Від лезової батареї BYD до безкобальтової батареї Honeycomb Energy, а потім до натрієво-іонної батареї епохи CATL, індустрія силових акумуляторів зазнавала постійних інновацій.23 вересня 2020 року – День батареї Tesla, генеральний директор Tesla Ілон Маск показав світові нову батарею – акумулятор 4680.
Раніше розміри циліндричних літієвих батарей були в основному 18650 і 21700, а 21700 мав на 50% більше енергії, ніж 18650.Батарея 4680 має в п’ять разів більшу ємність, ніж батарея 21700, і нова батарея може знизити вартість кіловат-години приблизно на 14% і збільшити запас ходу на 16%.
Маск прямо заявив, що ця батарея дозволить створити електромобіль вартістю 25 000 доларів.
Отже, звідки взявся цей грізний акумулятор?Далі ми аналізуємо їх один за іншим.
1. Що таке акумулятор 4680?
Тесла називає акумулятори дуже простими та зрозумілими.Батарея 4680, як випливає з назви, є циліндричною батареєю з діаметром одного елемента 46 мм і висотою 80 мм.
Літій-іонні циліндричні батареї трьох різних розмірів
Як видно на малюнку, порівняно з оригінальною батареєю Tesla 18650 і батареєю 21700, батарея 4680 виглядає як висока і сильна людина.
Але акумулятор 4680 — це не просто зміна розміру, Tesla включила багато нових технологій для підвищення продуктивності.
По-друге, нова технологія акумулятора 4680
1. Безелектродна конструкція вуха
Інтуїтивно зрозуміло, що найбільше відчуття від 4680 полягає в тому, що він більший.Тож чому інші виробники раніше не зробили акумулятор більшим.Це пов’язано з тим, що чим більший об’єм і вища енергія, тим важче контролювати тепло і тим більша загроза безпеці від горіння та вибуху.
Tesla, очевидно, також врахувала це.
Порівняно з попередньою циліндричною батареєю, найбільшим структурним нововведенням батареї 4680 є безелектродний вушок, також відомий як повний вушок.У традиційній циліндричній батареї позитивна та негативна мідна фольга та сепаратор алюмінієвої фольги складені та намотані.Щоб витягнути електроди, до обох кінців мідної фольги та алюмінієвої фольги приварюється свинцевий дріт, який називається язиком.
Довжина намотування традиційної батареї 1860 становить 800 мм.Взявши як приклад мідну фольгу з кращою провідністю, довжина виступів, які виводять електрику з мідної фольги, становить 800 мм, що еквівалентно струму, що проходить через дріт завдовжки 800 мм.
За розрахунком, опір становить близько 20 мОм, довжина намотування батареї 2170 становить близько 1000 мм, а опір становить близько 23 мОм.Можна легко перерахувати, що плівку такої ж товщини потрібно згорнути в батарею 4680, а довжина намотування становить близько 3800 мм.
Збільшення довжини намотування має багато недоліків.Електрони повинні подолати більшу відстань, щоб досягти виступів на обох кінцях батареї, опір збільшиться, і батарея буде більш схильною до нагрівання.Продуктивність батареї погіршиться і навіть створить проблеми з безпекою.Щоб скоротити відстань, яку проходять електрони, акумулятор 4680 використовує технологію безелектродного вуха.
Безелектродний вкладка не має виступів, а перетворює весь струмознімач у вкладку, провідний шлях більше не залежить від вкладки, а струм передається від бічної передачі по вкладці до колекторної пластини до поздовжньої передачі струмоприймача.
Загальна провідна довжина змінилася з 800 до 1000 мм довжини мідної фольги 1860 або 2170 до 80 мм (висота батареї).Опір зменшується до 2 мОм, а споживання внутрішнього опору зменшується з 2 Вт до 0,2 Вт, що безпосередньо зменшується на порядок.
Така конструкція значно знижує опір батареї та вирішує проблему нагрівання циліндричної батареї.
З одного боку, технологія безелектродного вуха збільшує площу провідності струму, скорочує відстань провідності струму та значно зменшує внутрішній опір батареї;зменшення внутрішнього опору може зменшити явище зміщення струму та продовжити термін служби батареї;зменшення опору також може зменшити виділення тепла та електропровідне покриття. Ефективна площа контакту між шаром і торцевою кришкою батареї може досягати 100%, що може покращити здатність розсіювати тепло.
Акумулятор 4680 застосовує новий тип безелектродної технології вух з точки зору клітинної структури, що може зменшити витрати та підвищити ефективність.З іншого боку, процес зварювання вкладок виключається, ефективність виробництва покращується, а кількість дефектів, викликаних зварюванням, може бути зменшена в той же час.
Принципова схема монопольної та повнополюсної структури
2. У поєднанні з технологією CTC
Загалом, чим більший розмір акумулятора, тим менше акумуляторів потрібно встановлювати в один автомобіль.З 18650 елементами Tesla потребує 7100 елементів.Якщо ви використовуєте батареї 4680, вам знадобиться лише 900 батарей.
Чим менше акумуляторів, тим швидше їх можна зібрати, тим вище ефективність, тим менше ймовірність проблем у проміжних ланках і тим дешевше ціна.За словами Tesla, великий 4680 може знизити виробничу ціну акумуляторів на 14%.
Щоб підвищити щільність енергії акумуляторної батареї, батарея 4680 буде поєднана з технологією CTC (Cell to Chassis).Він полягає в інтеграції елементів батареї безпосередньо в шасі.Завдяки повному видаленню модулів і акумуляторних блоків елементи батареї стануть більш компактними, кількість елементів батареї буде значно зменшена, а також значно покращиться використання простору шасі.
CTC висуває певні вимоги до структурної міцності батареї.Сама батарея має витримувати велику механічну міцність.Порівняно з батареями 18650 і 2170, одиночна батарея 4680 має більшу структурну міцність і більш високу структурну міцність, а звичайна квадратна батарея має алюмінієвий корпус.Оболонка 4680 виготовлена з нержавіючої сталі, і міцність конструкції гарантована.
Порівняно з батареєю квадратної оболонки, схема циліндричної батареї буде більш гнучкою, її можна адаптувати до різних шасі та краще поєднувати з сайтом.
Згідно з дослідженнями та судженнями «EMF», технологія CTC є фурмою нових транспортних засобів на енергії в 2022 році, а також розвилкою доріг.
Інтеграція акумулятора в кузов може надзвичайно ускладнити технічне обслуговування транспортного засобу, а акумулятор складно замінити самостійно.Ціни на післяпродажне обслуговування зростуть, і ці витрати будуть безпосередньо перекладені на споживачів, наприклад витрати на страхування.Хоча Маск стверджує, що вони розробили ремонтні рейки, які можна обрізати та замінити, потрібен час, щоб побачити, наскільки добре це працюватиме.
Багато автомобільних компаній запропонували власні технічні рішення CTC, адже він не тільки переставляє батарею, а й потребує зміни конструкції кузова.Це пов'язано з перерозподілом праці в ланцюзі поставок суміжних галузей.
CTC – це лише технічний маршрут.Це інтегрований корпус батареї, незмінне розбирання.Існує ще одна технологія – заміна акумулятора.Технологію заміни батареї легко розібрати, але батарея робить великий внесок у міцність батареї.Як вибрати ці два шляхи – це гра між постачальниками акумуляторів і OEM-виробниками.
Технологія CTC у поєднанні з акумулятором 4680
3. Інновації в процесі виробництва акумуляторів, матеріалах катодів і анодів
Tesla використовуватиме процес сухого акумуляторного електрода. Замість використання розчинника невелика кількість (приблизно 5-8%) дрібно подрібненого PTFE сполучного змішується з порошком позитивного/негативного електрода, пропускається через екструдер для формування тонкої смужки електродного матеріалу, а потім смужку електродного матеріалу ламінували на струмоприймач з металевої фольги для формування готового електрода.
Акумулятор, виготовлений таким чином, є більш екологічним.І цей процес збільшить щільність енергії батареї та зменшить енергоспоживання виробництва в 10 разів.Технологія сухого електроду, ймовірно, стане технологічним еталоном для наступного покоління.
Технологія сухого електрода акумулятора Tesla 4680
Що стосується матеріалів катода, Tesla сказав, що він також видалить елемент кобальту в катоді.Кобальт дорогий і дефіцитний.Його можна видобувати лише в небагатьох країнах світу або в нестабільних африканських країнах, таких як Конго.Якщо батарея справді може видалити кобальтовий елемент, можна сказати, що це головна технологічна інновація.
Кобальт
Що стосується анодних матеріалів, Tesla почне з кремнієвих матеріалів і використовуватиме більше кремнію, щоб замінити графіт, який зараз використовується.Теоретична питома ємність негативного електрода на основі кремнію становить 4200 мАг/г, що в десять разів вище, ніж у графітового негативного електрода.Проте негативні електроди на основі кремнію також мають такі проблеми, як легке розширення об’єму кремнію, погана електропровідність і великі початкові втрати заряду-розряду.
Таким чином, покращення характеристик матеріалів фактично полягає в пошуку балансу між щільністю енергії та стабільністю, а нинішні анодні продукти на основі кремнію леговані кремнієм і графітом для використання в композитах.
Tesla планує докорінно змінити пластичність кремнієвої поверхні, щоб зробити її менш схильною до поломок. Ця технологія не тільки дозволяє батареям заряджатися швидше, але й збільшує термін їх служби на 20 відсотків.Компанія Tesla назвала новий матеріал «Tesla Silicon», а вартість становить 1,2 дол./кВт-год, що становить лише одну десяту від існуючого процесу структурованого кремнію.
Аноди на основі кремнію вважаються анодними матеріалами для літієвих батарей нового покоління.
У кількох моделях на ринку почали використовувати анодні матеріали на основі кремнію.Такі моделі, як Tesla Model 3, уже містять невелику кількість кремнію в негативному електроді.Нещодавно була представлена модель GAC AION LX Plus.Версія Qianli оснащена технологією губчатого кремнієвого анодного чіпа, яка може досягти 1000 кілометрів автономної роботи.
4680 кремнієвий анод акумулятора
Якщо підсумувати переваги акумуляторної технології 4680, то це те, що вона може підвищити продуктивність, одночасно зменшуючи витрати.
3. Далекосяжний вплив батарей 4680
Акумулятор 4680 — це не підривна технологічна революція, не прорив у щільності енергії, а радше інновація в технології виробництва.
Однак, керуючись Tesla, для поточної моделі нового енергетичного ринку, виробництво 4680 батарей змінить існуючу структуру батарей.Індустрія неминуче підніме хвилю циліндричних батарей великого об’єму.
Згідно з повідомленнями, Panasonic планує почати масове виробництво 4680 акумуляторів великої ємності для Tesla на початку 2023 року.Нові інвестиції становитимуть 80 мільярдів ієн (приблизно 704 мільйони доларів США).До розробки батареї 4680 також долучилися Samsung SDI і LG Energy.
На внутрішньому ринку Yiwei Lithium Energy оголосила, що її дочірня компанія Yiwei Power планує побудувати лінію з виробництва великих циліндричних акумуляторів потужністю 20 ГВт-год для легкових транспортних засобів у зоні високих технологій Цзінмень.BAK Battery and Honeycomb Energy також вийдуть на ринок великих циліндричних батарей.BMW і CATL також активно розгортають великі циліндричні батареї, і базовий шаблон визначено.
Схема циліндричної батареї виробників
По-четверте, електрорушійна сила має що сказати
Конструктивні інновації великої циліндричної батареї, безсумнівно, сприятимуть розвитку індустрії силових акумуляторів.Це не так просто, як просто оновити 5-й акумулятор до 1-го.Його товсте тіло має великі запитання.
Вартість акумулятора становить близько 40% від вартості всього автомобіля.Важливість батареї як «серця» очевидна.Однак із зростанням популярності транспортних засобів з новою енергією попит на акумулятори зростає з кожним днем, а ціни на матеріали зростають.Інновації акумуляторів стали важливим шляхом розвитку автомобільних компаній.
З розвитком технологій, пов’язаних з акумуляторами, доступні електромобілі не за горами!
Час публікації: 13 червня 2022 р