Od BYD-ove blade baterije, do Honeycomb Energy-ove baterije bez kobalta, a zatim do natrijum-jonske baterije iz CATL ere, industrija električnih baterija je doživjela stalne inovacije.23. septembra 2020. - Dan baterije Tesle, izvršni direktor Tesle Elon Musk pokazao je svijetu novu bateriju - 4680 bateriju.
Ranije su veličine cilindričnih litijumskih baterija bile uglavnom 18650 i 21700, a 21700 je imalo 50% više energije od 18650.Baterija 4680 ima pet puta veći kapacitet ćelije od baterije 21700, a nova baterija može smanjiti cijenu po kilovat-satu za oko 14% i povećati domet krstarenja za 16%.
Musk je otvoreno rekao da će ova baterija omogućiti električni automobil od 25.000 dolara.
Dakle, odakle je došla ova preteća baterija?Zatim ih analiziramo jednu po jednu.
1. Šta je 4680 baterija?
Teslin način imenovanja energetskih baterija je vrlo jednostavan i jasan.Baterija 4680, kao što ime kaže, je cilindrična baterija sa prečnikom jedne ćelije od 46 mm i visinom od 80 mm.
Tri različite veličine litijum-jonskih cilindričnih baterija
Kao što se vidi sa slike, u poređenju sa Teslinom originalnom baterijom 18650 i baterijom 21700, baterija 4680 izgleda kao visok i snažan muškarac.
Ali baterija 4680 nije samo promjena veličine, Tesla je ugradio mnogo novih tehnologija za poboljšanje performansi.
Drugo, nova tehnologija 4680 baterije
1. Dizajn uha bez elektroda
Intuitivno, najveći osećaj kod modela 4680 je da je veći.Pa zašto drugi proizvođači u prošlosti nisu napravili bateriju veću.To je zato što što je veća zapremina i veća energija, toplotu je teže kontrolisati i veća je opasnost od gorenja i eksplozije.
Tesla je očigledno i ovo uzeo u obzir.
U poređenju sa prethodnom cilindričnom baterijom, najveća strukturna inovacija baterije 4680 je umetak bez elektroda, takođe poznat kao pun umetak.U tradicionalnoj cilindričnoj bateriji, pozitivna i negativna bakrena folija i separator aluminijske folije su naslagani i namotani.Da bi se izvukle elektrode, na dva kraja bakarne i aluminijske folije zavarena je olovna žica koja se zove jezičak.
Dužina namotaja tradicionalne 1860 baterije je 800 mm.Uzimajući za primjer bakarnu foliju sa boljom provodljivošću, dužina jezičaka za odvođenje struje iz bakarne folije je 800 mm, što je ekvivalentno struji koja prolazi kroz 800 mm dugu žicu.
Proračunom, otpor je oko 20mΩ, dužina namotaja baterije 2170 je oko 1000mm, a otpor je oko 23mΩ.Lako se može pretvoriti da je film iste debljine potrebno umotati u bateriju 4680, a dužina namotaja je oko 3800mm.
Postoji mnogo nedostataka za povećanje dužine namotaja.Elektroni moraju prijeći veću udaljenost da bi došli do jezičaka na oba kraja baterije, otpor će se povećati, a baterija će biti sklonija zagrijavanju.Performanse baterije će se pogoršati, pa čak i stvoriti sigurnosne probleme.Kako bi se skratila udaljenost koju putuju elektroni, baterija 4680 koristi tehnologiju uha bez elektroda.
Jezičak bez elektrode nema jezičke, već cijeli strujni kolektor pretvara u jezičak, provodni put više ne ovisi o jezičku, a struja se prenosi od bočnog prijenosa duž jezička na kolektorsku ploču do uzdužnog prijenosa strujni kolektor.
Celokupna dužina provodljivosti je promenjena sa 800 na 1000 mm dužine bakarne folije 1860 ili 2170 na 80 mm (visina baterije).Otpor je smanjen na 2mΩ, a potrošnja unutrašnjeg otpora je smanjena sa 2W na 0,2W, što je direktno smanjeno za red veličine.
Ovaj dizajn uvelike smanjuje impedanciju baterije i rješava problem grijanja cilindrične baterije.
S jedne strane, tehnologija uha bez elektroda povećava područje provođenja struje, skraćuje udaljenost provodljivosti struje i uvelike smanjuje unutrašnji otpor baterije;smanjenje unutrašnjeg otpora može smanjiti fenomen odstupanja struje i produžiti vijek trajanja baterije;smanjenje otpora takođe može smanjiti stvaranje toplote, a provodljivi premaz elektrode. Efektivna površina kontakta između sloja i krajnjeg poklopca baterije može dostići 100%, što može poboljšati kapacitet odvođenja toplote.
Baterija 4680 usvaja novu vrstu tehnologije uha bez elektroda u smislu strukture ćelije, što može smanjiti troškove i povećati efikasnost.S druge strane, proces zavarivanja jezičaka je izostavljen, efikasnost proizvodnje je poboljšana, a stopa oštećenja uzrokovanih zavarivanjem može se istovremeno smanjiti.
Šematski dijagram monopolne i punopolne strukture
2. U kombinaciji sa CTC tehnologijom
Uopšteno govoreći, što je veća veličina baterije, manje baterija treba da se ugradi u isto vozilo.Sa 18650 ćelija, Tesli je potrebno 7100 ćelija.Ako koristite 4680 baterija, potrebno vam je samo 900 baterija.
Što je manje baterija, brže se mogu sastaviti, veća je efikasnost, manje su šanse za probleme u međukarikama, a cijena je niža.Prema Teslinim riječima, veliki 4680 može smanjiti proizvodnu cijenu baterija za 14%.
Kako bi se poboljšala gustoća energije baterije, baterija 4680 će biti kombinovana sa CTC (Cell to Chassis) tehnologijom.Radi se o integraciji ćelija baterije direktno u šasiju.Potpunim uklanjanjem modula i baterijskih paketa, ćelije baterije postaju kompaktnije, broj dijelova baterije će se znatno smanjiti, a iskorištenost prostora šasije također će biti znatno poboljšana.
CTC ima određene zahtjeve za strukturnu čvrstoću baterije.Sama baterija mora podnijeti veliku mehaničku čvrstoću.U poređenju sa baterijama 18650 i 2170, pojedinačna baterija 4680 ima veću strukturnu čvrstoću i veću strukturnu čvrstoću, a opšta četvrtasta baterija je aluminijumska školjka.Kućište 4680 je napravljeno od nerđajućeg čelika, a inherentna čvrstoća konstrukcije je zagarantovana.
U poređenju sa kvadratnom baterijom, raspored cilindrične baterije će biti fleksibilniji, može se prilagoditi raznim šasijama i može se bolje kombinovati sa gradilištem.
Prema istraživanju i ocjeni “EMF-a”, CTC tehnologija je žičara novih energetskih vozila u 2022. godini, a ujedno je i račva na putu.
Integracija baterije u karoseriju može učiniti održavanje vozila izuzetno komplikovanim, a bateriju je teško zameniti samostalno.Cijene postprodajnih usluga će porasti, a ovi troškovi će se direktno prenijeti na potrošače, kao što su troškovi osiguranja.Iako Musk tvrdi da su dizajnirali šine za popravku koje se mogu rezati i zamijeniti, trebat će vremena da se vidi koliko će dobro funkcionirati.
Mnoge automobilske kompanije su predložile vlastita tehnička rješenja CTC-a, jer ne samo da preuređuje bateriju, već i treba promijeniti strukturu karoserije.Ovo se odnosi na ponovnu podelu rada u lancu snabdevanja srodnih industrija.
CTC je samo tehnički put.To je integrirano kućište baterije, nepromijenjeno rastavljanje.Preko puta je još jedna tehnologija – zamjena baterija.Tehnologiju zamjene baterija lako je rastaviti, ali baterija daje veliki doprinos snazi baterije.Kako odabrati ove dvije rute je igra između dobavljača baterija i OEM-a.
CTC tehnologija u kombinaciji sa 4680 baterijom
3. Inovacija u procesu proizvodnje baterija, katodnih i anodnih materijala
Tesla će koristiti proces suhih akumulatorskih elektroda, umjesto upotrebe rastvarača, mala količina (oko 5-8%) finog praškastog PTFE veziva se pomiješa sa prahom pozitivnih/negativnih elektroda, propuštenim kroz ekstruder kako bi se formirala tanka traka elektrodni materijal, a zatim je traka elektrodnog materijala laminirana na kolektor struje od metalne folije kako bi se formirala gotova elektroda.
Ovako proizvedena baterija je ekološki prihvatljivija.A ovaj proces će povećati gustoću energije baterije i smanjiti potrošnju energije u proizvodnji za 10 puta.Tehnologija suhih elektroda će vjerovatno postati tehnološko mjerilo za sljedeću generaciju.
Tesla 4680 tehnologija suhe elektrode baterije
Što se tiče katodnih materijala, Tesla je rekao da će ukloniti i kobaltni element u katodi.Kobalt je skup i oskudan.Može se kopati samo u vrlo malom broju zemalja u svijetu ili u nestabilnim afričkim zemljama poput Konga.Ako baterija zaista može ukloniti kobaltni element, može se reći da je to velika tehnološka inovacija.
Kobalt
Što se tiče anodnih materijala, Tesla će početi sa silicijumskim materijalima i koristiti više silicijuma da zameni grafit koji se trenutno koristi.Teoretski specifični kapacitet negativne elektrode na bazi silicijuma je čak 4200 mAh/g, što je deset puta više od grafitne negativne elektrode.Međutim, negativne elektrode na bazi silicijuma takođe imaju probleme kao što su lako proširenje zapremine silicijuma, slaba električna provodljivost i veliki početni gubitak pražnjenja.
Stoga je poboljšanje performansi materijala zapravo pronalaženje ravnoteže između gustine energije i stabilnosti, a trenutni anodni proizvodi na bazi silicijuma su dopirani silicijumom i grafitom za kompozitnu upotrebu.
Tesla planira iz temelja promijeniti savitljivost silikonske površine kako bi bila manje sklona lomljenju, tehnologija koja ne samo da omogućava brže punjenje baterija, već i produžava vijek trajanja baterije za 20 posto.Tesla je novi materijal nazvao "Tesla Silicon", a cijena je 1,2 USD/KWh, što je samo jedna desetina postojećeg procesa strukturiranog silicijuma.
Anode na bazi silicijuma smatraju se materijalima za anode litijumskih baterija sledeće generacije.
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.Qianli verzija je opremljena tehnologijom spužvastog silikonskog anodnog čipa, koja može postići 1.000 kilometara trajanja baterije.
4680 baterija silikonska anoda
Da sumiramo prednosti tehnologije baterija 4680 je to što može poboljšati performanse uz smanjenje troškova.
3. Dalekosežni uticaj 4680 baterija
Baterija 4680 nije subverzivna tehnološka revolucija, nije proboj u gustoći energije, već više inovacija u procesnoj tehnologiji.
Međutim, vođena Teslom, za trenutni obrazac novog energetskog tržišta, proizvodnja 4680 baterija promijenit će postojeći obrazac baterija.Industrija će neizbježno pokrenuti val velikih cilindričnih baterija.
Prema izvještajima, Panasonic planira započeti masovnu proizvodnju 4680 baterija velikog kapaciteta za Teslu početkom 2023. godine.Nova investicija će iznositi čak 80 milijardi jena (otprilike 704 miliona američkih dolara).Samsung SDI i LG Energy su se takođe pridružili razvoju 4680 baterije.
U zemlji, Yiwei Lithium Energy je objavila da njena podružnica Yiwei Power planira izgraditi liniju za proizvodnju velikih cilindričnih baterija od 20 GWh za putnička vozila u zoni visoke tehnologije Jingmen.BAK Battery i Honeycomb Energy će također ući u polje velikih cilindričnih baterija.BMW i CATL također aktivno koriste velike cilindrične baterije, a osnovni obrazac je utvrđen.
Cilindrični raspored baterija proizvođača baterija
Četvrto, elektromotorna sila ima nešto da kaže
Strukturna inovacija velike cilindrične baterije nesumnjivo će promovirati razvoj industrije električnih baterija.Nije tako jednostavno kao samo nadogradnja sa 5. baterije na 1. bateriju.Njegovo debelo tijelo ima velika pitanja.
Cijena baterije je blizu 40% cijene cijelog vozila.Važnost baterije kao „srca“ je sama po sebi očigledna.Međutim, s popularnošću novih energetskih vozila, potražnja za baterijama raste iz dana u dan, a cijene materijala rastu.Inovacija baterija postala je važan način za razvoj automobilskih kompanija.
Sa razvojem tehnologija vezanih za baterije, pristupačna električna vozila su odmah iza ugla!
Vrijeme objave: Jun-13-2022