется безэлектродная технология уха.
Безэлектродный вывод не имеет выступов, а превращает весь токосъемник в вывод, токопроводящий путь больше не зависит от вывода, и ток передается от боковой передачи по выступу к пластине коллектора к продольной передаче токосъемник.
Вся проводящая длина изменилась с 800 до 1000 мм (длина медной фольги 1860 или 2170) до 80 мм (высота батареи).Сопротивление уменьшено до 2мОм, а потребление внутреннего сопротивления уменьшено с 2Вт до 0,2Вт, что непосредственно уменьшается на порядок.
Такая конструкция значительно снижает сопротивление батареи и решает проблему нагрева цилиндрической батареи.
С одной стороны, технология безэлектродного уха увеличивает площадь проводимости тока, сокращает расстояние проводимости тока и значительно снижает внутреннее сопротивление батареи; уменьшение внутреннего сопротивления может уменьшить явление смещения тока и продлить срок службы батареи; уменьшение сопротивления также может уменьшить выделение тепла, а также проводящее покрытие электрода. Эффективная площадь контакта между слоем и торцевой крышкой батареи может достигать 100%, что может улучшить способность рассеивания тепла.
В аккумуляторе 4680 используется новый тип безэлектродной технологии с точки зрения структуры ячеек, что позволяет снизить затраты и повысить эффективность.С другой стороны, процесс сварки выступов отсутствует, эффективность производства повышается, и в то же время можно снизить количество дефектов, вызванных сваркой.
Принципиальная схема монопольной и полнополюсной структуры
2. В сочетании с технологией CTC.
Вообще говоря, чем больше размер батареи, тем меньше батарей необходимо установить в один и тот же автомобиль.При наличии 18 650 ячеек Tesla требуется 7 100 ячеек.Если вы используете батареи 4680, вам понадобится всего 900 батарей.
Чем меньше аккумуляторов, тем быстрее их можно собрать, тем выше эффективность, меньше вероятность проблем в промежуточных звеньях и дешевле цена.По мнению Tesla, большой 4680 может снизить стоимость производства аккумуляторов на 14%.
Чтобы улучшить плотность энергии аккумуляторной батареи, батарея 4680 будет объединена с технологией CTC (Cell to Chassis).Он заключается в интеграции аккумуляторных элементов непосредственно в шасси.При полном удалении модулей и аккумуляторных блоков аккумуляторные элементы становятся более компактными, количество аккумуляторных частей значительно сокращается, а также значительно улучшается использование пространства корпуса.
CTC предъявляет определенные требования к конструктивной прочности аккумулятора. Сама батарея должна выдерживать большую механическую прочность. По сравнению с батареями 18650 и 2170, одиночная батарея 4680 имеет большую структурную прочность и более высокую структурную прочность, а обычная батарея с квадратным корпусом представляет собой алюминиевый корпус. Корпус 4680 изготовлен из нержавеющей стали, что гарантирует присущую ему структурную прочность.
По сравнению с батареей с квадратным корпусом конструкция цилиндрической батареи будет более гибкой, ее можно будет адаптировать к различным шасси и лучше сочетать с площадкой.
Согласно исследованиям и оценкам «EMF», технология CTC является фурмой новых энергетических транспортных средств в 2022 году, а также развилкой на дороге.
Интеграция аккумулятора в кузов может крайне усложнить обслуживание автомобиля, а батарею сложно заменить самостоятельно.Цены на послепродажное обслуживание вырастут, и эти затраты будут напрямую переложены на потребителей, например, расходы на страхование.Хотя Маск утверждает, что они разработали ремонтные направляющие, которые можно разрезать и заменять, потребуется время, чтобы увидеть, насколько хорошо они будут работать.
Многие автомобильные компании предложили свои технические решения СТС, ведь здесь не только переставляют батарею, но и нужно менять конструкцию кузова.Это связано с перераспределением труда в цепочке поставок смежных отраслей.
СТС — это всего лишь технический маршрут.Это интегрированный корпус аккумулятора, разборка без изменений.Напротив есть еще одна технология – замена батареи.Технология замены аккумулятора легко разбирается, но аккумулятор вносит большой вклад в его срок службы.Как выбрать эти два пути — это игра между поставщиками аккумуляторов и OEM-производителями.
Технология CTC в сочетании с аккумулятором 4680.
3. Инновации в процессе производства аккумуляторов, катодных и анодных материалах.
Tesla будет использовать процесс с использованием сухого аккумуляторного электрода: вместо использования растворителя небольшое количество (около 5-8%) мелкоизмельченного связующего из ПТФЭ смешивается с порошком положительного/отрицательного электрода, пропускается через экструдер для формирования тонкой полоски электродного материала, а затем полоску электродного материала ламинировали на токосъемник из металлической фольги, чтобы сформировать готовый электрод.
Батарея, произведенная таким способом, более экологична.А этот процесс позволит увеличить плотность энергии аккумулятора и снизить энергопотребление производства в 10 раз.Технология сухих электродов, вероятно, станет технологическим ориентиром для следующего поколения.
Технология сухих электродов батареи Tesla 4680
Что касается катодных материалов, Tesla заявила, что она также удалит элемент кобальта из катода.Кобальт дорогой и дефицитный.Его можно добывать только в очень немногих странах мира или в нестабильных африканских странах, таких как Конго.Если батарея действительно сможет удалить элемент кобальта, это можно назвать крупной технологической инновацией.
Кобальт
Что касается анодных материалов, Tesla начнет с кремниевых материалов и будет использовать больше кремния для замены используемого в настоящее время графита.Теоретическая удельная емкость отрицательного электрода на основе кремния достигает 4200 мАч/г, что в десять раз выше, чем у графитового отрицательного электрода.Однако отрицательные электроды на основе кремния также имеют такие проблемы, как легкое объемное расширение кремния, плохая электропроводность и большие начальные потери заряда-разряда.
Таким образом, улучшение характеристик материалов на самом деле заключается в поиске баланса между плотностью энергии и стабильностью, а современные анодные изделия на основе кремния легируются кремнием и графитом для использования в композитах.
Tesla планирует фундаментально изменить пластичность кремниевой поверхности, чтобы сделать ее менее склонной к поломке. Эта технология не только позволяет батареям заряжаться быстрее, но и увеличивает срок их службы на 20 процентов.Тесла назвал новый материал «Tesla Silicon», а его стоимость составляет $1,2/кВтч, что составляет лишь одну десятую стоимости существующего процесса структурированного кремния.
Аноды на основе кремния считаются анодными материалами для литиевых батарей следующего поколения.
В некоторых моделях на рынке начали использовать анодные материалы на основе кремния.Такие модели, как Tesla Model 3, уже содержат небольшое количество кремния в отрицательном электроде.Недавно была выпущена модель GAC AION LX Plus. Версия Qianli оснащена аккумуляторной батареей с губчатым кремниевым анодом, которая обеспечивает срок службы батареи 1000 километров.
Кремниевый анод батареи 4680
Подводя итог преимуществам аккумуляторной технологии 4680, можно сказать, что она позволяет повысить производительность при одновременном снижении затрат.
3. Далеко идущие последствия батарей 4680
Батарея 4680 — это не революционная технологическая революция, не прорыв в плотности энергии, а скорее инновация в технологии производства.
Однако, по инициативе Tesla, для текущей модели нового энергетического рынка, производство 4680 батарей изменит существующую структуру батарей.Промышленность неизбежно вызовет волну цилиндрических батарей большого объема.
По имеющимся данным, Panasonic планирует начать серийное производство 4680 аккумуляторов большой ёмкости для Tesla в начале 2023 года.Новые инвестиции составят 80 миллиардов иен (около 704 миллионов долларов США).К разработке аккумулятора 4680 также присоединились Samsung SDI и LG Energy.
На внутреннем рынке Yiwei Lithium Energy объявила, что ее дочерняя компания Yiwei Power планирует построить линию по производству крупных цилиндрических аккумуляторов мощностью 20 ГВтч для легковых автомобилей в зоне высоких технологий Цзинмэнь. BAK Battery и Honeycomb Energy также выйдут на рынок крупных цилиндрических батарей. BMW и CATL также активно внедряют крупные цилиндрические батареи, и базовая схема определена.
Расположение цилиндрической батареи производителей аккумуляторов
В-четвертых, электродвижущей силе есть что сказать.
Структурная инновация большой цилиндрической батареи, несомненно, будет способствовать развитию индустрии аккумуляторных батарей. Это не так просто, как просто перейти с 5-й батареи на 1-ю. Его толстое тело вызывает большие вопросы.
Стоимость аккумулятора составляет около 40% от стоимости всего автомобиля. Важность аккумулятора как «сердца» очевидна.Однако с ростом популярности транспортных средств на новой энергии спрос на аккумуляторы растет с каждым днем, а цены на материалы растут. Инновации в области аккумуляторов стали важным способом развития автомобильных компаний.
С развитием технологий, связанных с аккумуляторами, доступные электромобили уже не за горами!
Время публикации: 13 июня 2022 г.