Från BYD:s bladbatteri till Honeycomb Energys koboltfria batteri, och sedan till natriumjonbatteriet från CATL-eran, har kraftbatteriindustrin upplevt kontinuerlig innovation. 23 september 2020 - Tesla Battery Day, Teslas vd Elon Musk visade världen ett nytt batteri – 4680-batteriet.
Tidigare var storlekarna på cylindriska litiumbatterier huvudsakligen 18650 och 21700, och 21700 hade 50% mer energi än 18650.4680-batteriet har fem gånger så stor cellkapacitet som 21700-batteriet, och det nya batteriet kan minska kostnaden per kilowattimme med cirka 14 % och öka marschintervallet med 16 %.
Musk sa rakt ut att detta batteri kommer att göra en elbil på 25 000 dollar möjlig.
Så, var kom detta hotfulla batteri ifrån?Därefter analyserar vi dem en efter en.
1. Vad är ett 4680-batteri?
Teslas sätt att namnge kraftbatterier är väldigt enkelt och okomplicerat.4680-batteriet, som namnet antyder, är ett cylindriskt batteri med en encellsdiameter på 46 mm och en höjd på 80 mm.
Tre olika storlekar av cylindriska litiumjonbatterier
Som framgår av bilden, jämfört med Teslas original 18650 batteri och 21700 batteri, ser 4680 batteriet ut som en lång och stark man.
Men 4680-batteriet är inte bara en storleksförändring, Tesla har införlivat mycket ny teknik för att förbättra prestandan.
För det andra, den nya tekniken för 4680 batteri
1. Elektrodlös örondesign
Intuitivt är den största känslan med 4680 att den är större.Så varför gjorde inte andra tillverkare batteriet större tidigare.Detta beror på att ju större volym och ju högre energi, värmen är svårare att kontrollera och desto större säkerhetshot från förbränning och explosion.
Tesla har tydligen också tagit hänsyn till detta.
Jämfört med det tidigare cylindriska batteriet är den största strukturella innovationen hos 4680-batteriet den elektrodlösa klacken, även känd som den fulla luggen.I ett traditionellt cylindriskt batteri staplas och lindas de positiva och negativa kopparfolierna och aluminiumfolieseparatorn. För att dra ut elektroderna svetsas en blytråd som kallas fliken till de två ändarna av kopparfolien och aluminiumfolien.
Lindningslängden på ett traditionellt 1860-batteri är 800 mm. Ta kopparfolien med bättre konduktivitet som ett exempel, längden på flikarna för att leda elektriciteten ut ur kopparfolien är 800 mm, vilket motsvarar strömmen som passerar genom den 800 mm långa tråden.
Genom beräkning är motståndet cirka 20mΩ, lindningslängden på 2170-batteriet är cirka 1000 mm och resistansen är cirka 23mΩ.Det kan enkelt omvandlas till att filmen av samma tjocklek måste rullas in i ett 4680-batteri, och lindningslängden är cirka 3800 mm.
Det finns många nackdelar med att öka lindningslängden. Elektronerna behöver resa en längre sträcka för att nå flikarna i båda ändarna av batteriet, motståndet kommer att öka och batteriet blir mer benäget att bli hetta.Batteriets prestanda kommer att försämras och till och med skapa säkerhetsproblem.För att korta avståndet som elektronerna tillryggalägger använder 4680-batteriet elektrodlös öronteknologi.
Den elektrodlösa fliken har inga flikar, utan förvandlar hela strömavtagaren till en flik, den ledande banan beror inte längre på fliken, och strömmen överförs från den laterala överföringen längs fliken till kollektorplattan till den längsgående överföringen av den nuvarande samlaren.
Hela den ledande längden har ändrats från 800 till 1000 mm av 1860 eller 2170 kopparfolielängd till 80 mm (batterihöjd).Resistansen reduceras till 2mΩ, och den interna resistansförbrukningen reduceras från 2W till 0,2W, vilket direkt reduceras med en storleksordning.
Denna design minskar batteriets impedans avsevärt och löser uppvärmningsproblemet för det cylindriska batteriet.
Å ena sidan ökar den elektrodlösa öronteknologin strömledningsområdet, förkortar strömledningsavståndet och reducerar kraftigt batteriets inre motstånd; minskningen av det interna motståndet kan minska strömförskjutningsfenomenet och förlänga batteriets livslängd; minskningen av resistansen kan också minska värmegenereringen, och den elektrodledande beläggningen. Den effektiva kontaktytan mellan skiktet och batteriändlocket kan nå 100 %, vilket kan förbättra värmeavledningskapaciteten.
4680-batteriet antar en ny typ av elektrodlös öronteknologi när det gäller cellstruktur, vilket kan minska kostnaderna och öka effektiviteten.Å andra sidan utelämnas svetsprocessen för flikarna, produktionseffektiviteten förbättras och defektfrekvensen som orsakas av svetsning kan samtidigt minskas.
Schematiskt diagram över monopol- och fullpolig struktur
2. Kombinerat med CTC-teknik
Generellt sett gäller att ju större batteristorlek, desto färre batterier behöver installeras i samma fordon.Med 18650 celler behöver en Tesla 7100 celler.Använder du 4680 batterier behöver du bara 900 batterier.
Ju färre batterier desto snabbare kan de monteras, desto högre effektivitet, desto mindre risk för problem i mellanlänkarna och desto billigare pris.Enligt Tesla kan den stora 4680:an sänka produktionspriset på batterier med 14%.
För att förbättra energitätheten i batteripaketet kommer 4680-batteriet att kombineras med CTC-teknik (Cell to Chassis).Det är för att integrera battericellerna direkt i chassit.Genom att helt ta bort modulerna och batteripaketen blir battericellerna mer kompakta, antalet batteridelar reduceras kraftigt och utrymmesutnyttjandet av chassit förbättras också avsevärt.
CTC har vissa krav på batteriets strukturella styrka. Batteriet i sig måste bära mycket mekanisk styrka. Jämfört med 18650 och 2170 batterierna har 4680 singelbatteriet en större strukturell styrka och högre strukturell styrka, och det allmänna fyrkantiga skalbatteriet är ett aluminiumskal. 4680-skalet är tillverkat av rostfritt stål, och den inneboende strukturella styrkan är garanterad.
Jämfört med det fyrkantiga skalbatteriet kommer layouten på det cylindriska batteriet att vara mer flexibelt, kan anpassas till en mängd olika chassin och kan bättre kombineras med platsen.
Enligt forskningen och bedömningen av "EMF" är CTC-tekniken redskapet för nya energifordon 2022, och det är också en vägskäl.
Integreringen av batteriet i kroppen kan göra underhållet av fordonet extremt komplicerat, och batteriet är svårt att byta självständigt.Priserna på kundservice kommer att öka och dessa kostnader kommer att överföras direkt på konsumenterna, såsom försäkringskostnader.Även om Musk hävdar att de har designat reparationsskenor som kan kapas och bytas ut, kommer det att ta tid att se hur bra det kommer att fungera.
Många bilföretag har föreslagit sina egna CTC-tekniska lösningar, eftersom det inte bara ordnar om batteriet, utan också behöver ändra karossstrukturen.Detta är relaterat till omfördelningen av arbetskraft i leverantörskedjan för relaterade industrier.
CTC är bara en teknisk väg.Det är en batterikropp integrerad, oförändrad demontering.Det finns en annan teknik mittemot den – batteribyte.Batteribytestekniken är lätt att demontera, men batteriet bidrar stort till batteristyrkan.Hur man väljer dessa två vägar är ett spel mellan batterileverantörer och OEM-tillverkare.
CTC-teknik kombinerat med 4680 batteri
3. Innovation i batteriproduktionsprocessen, katod- och anodmaterial
Tesla kommer att använda torrbatterielektrodprocessen, istället för att använda ett lösningsmedel, blandas en liten mängd (ca 5-8%) av ett finpulveriserat PTFE-bindemedel med positivt/negativt elektrodpulver, passerar genom en extruder för att bilda en tunn remsa av elektrodmaterial, och sedan laminerades en remsa av elektrodmaterial till en metallfolieströmsamlare för att bilda den färdiga elektroden.
Batteriet som produceras på detta sätt är mer miljövänligt.Och denna process kommer att öka batteriets energitäthet och minska produktionens energiförbrukning med 10 gånger.Torrelektrodteknik kommer sannolikt att bli det tekniska riktmärket för nästa generation.
Tesla 4680 batteri torrelektrodteknologi
När det gäller katodmaterial sa Tesla att man också kommer att ta bort koboltelementet i katoden.Kobolt är dyrt och knappt.Det kan bara brytas i väldigt få länder i världen, eller i instabila afrikanska länder som Kongo.Om batteriet verkligen kan ta bort koboltelementet kan det sägas vara en stor teknisk innovation.
Kobolt
När det gäller anodmaterial kommer Tesla att börja med kiselmaterial och använda mer kisel för att ersätta den grafit som för närvarande används.Den teoretiska specifika kapaciteten hos den kiselbaserade negativa elektroden är så hög som 4200mAh/g, vilket är tio gånger högre än den negativa grafitelektroden.Men kiselbaserade negativa elektroder har också problem som lätt volymexpansion av kisel, dålig elektrisk ledningsförmåga och stor initial laddnings-urladdningsförlust.
Därför är prestandaförbättringen av material faktiskt att hitta en balans mellan energitäthet och stabilitet, och de nuvarande kiselbaserade anodprodukterna är dopade med kisel och grafit för kompositanvändning.
Tesla planerar att i grunden ändra formbarheten hos kiselytan för att göra den mindre benägen att gå sönder, en teknik som inte bara gör att batterier laddas snabbare, utan också ökar batteritiden med 20 procent.Tesla döpte det nya materialet till "Tesla Silicon", och kostnaden är $1,2/KWh, vilket bara är en tiondel av den befintliga strukturerade kiselprocessen.
Kiselbaserade anoder anses vara nästa generations anodmaterial för litiumbatterier.
Ett fåtal modeller på marknaden har börjat använda silikonbaserade anodmaterial.Modeller som Tesla Model 3 innehåller redan små mängder kisel i den negativa elektroden.Nyligen lanserades modellen GAC AION LX Plus. Qianli-versionen är utrustad med anodchipsbatteriteknik av svampkisel, som kan uppnå 1 000 kilometers batteritid.
4680 batteri silikonanod
För att sammanfatta fördelarna med 4680 batteriteknik är att den kan förbättra prestandan samtidigt som den minskar kostnaderna.
3. Den långtgående effekten av 4680-batterier
4680-batteriet är inte en subversiv teknisk revolution, inte ett genombrott i energitäthet, utan mer av en innovation inom processteknik.
Men, drivet av Tesla, för det nuvarande mönstret på den nya energimarknaden, kommer produktionen av 4680 batterier att förändra det befintliga batterimönstret.Industrin kommer oundvikligen att sätta igång en våg av stora volymer cylindriska batterier.
Enligt rapporter planerar Panasonic att starta massproduktion av 4680 batterier med stor kapacitet för Tesla i början av 2023.Den nya investeringen kommer att vara så hög som 80 miljarder yen (ungefär 704 miljoner USD).Samsung SDI och LG Energy har också anslutit sig till utvecklingen av 4680-batteriet.
Inrikes meddelade Yiwei Lithium Energy att dess dotterbolag Yiwei Power planerar att bygga en 20GWh stor cylindrisk batteriproduktionslinje för passagerarfordon i Jingmen High-tech Zone. BAK Battery and Honeycomb Energy kommer också in på området för stora cylindriska batterier. BMW och CATL använder också aktivt stora cylindriska batterier, och grundmönstret har bestämts.
Batteritillverkarnas cylindriska batterilayout
För det fjärde har den elektromotoriska kraften något att säga
Den strukturella innovationen av det stora cylindriska batteriet kommer utan tvekan att främja utvecklingen av kraftbatteriindustrin. Det är inte så enkelt som att bara uppgradera från det 5:e batteriet till det 1:a batteriet. Dess feta kropp har stora frågor.
Kostnaden för batteriet är nära 40 % av kostnaden för hela fordonet. Vikten av batteriet som "hjärtat" är självklart.Men med populariteten av nya energifordon ökar efterfrågan på batterier dag för dag, och priset på material stiger. Innovationen av batterier har blivit ett viktigt sätt för bilföretag att utvecklas.
Med utvecklingen av batterirelaterade tekniker är prisvärda elfordon precis runt hörnet!
Posttid: 2022-jun-13