Od BYD-ove blade baterije, do Honeycomb Energy baterije bez kobalta, a zatim do natrij-ionske baterije CATL ere, industrija energetskih baterija doživjela je stalne inovacije.23. rujna 2020. - Dan Teslinih baterija, izvršni direktor Tesle Elon Musk pokazao je svijetu novu bateriju – bateriju 4680.
Prethodno su veličine cilindričnih litijevih baterija uglavnom bile 18650 i 21700, a 21700 imala je 50% više energije od 18650.Baterija 4680 ima pet puta veći kapacitet ćelija od baterije 21700, a nova baterija može smanjiti cijenu po kilovat-satu za oko 14% i povećati domet krstarenja za 16%.
Musk je otvoreno izjavio da će ova baterija omogućiti električni automobil od 25.000 dolara.
Dakle, odakle ova prijeteća baterija?Zatim ih analiziramo jednog po jednog.
1. Što je 4680 baterija?
Teslin način imenovanja električnih baterija vrlo je jednostavan i jasan.Baterija 4680, kao što ime sugerira, je cilindrična baterija s promjerom jedne ćelije od 46 mm i visinom od 80 mm.
Tri različite veličine litij-ionskih cilindričnih baterija
Kao što se vidi sa slike, u usporedbi s originalnom Teslinom baterijom 18650 i baterijom 21700, baterija 4680 izgleda kao visok i snažan čovjek.
Ali baterija 4680 nije samo promjena veličine, Tesla je ugradio puno nove tehnologije za poboljšanje performansi.
Drugo, nova tehnologija 4680 baterije
1. Dizajn uha bez elektrode
Intuitivno, najveći osjećaj 4680 je taj što je veći.Pa zašto drugi proizvođači u prošlosti nisu napravili veću bateriju.To je zato što što je veći volumen i veća energija, toplinu je teže kontrolirati i veća je sigurnosna prijetnja od gorenja i eksplozije.
Tesla je očito i to uzeo u obzir.
U usporedbi s prethodnom cilindričnom baterijom, najveća strukturna inovacija baterije 4680 je ušica bez elektrode, također poznata kao puna ušica.U tradicionalnoj cilindričnoj bateriji, pozitivna i negativna bakrena folija i separator od aluminijske folije složeni su i namotani.Kako bi se izvukle elektrode, olovna žica koja se naziva jezičak zavarena je na dva kraja bakrene folije i aluminijske folije.
Duljina namotaja tradicionalne baterije 1860 je 800 mm.Uzimajući bakrenu foliju s boljom vodljivošću kao primjer, duljina jezičaca za izvođenje struje iz bakrene folije je 800 mm, što je ekvivalentno struji koja prolazi kroz žicu dugu 800 mm.
Izračunom, otpor je oko 20 mΩ, duljina namota baterije 2170 je oko 1000 mm, a otpor oko 23 mΩ.Lako se može preračunati da film iste debljine treba smotati u bateriju 4680, a duljina namotaja je oko 3800 mm.
Postoje mnogi nedostaci povećanja duljine namota.Elektroni moraju prijeći veću udaljenost da bi došli do jezičaca na oba kraja baterije, otpor će se povećati, a baterija će biti sklonija toplini.Performanse baterije će se pogoršati i čak stvoriti sigurnosne probleme.Kako bi se skratila udaljenost koju putuju elektroni, baterija 4680 koristi tehnologiju uha bez elektrode.
Bezelektrodni jezičak nema jezičke, već cijeli kolektor pretvara u jezičak, vodljivi put više ne ovisi o jezičku, a struja se prenosi od bočnog prijenosa duž jezička na kolektorsku ploču do uzdužnog prijenosa kolektor struje.
Cijela vodljiva duljina promijenjena je s 800 na 1000 mm duljine bakrene folije od 1860 ili 2170 na 80 mm (visina baterije).Otpor je smanjen na 2 mΩ, a potrošnja unutarnjeg otpora smanjena je s 2 W na 0,2 W, što je izravno smanjeno za red veličine.
Ovaj dizajn uvelike smanjuje impedanciju baterije i rješava problem zagrijavanja cilindrične baterije.
S jedne strane, tehnologija uha bez elektrode povećava područje provođenja struje, skraćuje udaljenost provođenja struje i uvelike smanjuje unutarnji otpor baterije;smanjenje unutarnjeg otpora može smanjiti fenomen pomaka struje i produljiti vijek trajanja baterije;smanjenje otpora također može smanjiti stvaranje topline, a vodljivi premaz elektrode. Učinkovita kontaktna površina između sloja i poklopca baterije može doseći 100%, što može poboljšati kapacitet rasipanja topline.
Baterija 4680 usvaja novu vrstu tehnologije uha bez elektroda u smislu stanične strukture, što može smanjiti troškove i povećati učinkovitost.S druge strane, postupak zavarivanja jezičaka je izostavljen, učinkovitost proizvodnje je poboljšana, a stopa grešaka uzrokovana zavarivanjem može se smanjiti u isto vrijeme.
Shematski dijagram monopolne i punopolne strukture
2. U kombinaciji s CTC tehnologijom
Općenito govoreći, što je baterija veća, to je manje baterija potrebno ugraditi u isto vozilo.Uz 18650 ćelija, Tesla treba 7100 ćelija.Ako koristite 4680 baterije, potrebno vam je samo 900 baterija.
Što je manje baterija, brže se mogu sastaviti, veća je učinkovitost, manja je mogućnost problema u međukarikama i niža je cijena.Prema Tesli, veliki 4680 može smanjiti proizvodnu cijenu baterija za 14%.
Kako bi se poboljšala gustoća energije baterije, baterija 4680 će se kombinirati s CTC (Cell to Chassis) tehnologijom.Radi se o integraciji baterijskih ćelija izravno u šasiju.Potpunim uklanjanjem modula i paketa baterija, ćelije baterije postaju kompaktnije, broj dijelova baterije bit će znatno smanjen, a iskorištenost prostora šasije će također biti znatno poboljšana.
CTC ima određene zahtjeve za strukturnu čvrstoću baterije.Sama baterija mora podnijeti veliku mehaničku snagu.U usporedbi s baterijama 18650 i 2170, pojedinačna baterija 4680 ima veću strukturnu čvrstoću i veću strukturnu čvrstoću, a uobičajena kvadratna baterija je aluminijska školjka.Kućište 4680 izrađeno je od nehrđajućeg čelika, a zajamčena je inherentna strukturna čvrstoća.
U usporedbi s četvrtastom baterijom, raspored cilindrične baterije bit će fleksibilniji, može se prilagoditi nizu različitih šasija i može se bolje kombinirati s mjestom.
Prema istraživanju i prosudbi “EMF-a”, CTC tehnologija je kolovoz novih energetskih vozila u 2022. godini, a također je i račvanje na putu.
Integracija baterije u karoseriju može izuzetno zakomplicirati održavanje vozila, a bateriju je teško samostalno zamijeniti.Cijene usluga nakon prodaje će se povećati, a ti će se troškovi izravno prenijeti na potrošače, poput troškova osiguranja.Iako Musk tvrdi da su dizajnirali tračnice za popravak koje se mogu rezati i mijenjati, trebat će vremena da se vidi koliko će dobro funkcionirati.
Mnoge automobilske tvrtke predložile su vlastita CTC tehnička rješenja, jer ne samo da preuređuju bateriju, već također trebaju promijeniti strukturu karoserije.To je povezano s ponovnom podjelom rada u opskrbnom lancu povezanih industrija.
CTC je samo tehnički put.To je integrirano tijelo baterije, nepromijenjeno rastavljanje.Postoji još jedna tehnologija nasuprot tome – zamjena baterija.Tehnologija zamjene baterija se lako rastavlja, ali baterija daje veliki doprinos snazi baterije.Kako odabrati ove dvije rute je igra između dobavljača baterija i OEM-a.
CTC tehnologija u kombinaciji s 4680 baterijom
3. Inovacija u procesu proizvodnje baterija, katodnih i anodnih materijala
Tesla će koristiti postupak suhe baterijske elektrode, umjesto korištenja otapala, mala količina (oko 5-8%) fino praškastog PTFE veziva se miješa s prahom pozitivne/negativne elektrode, prolazi kroz ekstruder kako bi se formirala tanka traka materijal elektrode, a zatim je traka materijala elektrode laminirana na kolektor struje od metalne folije da se formira gotova elektroda.
Ovako proizvedena baterija je ekološki prihvatljivija.I ovaj proces će povećati gustoću energije baterije i smanjiti potrošnju energije proizvodnje za 10 puta.Tehnologija suhe elektrode vjerojatno će postati tehnološko mjerilo za sljedeću generaciju.
Tehnologija suhe elektrode baterije Tesla 4680
Što se tiče katodnih materijala, Tesla je rekao da će također ukloniti element kobalta u katodi.Kobalt je skup i rijedak.Može se rudariti samo u vrlo malo zemalja u svijetu ili u nestabilnim afričkim zemljama poput Konga.Ako baterija doista može ukloniti element kobalta, može se reći da je to velika tehnološka inovacija.
Kobalt
Što se tiče anodnih materijala, Tesla će započeti sa silicijskim materijalima i koristiti više silicija kako bi zamijenio grafit koji se trenutno koristi.Teoretski specifični kapacitet negativne elektrode na bazi silicija iznosi čak 4200 mAh/g, što je deset puta više od negativne elektrode od grafita.Međutim, negativne elektrode na bazi silicija također imaju problema kao što su lako širenje volumena silicija, loša električna vodljivost i veliki početni gubici naelektrisanja i pražnjenja.
Stoga je poboljšanje performansi materijala zapravo pronaći ravnotežu između gustoće energije i stabilnosti, a trenutni anodni proizvodi na bazi silicija dopirani su silicijem i grafitom za upotrebu u kompozitima.
Tesla planira iz temelja promijeniti savitljivost površine silicija kako bi bila manje sklona lomljenju, što je tehnologija koja ne samo da omogućuje brže punjenje baterija, već i produljuje trajanje baterije za 20 posto.Tesla je novi materijal nazvao “Tesla silicij”, a cijena je 1,2 USD/KWh, što je samo jedna desetina postojećeg procesa strukturiranog silicija.
Anode na bazi silicija smatraju se anodnim materijalima nove generacije litijskih baterija.
Nekoliko modela na tržištu počelo je koristiti anodne materijale na bazi silicija.Modeli kao što je Tesla Model 3 već sadrže male količine silicija u negativnoj elektrodi.Nedavno je lansiran model GAC AION LX Plus.Verzija Qianli opremljena je tehnologijom spužvastih silicijskih anodnih baterija, koja može postići 1000 kilometara trajanja baterije.
4680 baterijska silicijska anoda
Da sažmemo prednosti tehnologije baterija 4680 jest da može poboljšati performanse uz smanjenje troškova.
3. Dalekosežni utjecaj 4680 baterija
Baterija 4680 nije subverzivna tehnološka revolucija, nije proboj u gustoći energije, već više inovacija u tehnologiji procesa.
Međutim, pod vodstvom Tesle, za trenutni obrazac novog energetskog tržišta, proizvodnja 4680 baterija promijenit će postojeći obrazac baterija.Industrija će neizbježno pokrenuti val cilindričnih baterija velikog volumena.
Prema izvješćima, Panasonic planira započeti masovnu proizvodnju 4680 baterija velikog kapaciteta za Teslu početkom 2023. godine.Nova investicija iznosit će čak 80 milijardi jena (približno 704 milijuna američkih dolara).U razvoj baterije 4680 uključili su se i Samsung SDI i LG Energy.
U zemlji, Yiwei Lithium Energy je objavio da njegova podružnica Yiwei Power planira izgraditi 20GWh veliku proizvodnu liniju cilindričnih baterija za osobna vozila u Jingmen visokotehnološkoj zoni.BAK Battery and Honeycomb Energy također će ući u područje velikih cilindričnih baterija.BMW i CATL također aktivno koriste velike cilindrične baterije, a osnovni obrazac je određen.
Cilindrični raspored baterija proizvođača baterija
Četvrto, elektromotorna sila ima nešto za reći
Strukturna inovacija velike cilindrične baterije nedvojbeno će promicati razvoj industrije energetskih baterija.Nije tako jednostavno kao samo nadogradnja s 5. baterije na 1. bateriju.Njegovo debelo tijelo ima velika pitanja.
Cijena baterije je blizu 40% cijene cijelog vozila.Važnost baterije kao "srca" je očigledna.Međutim, s popularnošću novih energetskih vozila, potražnja za baterijama raste iz dana u dan, a cijena materijala raste.Inovacija baterija postala je važan način razvoja automobilskih tvrtki.
S razvojem tehnologija povezanih s baterijama, pristupačna električna vozila su pred vratima!
Vrijeme objave: 13. lipnja 2022