Mula sa blade battery ng BYD, hanggang sa cobalt-free na baterya ng Honeycomb Energy, at pagkatapos ay hanggang sa sodium-ion na baterya noong panahon ng CATL, ang industriya ng power battery ay nakaranas ng tuluy-tuloy na pagbabago.Setyembre 23, 2020 - Tesla Battery Day, ipinakita ng CEO ng Tesla na si Elon Musk sa mundo ang isang bagong baterya – ang 4680 na baterya.
Dati, ang mga sukat ng cylindrical lithium na baterya ay higit sa lahat ay 18650 at 21700, at ang 21700 ay may 50% na mas maraming enerhiya kaysa sa 18650.Ang 4680 na baterya ay may limang beses na kapasidad ng cell ng 21700 na baterya, at ang bagong baterya ay maaaring bawasan ang gastos sa bawat kilowatt-hour ng humigit-kumulang 14% at taasan ang saklaw ng cruising ng 16%.
Tahimik na sinabi ni Musk na ang bateryang ito ay gagawa ng $25,000 electric car na posible.
Kaya, saan nagmula ang mapanganib na bateryang ito?Susunod, sinusuri namin ang mga ito nang paisa-isa.
1. Ano ang 4680 na baterya?
Ang paraan ng Tesla sa pagbibigay ng pangalan sa mga power batteries ay napakasimple at diretso.Ang 4680 na baterya, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay isang cylindrical na baterya na may isang cell diameter na 46mm at taas na 80mm.
Tatlong magkakaibang laki ng lithium-ion cylindrical na mga baterya
Tulad ng makikita mula sa larawan, kumpara sa orihinal na 18650 na baterya ng Tesla at 21700 na baterya, ang 4680 na baterya ay mukhang isang matangkad at malakas na tao.
Ngunit ang 4680 na baterya ay hindi lamang isang pagbabago sa laki, ang Tesla ay nagsama ng maraming bagong teknolohiya upang mapabuti ang pagganap.
Pangalawa, ang bagong teknolohiya ng 4680 na baterya
1. Electrodeless na disenyo ng tainga
Sa madaling salita, ang pinakamalaking pakiramdam ng 4680 ay mas malaki ito.Kaya bakit hindi pinalaki ng ibang mga tagagawa ang baterya noong nakaraan.Ito ay dahil mas malaki ang volume at mas mataas ang enerhiya, mas mahirap kontrolin ang init at mas malaki ang banta sa kaligtasan mula sa pagkasunog at pagsabog.
Ang Tesla ay tila isinasaalang-alang din ito.
Kung ikukumpara sa nakaraang cylindrical na baterya, ang pinakamalaking structural innovation ng 4680 na baterya ay ang electrodeless lug, na kilala rin bilang full lug.Sa isang tradisyonal na cylindrical na baterya, ang positibo at negatibong copper foil at ang aluminum foil separator ay nakasalansan at nasugatan.Upang mailabas ang mga electrodes, ang isang lead wire na tinatawag na tab ay hinangin sa dalawang dulo ng copper foil at ang aluminum foil.
Ang paikot-ikot na haba ng isang tradisyonal na 1860 na baterya ay 800mm.Kung isinasaalang-alang ang copper foil na may mas mahusay na conductivity bilang isang halimbawa, ang haba ng mga tab para ilabas ang kuryente sa copper foil ay 800mm, na katumbas ng kasalukuyang dumadaan sa 800mm na mahabang wire.
Sa pamamagitan ng pagkalkula, ang paglaban ay halos 20mΩ, ang paikot-ikot na haba ng 2170 na baterya ay halos 1000mm, at ang paglaban ay halos 23mΩ.Madali itong ma-convert na ang pelikula na may parehong kapal ay kailangang i-roll sa isang 4680 na baterya, at ang haba ng paikot-ikot ay mga 3800mm.
Mayroong maraming mga kawalan sa pagtaas ng haba ng paikot-ikot.Ang mga electron ay kailangang maglakbay ng mas mahabang distansya upang maabot ang mga tab sa magkabilang dulo ng baterya, tataas ang resistensya, at mas madaling uminit ang baterya.Ang pagganap ng baterya ay bababa at lilikha pa ng mga isyu sa kaligtasan.Upang paikliin ang distansya na nilakbay ng mga electron, ang 4680 na baterya ay gumagamit ng electrodeless ear technology.
Ang electrodeless na tab ay walang mga tab, ngunit ginagawang tab ang buong kasalukuyang kolektor, ang conductive path ay hindi na nakasalalay sa tab, at ang kasalukuyang ay inililipat mula sa lateral transmission kasama ang tab patungo sa collector plate patungo sa longitudinal transmission ng ang kasalukuyang kolektor.
Ang buong haba ng conductive ay nagbago mula 800 hanggang 1000mm ng 1860 o 2170 copper foil na haba hanggang 80mm (taas ng baterya).Ang paglaban ay nabawasan sa 2mΩ, at ang panloob na pagkonsumo ng paglaban ay nabawasan mula 2W hanggang 0.2W, na direktang binabawasan ng isang order ng magnitude.
Ang disenyo na ito ay lubos na binabawasan ang impedance ng baterya at nalulutas ang problema sa pag-init ng cylindrical na baterya.
Sa isang banda, pinapataas ng electrodeless ear technology ang kasalukuyang conduction area, pinaikli ang kasalukuyang conduction distance, at lubos na binabawasan ang internal resistance ng baterya;ang pagbabawas ng panloob na pagtutol ay maaaring mabawasan ang kasalukuyang offset phenomenon at pahabain ang buhay ng baterya;ang pagbabawas ng paglaban ay maaari ring bawasan ang pagbuo ng init, at ang electrode conductive coating Ang epektibong contact area sa pagitan ng layer at ang end cap ng baterya ay maaaring umabot sa 100%, na maaaring mapabuti ang kapasidad ng pagwawaldas ng init.
Ang 4680 na baterya ay gumagamit ng isang bagong uri ng electrodeless ear technology sa mga tuntunin ng cell structure, na maaaring mabawasan ang mga gastos at mapataas ang kahusayan.Sa kabilang banda, ang proseso ng welding ng mga tab ay tinanggal, ang kahusayan ng produksyon ay pinabuting, at ang depektong rate na dulot ng hinang ay maaaring mabawasan sa parehong oras.
Schematic diagram ng monopole at full-pole na istraktura
2. Pinagsama sa teknolohiya ng CTC
Sa pangkalahatan, mas malaki ang laki ng baterya, mas kaunting mga baterya ang kailangang i-install sa parehong sasakyan.Sa 18650 na mga cell, ang isang Tesla ay nangangailangan ng 7100 na mga cell.Kung gumagamit ka ng 4680 na baterya, kailangan mo lamang ng 900 na baterya.
Kung mas kaunti ang mga baterya, mas mabilis ang mga ito ay maaaring tipunin, mas mataas ang kahusayan, mas kaunting pagkakataon ng mga problema sa mga intermediate na link, at mas mura ang presyo.Ayon kay Tesla, ang malaking 4680 ay maaaring bawasan ang presyo ng produksyon ng mga baterya ng 14%.
Upang mapahusay ang density ng enerhiya ng battery pack, ang 4680 na baterya ay isasama sa teknolohiya ng CTC (Cell to Chassis).Ito ay upang isama ang mga cell ng baterya nang direkta sa chassis.Sa pamamagitan ng ganap na pag-alis ng mga module at battery pack, ang mga cell ng baterya ay nagiging mas compact, ang bilang ng mga bahagi ng baterya ay lubos na mababawasan, at ang space utilization ng chassis ay mapapabuti din nang husto.
Ang CTC ay may ilang mga kinakailangan sa structural strength ng baterya.Ang baterya mismo ay kailangang magdala ng maraming mekanikal na lakas.Kung ikukumpara sa 18650 at 2170 na baterya, ang 4680 single na baterya ay may mas malaking structural strength at mas mataas na structural strength, at ang general square shell na baterya ay isang aluminum shell.Ang 4680 shell ay gawa sa hindi kinakalawang na asero, at ang likas na lakas ng istruktura ay ginagarantiyahan.
Kung ikukumpara sa square shell na baterya, ang layout ng cylindrical na baterya ay magiging mas nababaluktot, maaaring umangkop sa iba't ibang mga chassis, at maaaring mas mahusay na pinagsama sa site.
Ayon sa pananaliksik at paghatol ng "EMF", ang teknolohiya ng CTC ay ang tuyere ng mga bagong sasakyang pang-enerhiya sa 2022, at ito rin ay isang sangang-daan sa kalsada.
Ang pagsasama ng baterya sa katawan ay maaaring gawing kumplikado ang pagpapanatili ng sasakyan, at ang baterya ay mahirap palitan nang nakapag-iisa.Ang mga presyo ng serbisyo pagkatapos ng benta ay tataas, at ang mga gastos na ito ay direktang ipapasa sa mga mamimili, tulad ng mga gastos sa insurance.Bagama't sinasabi ng Musk na nagdisenyo sila ng mga riles ng pag-aayos na maaaring putulin at palitan, kakailanganin ng oras upang makita kung gaano ito gagana.
Maraming mga kumpanya ng kotse ang nagmungkahi ng kanilang sariling mga teknikal na solusyon sa CTC, dahil hindi lamang nito inaayos ang baterya, ngunit kailangan ding baguhin ang istraktura ng katawan.Ito ay may kaugnayan sa muling paghahati ng paggawa sa supply chain ng mga kaugnay na industriya.
Ang CTC ay isang teknikal na ruta lamang.Ito ay isang katawan ng baterya na isinama, hindi nabagong disassembly.May isa pang teknolohiya sa kabila nito – pagpapalit ng baterya.Ang teknolohiya ng pagpapalit ng baterya ay madaling i-disassemble, ngunit ang baterya ay gumagawa ng isang mahusay na kontribusyon sa lakas ng baterya.Paano pumili ng dalawang rutang ito ay isang laro sa pagitan ng mga supplier ng baterya at mga OEM.
CTC na teknolohiya na pinagsama sa 4680 na baterya
3. Inobasyon sa proseso ng produksyon ng baterya, mga materyales ng katod at anode
Gagamitin ng Tesla ang proseso ng dry battery electrode, sa halip na gumamit ng solvent, isang maliit na halaga (mga 5-8%) ng isang pinong pulbos na PTFE binder ay hinaluan ng positibo/negatibong electrode powder, na dumaan sa isang extruder upang bumuo ng manipis na strip ng materyal na elektrod, at pagkatapos Ang isang strip ng materyal na elektrod ay nakalamina sa isang metal foil current collector upang mabuo ang natapos na elektrod.
Ang baterya na ginawa sa paraang ito ay mas environment friendly.At ang prosesong ito ay tataas ang density ng enerhiya ng baterya at bawasan ang pagkonsumo ng enerhiya ng produksyon ng 10 beses.Ang teknolohiya ng dry electrode ay malamang na maging teknolohikal na benchmark para sa susunod na henerasyon.
Tesla 4680 battery dry electrode technology
Sa mga tuntunin ng mga materyales ng cathode, sinabi ni Tesla na aalisin din nito ang elemento ng kobalt sa katod.Ang Cobalt ay mahal at mahirap makuha.Maaari lamang itong mamina sa napakakaunting mga bansa sa mundo, o sa hindi matatag na mga bansa sa Africa tulad ng Congo.Kung talagang kayang tanggalin ng baterya ang elementong cobalt, masasabing ito ay isang major technological innovation.
kobalt
Sa mga tuntunin ng anode na materyales, magsisimula ang Tesla sa mga materyales na silikon at gagamit ng higit pang silikon upang palitan ang grapayt na kasalukuyang ginagamit.Ang teoretikal na tiyak na kapasidad ng negatibong elektrod na nakabatay sa silikon ay kasing taas ng 4200mAh/g, na sampung beses na mas mataas kaysa sa negatibong elektrod ng grapayt.Gayunpaman, ang mga negatibong electrodes na nakabatay sa silicon ay mayroon ding mga problema tulad ng madaling pagpapalawak ng volume ng silicon, mahinang kondaktibiti ng kuryente, at malaking pagkawala ng paunang paglabas ng singil.
Samakatuwid, ang pagpapabuti ng pagganap ng mga materyales ay talagang upang makahanap ng balanse sa pagitan ng density ng enerhiya at katatagan, at ang kasalukuyang mga produktong anode na nakabatay sa silikon ay doped na may silikon at grapayt para sa pinagsama-samang paggamit.
Plano ng Tesla na panimula na baguhin ang pagiging malleability ng ibabaw ng silikon upang hindi ito madaling masira, isang teknolohiya na hindi lamang nagpapahintulot sa mga baterya na mag-charge nang mas mabilis, ngunit pinapataas din ang buhay ng baterya ng 20 porsiyento.Pinangalanan ni Tesla ang bagong materyal na "Tesla Silicon", at ang gastos ay $1.2/KWh, na isang ikasampu lamang ng kasalukuyang structured silicon na proseso.
Ang mga anod na nakabatay sa silikon ay itinuturing na mga susunod na henerasyong materyal na anode ng baterya ng lithium.
Ang ilang mga modelo sa merkado ay nagsimulang gumamit ng mga materyal na anode na nakabatay sa silikon.Ang mga modelo tulad ng Tesla Model 3 ay nagsasama na ng maliit na halaga ng silicon sa negatibong elektrod.Kamakailan, inilunsad ang modelong GAC AION LX Plus.Ang bersyon ng Qianli ay nilagyan ng teknolohiya ng baterya ng sponge silicon anode chip, na maaaring makamit ang 1,000 kilometro ng buhay ng baterya.
4680 baterya silikon anode
Kung susumahin ang mga bentahe ng 4680 na teknolohiya ng baterya ay maaari itong mapabuti ang pagganap habang binabawasan ang mga gastos.
3. Ang malawak na epekto ng 4680 na baterya
Ang 4680 na baterya ay hindi isang subersibong teknolohikal na rebolusyon, hindi isang pambihirang tagumpay sa density ng enerhiya, ngunit higit pa sa isang pagbabago sa teknolohiya ng proseso.
Gayunpaman, hinimok ng Tesla, para sa kasalukuyang pattern ng bagong merkado ng enerhiya, ang paggawa ng 4680 na baterya ay magbabago sa umiiral na pattern ng baterya.Ang industriya ay hindi maaaring hindi magdulot ng isang alon ng malalaking dami ng mga cylindrical na baterya.
Ayon sa mga ulat, plano ng Panasonic na simulan ang mass production ng 4680 na malalaking kapasidad na baterya para sa Tesla sa unang bahagi ng 2023.Ang bagong pamumuhunan ay magiging kasing taas ng 80 bilyong yen (humigit-kumulang US$704 milyon).Ang Samsung SDI at LG Energy ay sumali din sa pagbuo ng 4680 na baterya.
Sa loob ng bansa, inihayag ng Yiwei Lithium Energy na ang subsidiary nito na Yiwei Power ay nagpaplanong bumuo ng 20GWh malaking cylindrical na linya ng produksyon ng baterya para sa mga pampasaherong sasakyan sa Jingmen High-tech Zone.Papasok din ang BAK Battery at Honeycomb Energy sa larangan ng malalaking cylindrical na baterya.Ang BMW at CATL ay aktibong nagde-deploy ng malalaking cylindrical na baterya, at ang pangunahing pattern ay natukoy na.
Cylindrical na Layout ng Baterya ng Mga Manufacturer ng Baterya
Pang-apat, may sasabihin ang electromotive force
Ang pagbabago sa istruktura ng malaking cylindrical na baterya ay walang alinlangan na magtataguyod ng pag-unlad ng industriya ng baterya ng kuryente.Ito ay hindi kasing simple ng pag-upgrade lamang mula sa ika-5 na baterya hanggang sa ika-1 na baterya.Malaking tanong ang mataba nitong katawan.
Ang halaga ng baterya ay malapit sa 40% ng halaga ng buong sasakyan.Ang kahalagahan ng baterya bilang "puso" ay maliwanag.Gayunpaman, sa katanyagan ng mga bagong sasakyang pang-enerhiya, ang demand para sa mga baterya ay tumataas araw-araw, at ang presyo ng mga materyales ay tumataas.Ang pagbabago ng mga baterya ay naging isang mahalagang paraan para sa mga kumpanya ng kotse upang bumuo.
Sa pag-unlad ng mga teknolohiyang nauugnay sa baterya, malapit na ang abot-kayang mga de-kuryenteng sasakyan!
Oras ng post: Hun-13-2022