Od rezalne baterije BYD do baterije brez kobalta Honeycomb Energy in nato do natrijevih ionskih baterij iz obdobja CATL je industrija električnih baterij doživljala nenehne inovacije. 23. september 2020 – Dan baterij Tesla, izvršni direktor Tesle Elon Musk je svetu pokazal novo baterijo – baterijo 4680.
Prej so bile velikosti cilindričnih litijevih baterij predvsem 18650 in 21700, 21700 pa je imela 50% več energije kot 18650.Baterija 4680 ima petkrat večjo zmogljivost celic kot baterija 21700, nova baterija pa lahko zniža stroške na kilovatno uro za približno 14 % in poveča doseg križarjenja za 16 %.
Musk je odkrito izjavil, da bo ta baterija omogočila električni avtomobil v vrednosti 25.000 $.
Torej, od kod ta grozeča baterija?Nato jih analiziramo enega za drugim.
1. Kaj je baterija 4680?
Teslin način poimenovanja električnih baterij je zelo preprost in enostaven.Baterija 4680, kot že ime pove, je cilindrična baterija s premerom ene celice 46 mm in višino 80 mm.
Tri različne velikosti litij-ionskih cilindričnih baterij
Kot je razvidno iz slike, je baterija 4680 v primerjavi s Teslino originalno baterijo 18650 in baterijo 21700 videti kot visok in močan človek.
Toda baterija 4680 ni le sprememba velikosti, Tesla je vključila veliko nove tehnologije za izboljšanje zmogljivosti.
Drugič, nova tehnologija baterije 4680
1. Zasnova ušes brez elektrod
Intuitivno je največji občutek pri modelu 4680 ta, da je večji.Zakaj torej drugi proizvajalci v preteklosti niso naredili večje baterije.Večja kot je prostornina in večja je energija, toploto je težje nadzorovati in večja je varnostna grožnja zaradi gorenja in eksplozije.
Tesla je očitno upoštevala tudi to.
V primerjavi s prejšnjo cilindrično baterijo je največja strukturna novost baterije 4680 čep brez elektrod, znan tudi kot polni čep.V tradicionalni cilindrični bateriji so pozitivna in negativna bakrena folija ter separator iz aluminijaste folije zloženi in naviti. Za izvlečenje elektrod je svinčena žica, imenovana jeziček, privarjena na dva konca bakrene folije in aluminijaste folije.
Dolžina navitja tradicionalne baterije 1860 je 800 mm. Če za primer vzamemo bakreno folijo z boljšo prevodnostjo, je dolžina jezičkov, ki vodijo elektriko iz bakrene folije, 800 mm, kar je enako toku, ki teče skozi 800 mm dolgo žico.
Po izračunu je upor približno 20 mΩ, dolžina navitja baterije 2170 je približno 1000 mm, upor pa približno 23 mΩ.Preprosto je mogoče pretvoriti, da je treba film enake debeline zviti v baterijo 4680, dolžina navijanja pa je približno 3800 mm.
Povečanje dolžine navitja ima veliko pomanjkljivosti. Elektroni morajo prepotovati daljšo razdaljo, da dosežejo jezičke na obeh koncih baterije, upor se bo povečal in baterija bo bolj izpostavljena vročini.Zmogljivost baterije se bo poslabšala in celo povzročila varnostne težave.Da bi skrajšali razdaljo, ki jo prepotujejo elektroni, baterija 4680 uporablja tehnologijo ušes brez elektrod.
Jeziček brez elektrod nima jezičkov, ampak spremeni celoten tokovni odjemnik v jeziček, prevodna pot ni več odvisna od jezička, tok pa se prenaša od bočnega prenosa vzdolž jezička na kolektorsko ploščo do vzdolžnega prenosa zbiralnik toka.
Celotna prevodna dolžina se je spremenila z 800 na 1000 mm dolžine bakrene folije 1860 ali 2170 na 80 mm (višina baterije).Upornost se zmanjša na 2 mΩ, poraba notranjega upora pa se zmanjša z 2 W na 0,2 W, kar se neposredno zmanjša za red velikosti.
Ta oblika močno zmanjša impedanco baterije in rešuje problem ogrevanja cilindrične baterije.
Po eni strani tehnologija ušesa brez elektrod poveča območje prevodnosti toka, skrajša razdaljo prevodnosti toka in močno zmanjša notranji upor baterije; zmanjšanje notranjega upora lahko zmanjša pojav odmika toka in podaljša življenjsko dobo baterije; zmanjšanje upora lahko tudi zmanjša nastajanje toplote in prevodno prevleko elektrode. Učinkovita kontaktna površina med plastjo in končnim pokrovčkom baterije lahko doseže 100 %, kar lahko izboljša zmogljivost odvajanja toplote.
Baterija 4680 sprejme novo vrsto tehnologije ušes brez elektrod v smislu celične strukture, ki lahko zmanjša stroške in poveča učinkovitost.Po drugi strani pa je postopek varjenja jezičkov izpuščen, učinkovitost proizvodnje je izboljšana, stopnja napak, ki jih povzroča varjenje, pa se lahko hkrati zmanjša.
Shematski diagram monopolne in polpolne strukture
2. V kombinaciji s tehnologijo CTC
Na splošno velja, da večja kot je baterija, manj baterij je treba namestiti v isto vozilo.Pri 18650 celicah Tesla potrebuje 7100 celic.Če uporabljate baterije 4680, potrebujete samo 900 baterij.
Manj kot je baterij, hitreje jih je mogoče sestaviti, večji je izkoristek, manjša je možnost težav v vmesnih členih in nižja je cena.Po besedah Tesle lahko veliki 4680 zniža proizvodno ceno baterij za 14%.
Da bi izboljšali energijsko gostoto baterijskega paketa, bo baterija 4680 kombinirana s tehnologijo CTC (Cell to Chassis).Gre za integracijo baterijskih celic neposredno v ohišje.S popolno odstranitvijo modulov in baterijskih sklopov bodo baterijske celice postale bolj kompaktne, število baterijskih delov se bo močno zmanjšalo, močno pa se bo izboljšala tudi prostorska izraba šasije.
CTC ima določene zahteve glede strukturne trdnosti baterije. Sama baterija mora prenesti veliko mehansko moč. V primerjavi z baterijama 18650 in 2170 ima enojna baterija 4680 večjo strukturno trdnost in večjo strukturno trdnost, splošna kvadratna baterija pa je aluminijasta lupina. Lupina 4680 je izdelana iz nerjavečega jekla in zagotovljena je inherentna strukturna trdnost.
V primerjavi z baterijo s kvadratno lupino bo postavitev cilindrične baterije bolj prilagodljiva, lahko se prilagodi različnim šasijam in jo je mogoče bolje kombinirati s spletno stranjo.
Po raziskavah in presoji EMF je tehnologija CTC leta 2022 vodilo novih energetskih vozil in je tudi razcep na cesti.
Integracija akumulatorja v karoserijo lahko izjemno oteži vzdrževanje vozila, akumulator pa je težko samostojno zamenjati.Cene poprodajnih storitev se bodo zvišale, ti stroški pa bodo neposredno prešli na potrošnike, na primer stroški zavarovanja.Čeprav Musk trdi, da so oblikovali tirnice za popravilo, ki jih je mogoče rezati in zamenjati, bo potreben čas, da vidimo, kako dobro bo delovalo.
Številna avtomobilska podjetja so predlagala lastne tehnične rešitve CTC, saj ne le preureja baterije, ampak mora spremeniti tudi strukturo karoserije.To je povezano s ponovno delitvijo dela v dobavni verigi povezanih panog.
CTC je samo tehnična pot.Gre za integrirano ohišje baterije, nespremenjeno razstavljanje.Poleg tega obstaja še ena tehnologija – zamenjava baterij.Tehnologijo zamenjave baterije je enostavno razstaviti, vendar baterija veliko prispeva k moči baterije.Kako izbrati ti dve poti, je igra med dobavitelji baterij in proizvajalci originalne opreme.
Tehnologija CTC v kombinaciji z baterijo 4680
3. Inovacije v proizvodnem procesu baterij, katodnih in anodnih materialih
Tesla bo uporabil postopek suhe baterijske elektrode, namesto uporabe topila, majhno količino (približno 5-8 %) fino uprašenega PTFE veziva pomešamo s prahom pozitivne/negativne elektrode, ki ga spustimo skozi ekstruder, da nastane tanek trak material elektrode, nato pa je bil trak materiala elektrode laminiran na tokovni zbiralnik iz kovinske folije, da je nastala končna elektroda.
Tako proizvedena baterija je bolj okolju prijazna.In ta proces bo povečal energijsko gostoto baterije in zmanjšal porabo energije pri proizvodnji za 10-krat.Tehnologija suhe elektrode bo verjetno postala tehnološko merilo za naslednjo generacijo.
Tehnologija suhe elektrode baterije Tesla 4680
Kar zadeva katodne materiale, je Tesla dejal, da bo odstranil tudi element kobalta v katodi.Kobalt je drag in redek.Kopati ga je mogoče le v zelo redkih državah na svetu ali v nestabilnih afriških državah, kot je Kongo.Če lahko baterija res odstrani element kobalta, lahko rečemo, da je to velika tehnološka inovacija.
Kobalt
Kar zadeva anodne materiale, bo Tesla začel s silicijevimi materiali in uporabil več silicija za zamenjavo trenutno uporabljenega grafita.Teoretična specifična zmogljivost negativne elektrode na osnovi silicija je kar 4200 mAh/g, kar je desetkrat več kot pri grafitni negativni elektrodi.Vendar pa imajo negativne elektrode na osnovi silicija tudi težave, kot so enostavna prostorninska ekspanzija silicija, slaba električna prevodnost in velika začetna izguba naboja in praznjenja.
Zato je izboljšanje učinkovitosti materialov dejansko iskanje ravnovesja med energijsko gostoto in stabilnostjo, trenutni anodni izdelki na osnovi silicija pa so dopirani s silicijem in grafitom za kompozitno uporabo.
Tesla namerava temeljito spremeniti kovnost površine silicija, da bi bila manj nagnjena k zlomom, tehnologija, ki ne omogoča samo hitrejšega polnjenja baterij, ampak tudi podaljša življenjsko dobo baterije za 20 odstotkov.Tesla je novi material poimenoval "Tesla Silicon", cena pa je 1,2 USD/KWh, kar je le ena desetina obstoječega postopka strukturiranega silicija.
Anode na osnovi silicija veljajo za anodne materiale za litijeve baterije naslednje generacije.
Nekaj modelov na trgu je začelo uporabljati anodne materiale na osnovi silicija.Modeli, kot je Tesla Model 3, že vsebujejo majhne količine silicija v negativni elektrodi.Pred kratkim je bil predstavljen model GAC AION LX Plus. Različica Qianli je opremljena s tehnologijo gobastega silicijevega anodnega čipa, ki lahko doseže 1000 kilometrov življenjske dobe baterije.
4680 baterijska silicijeva anoda
Če povzamemo prednosti tehnologije baterij 4680, je ta, da lahko izboljša zmogljivost in hkrati zmanjša stroške.
3. Daljnosežen vpliv baterij 4680
Baterija 4680 ni subverzivna tehnološka revolucija, ne preboj v energijski gostoti, temveč bolj inovacija v procesni tehnologiji.
Vendar pa bo proizvodnja 4680 baterij, ki jih poganja Tesla, za trenutni vzorec novega energetskega trga spremenila obstoječi vzorec baterij.Industrija bo neizogibno sprožila val cilindričnih baterij velike prostornine.
Glede na poročila namerava Panasonic v začetku leta 2023 začeti množično proizvodnjo 4680 baterij z veliko zmogljivostjo za Teslo.Nova naložba bo znašala kar 80 milijard jenov (približno 704 milijonov ameriških dolarjev).Razvoju baterije 4680 sta se pridružila tudi Samsung SDI in LG Energy.
Domače podjetje Yiwei Lithium Energy je objavilo, da namerava njegova hčerinska družba Yiwei Power zgraditi 20 GWh veliko linijo za proizvodnjo cilindričnih baterij za osebna vozila v visokotehnološki coni Jingmen. BAK Battery in Honeycomb Energy bosta vstopila tudi na področje velikih cilindričnih baterij. BMW in CATL prav tako aktivno uvajata velike cilindrične baterije in osnovni vzorec je bil določen.
Cilindrična postavitev baterije proizvajalcev baterij
Četrtič, elektromotorna sila ima nekaj povedati
Strukturna inovacija velike cilindrične baterije bo nedvomno spodbudila razvoj industrije električnih baterij. Ni tako preprosto kot samo nadgradnja s 5. baterije na 1. baterijo. Njegovo debelo telo ima veliko vprašanj.
Cena akumulatorja je blizu 40% cene celotnega vozila. Pomen baterije kot "srca" je samoumeven.S priljubljenostjo novih energetskih vozil pa je povpraševanje po baterijah iz dneva v dan večje, cene materialov pa vse višje. Inovacije baterij so postale pomemben način razvoja avtomobilskih podjetij.
Z razvojem tehnologij, povezanih z baterijami, so cenovno dostopna električna vozila tik pred vrati!
Čas objave: 13. junij 2022