BYD пышақты аккумуляторынан бастап Honeycomb Energy кобальтсыз аккумуляторына, одан кейін CATL дәуіріндегі натрий-ионды батареяға дейін қуат батареялары өнеркәсібі үздіксіз инновацияларды бастан кешірді.2020 жылдың 23 қыркүйегі - Tesla батареясының күні, Tesla бас директоры Илон Маск әлемге жаңа аккумуляторды - 4680 батареясын көрсетті.
Бұрын цилиндрлік литий батареяларының өлшемдері негізінен 18650 және 21700 болды, ал 21700-де 18650-ден 50% артық энергия болды.4680 батареясының ұяшық сыйымдылығы 21700 батареясынан бес есе жоғары, ал жаңа батарея бір киловатт-сағаттың құнын шамамен 14%-ға төмендетіп, круиздік ауқымды 16%-ға арттыра алады.
Маск бұл аккумулятор 25 000 доллар тұратын электромобиль жасауға мүмкіндік беретінін ашық айтты.
Сонымен, бұл қауіпті батарея қайдан пайда болды?Әрі қарай біз оларды бір-бірлеп талдаймыз.
1. 4680 батарея дегеніміз не?
Тесланың қуат батареяларына атау беру тәсілі өте қарапайым және қарапайым.4680 батареясы, аты айтып тұрғандай, бір ұяшықтың диаметрі 46 мм және биіктігі 80 мм болатын цилиндрлік батарея.
Литий-ионды цилиндрлік батареялардың үш түрлі өлшемі
Суреттен көрініп тұрғандай, Tesla-ның түпнұсқа 18650 аккумуляторы мен 21700 аккумуляторымен салыстырғанда 4680 батареясы ұзын бойлы және күшті адамға ұқсайды.
Бірақ 4680 батареясы тек өлшемді өзгерту емес, Tesla өнімділікті жақсарту үшін көптеген жаңа технологияларды енгізді.
Екіншіден, 4680 батареяның жаңа технологиясы
1. Электродсыз құлақ дизайны
Интуитивті түрде, 4680-дің ең үлкен сезімі оның үлкенірек болуы.Неліктен басқа өндірушілер бұрын аккумуляторды үлкенірек жасамады?Себебі көлем неғұрлым үлкен болса және энергия соғұрлым жоғары болса, жылуды бақылау қиынырақ және жану мен жарылыс қауіпсіздігіне қауіп төнеді.
Тесла мұны да ескерген сияқты.
Алдыңғы цилиндрлік аккумулятормен салыстырғанда, 4680 аккумуляторының ең үлкен құрылымдық жаңалығы электродсыз құлақша болып табылады, ол толық құлақша деп те аталады.Дәстүрлі цилиндрлік аккумуляторда оң және теріс мыс фольгалары мен алюминий фольга сепараторы жиналып, оралады.Электродтарды шығару үшін мыс фольга мен алюминий фольганың екі ұшына құлақша деп аталатын қорғасын сым дәнекерленген.
Дәстүрлі 1860 батареясының орамасының ұзындығы 800 мм.Мысал ретінде жақсы өткізгіштігі бар мыс фольганы алсақ, мыс фольгадан электр тогын шығаруға арналған құлақшалардың ұзындығы 800 мм, бұл ұзындығы 800 мм сым арқылы өтетін токқа тең.
Есептеу бойынша қарсылық шамамен 20 мОм, 2170 батареясының орамасының ұзындығы шамамен 1000 мм, ал қарсылық шамамен 23 мОм.Бірдей қалыңдықтағы пленканы 4680 батареяға айналдыру керек, ал орама ұзындығы шамамен 3800 мм болатынын оңай түрлендіруге болады.
Орамның ұзындығын арттырудың көптеген кемшіліктері бар.Батареяның екі шетіндегі құлақшаларға жету үшін электрондар ұзағырақ қашықтықты жүруі керек, қарсылық артады және батарея қызуға бейім болады.Батареяның өнімділігі нашарлайды және тіпті қауіпсіздік мәселелерін тудырады.Электрондар жүретін қашықтықты қысқарту үшін 4680 батареясы электродсыз құлақ технологиясын пайдаланады.
Электродсыз құлақшада құлақшалар жоқ, бірақ бүкіл ток коллекторын құлақшаға айналдырады, өткізгіш жол енді ілгекке тәуелді емес, ал ток бүйірлік берілістен ілгек бойымен коллектор пластинасына бойлық беріліске беріледі. ағымдағы коллектор.
Толық өткізгіш ұзындығы 800 мм-ден 1000 мм-ге дейін 1860 немесе 2170 мыс фольга ұзындығы 80 мм-ге дейін өзгерді (батарея биіктігі).Қарсылық 2 мОм-ға дейін азаяды, ал ішкі қарсылық тұтыну 2 Вт-тан 0,2 Вт-қа дейін азаяды, бұл шама ретімен тікелей азаяды.
Бұл дизайн аккумулятордың кедергісін айтарлықтай төмендетеді және цилиндрлік аккумулятордың қыздыру мәселесін шешеді.
Бір жағынан, электродсыз құлақ технологиясы ток өткізгіштік аймағын арттырады, ток өткізгіштік қашықтығын қысқартады және батареяның ішкі кедергісін айтарлықтай төмендетеді;ішкі кедергінің төмендеуі ағымдағы офсеттік құбылысты азайтып, батареяның қызмет ету мерзімін ұзартуы мүмкін;кедергінің азаюы сонымен қатар жылудың пайда болуын және электродты өткізгіш жабынды азайтуы мүмкін Қабат пен батареяның ұшының қақпағы арасындағы тиімді байланыс аймағы 100% жетуі мүмкін, бұл жылуды тарату қабілетін жақсартады.
4680 батареясы ұяшық құрылымы бойынша электродсыз құлақ технологиясының жаңа түрін қабылдайды, бұл шығындарды азайтуға және тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді.Екінші жағынан, құлақшаларды дәнекерлеу процесі өткізілмейді, өндіріс тиімділігі жақсарады және дәнекерлеуден туындаған ақаулар бір уақытта азайтылуы мүмкін.
Монополды және толық полюсті құрылымның принципиалды диаграммасы
2. CTC технологиясымен біріктірілген
Жалпы айтқанда, аккумулятордың көлемі неғұрлым үлкен болса, бір көлікке соғұрлым аз батареяларды орнату қажет.18650 ұяшықтары бар Tesla-ға 7100 ұяшық қажет.4680 батареяны пайдалансаңыз, сізге тек 900 батарея қажет.
Батареялар неғұрлым аз болса, соғұрлым тезірек жиналуы мүмкін, тиімділік соғұрлым жоғары болады, аралық буындардағы ақаулардың ықтималдығы аз болады және бағасы арзанырақ.Tesla мәліметтері бойынша, үлкен 4680 батареялардың өндіріс бағасын 14% төмендете алады.
Батарея жинағының энергия тығыздығын жақсарту үшін 4680 батареясы CTC (Cell to Chassis) технологиясымен біріктіріледі.Бұл батарея ұяшықтарын шассиге тікелей біріктіру.Модульдер мен батарея жинақтарын толығымен алып тастау арқылы батарея ұяшықтары жинақы болады, батарея бөліктерінің саны айтарлықтай азаяды және шассидің кеңістікті пайдалануы да айтарлықтай жақсарады.
CTC батареяның құрылымдық беріктігіне белгілі талаптар қояды.Аккумулятордың өзі үлкен механикалық күшке төтеп беруі керек.18650 және 2170 батареяларымен салыстырғанда, 4680 жалғыз аккумулятордың құрылымдық беріктігі жоғары және құрылымдық беріктігі жоғары, ал жалпы төртбұрышты қабықшалы батарея алюминий қабығы болып табылады.4680 қабығы тот баспайтын болаттан жасалған және құрылымдық беріктікке кепілдік беріледі.
Төртбұрышты батареямен салыстырғанда, цилиндрлік батареяның орналасуы икемді болады, әртүрлі шассилерге бейімделе алады және сайтпен жақсы үйлеседі.
«EMF» зерттеулері мен пайымдаулары бойынша, CTC технологиясы 2022 жылы жаңа энергетикалық көліктердің фурмасы болып табылады, сонымен қатар ол жолдағы айыр.
Аккумуляторды корпусқа біріктіру көлікке техникалық қызмет көрсетуді өте қиындатуы мүмкін, ал аккумуляторды өз бетінше ауыстыру қиын.Сатудан кейінгі қызмет көрсету бағасы өседі және бұл шығындар сақтандыру шығындары сияқты тұтынушыларға тікелей беріледі.Маск кесуге және ауыстыруға болатын жөндеу рельстерін жобалағанын мәлімдегенімен, оның қаншалықты жақсы жұмыс істейтінін көру үшін уақыт қажет.
Көптеген автокөлік компаниялары өздерінің CTC техникалық шешімдерін ұсынды, өйткені ол аккумуляторды қайта реттеп қана қоймайды, сонымен қатар дене құрылымын өзгерту керек.Бұл сабақтас салалардың жеткізу тізбегіндегі еңбекті қайта бөлумен байланысты.
CTC - бұл жай ғана техникалық жол.Бұл аккумулятор корпусы біріктірілген, өзгеріссіз бөлшектелген.Оның алдында тағы бір технология бар - батареяны ауыстыру.Батареяны ауыстыру технологиясын бөлшектеу оңай, бірақ батарея батарея қуатына үлкен үлес қосады.Бұл екі бағытты қалай таңдау керек - бұл батарея жеткізушілері мен OEM арасындағы ойын.
4680 батареямен біріктірілген CTC технологиясы
3. Аккумулятор өндірісіндегі инновациялар, катодтық және анодтық материалдар
Tesla құрғақ аккумуляторлық электрод процесін пайдаланады, еріткіштің орнына ұсақ ұнтақталған PTFE байланыстырғыштың аз мөлшері (шамамен 5-8%) оң/теріс электрод ұнтағымен араласады, экструдер арқылы жұқа жолақ пайда болады. электрод материалы, содан кейін электрод материалының жолағы дайын электродты қалыптастыру үшін металл фольга ток жинағышына ламинатталды.
Осылайша шығарылатын батарея қоршаған ортаға зиянсыз.Ал бұл процесс аккумулятордың энергия тығыздығын арттырып, өндірістің энергия шығынын 10 есеге азайтады.Құрғақ электрод технологиясы келесі ұрпақ үшін технологиялық эталонға айналуы мүмкін.
Tesla 4680 аккумуляторлық құрғақ электрод технологиясы
Катодтық материалдарға келетін болсақ, Тесла катодтағы кобальт элементін де алып тастайтынын айтты.Кобальт қымбат және тапшы.Оны әлемдегі өте аз елдерде немесе Конго сияқты тұрақсыз Африка елдерінде ғана өндіруге болады.Батарея шынымен кобальт элементін алып тастай алатын болса, бұл үлкен технологиялық жаңалық деп айтуға болады.
Кобальт
Анодтық материалдарға келетін болсақ, Tesla кремний материалдарынан бастайды және қазіргі уақытта қолданылатын графитті ауыстыру үшін көбірек кремнийді пайдаланады.Кремний негізіндегі теріс электродтың теориялық меншікті сыйымдылығы 4200 мАч/г дейін жоғары, бұл графит теріс электродтан он есе жоғары.Дегенмен, кремний негізіндегі теріс электродтарда кремний көлемінің жеңіл кеңеюі, нашар электр өткізгіштігі және үлкен бастапқы заряд-разряд жоғалуы сияқты проблемалар бар.
Сондықтан, материалдардың өнімділігін жақсарту шын мәнінде энергия тығыздығы мен тұрақтылық арасындағы теңгерімді табу болып табылады және қазіргі кремний негізіндегі анод өнімдері композиттік пайдалану үшін кремний мен графитпен легирленген.
Tesla кремний бетінің иілгіштігін түбегейлі өзгертуді жоспарлап отыр, бұл оның сыну қаупін азайтады, бұл технология батареяларды тезірек зарядтауға ғана емес, сонымен қатар батареяның қызмет ету мерзімін 20 пайызға ұзартуға мүмкіндік береді.Tesla жаңа материалды «Tesla Silicon» деп атады және құны 1,2 доллар/кВтсағ құрайды, бұл қолданыстағы құрылымдық кремний процесінің оннан бір бөлігі ғана.
Кремний негізіндегі анодтар келесі буын литий батареяларының анодтық материалдары ретінде қарастырылады.
Нарықтағы бірнеше модельдер кремний негізіндегі анодтық материалдарды пайдалана бастады.Tesla Model 3 сияқты модельдер теріс электродта кремнийдің аз мөлшерін біріктіреді.Жақында GAC AION LX Plus моделі іске қосылды.Цянли нұсқасы 1000 километр батареяның қызмет ету мерзіміне қол жеткізе алатын губка кремний анодты чипті батарея технологиясымен жабдықталған.
4680 батареясы бар кремний аноды
4680 батарея технологиясының артықшылықтарын қорытындылайтын болсақ, ол шығындарды азайта отырып, өнімділікті жақсарта алады.
3. 4680 батареяның ауқымды әсері
4680 батареясы диверсиялық технологиялық революция емес, энергия тығыздығындағы серпіліс емес, процесс технологиясындағы жаңашылдық.
Дегенмен, Tesla басқаратын жаңа энергия нарығының ағымдағы үлгісі үшін 4680 аккумуляторды өндіру қолданыстағы батарея үлгісін өзгертеді.Өнеркәсіп сөзсіз үлкен көлемді цилиндрлік батареялардың толқынын бастайды.
Мәліметтерге сәйкес, Panasonic 2023 жылдың басында Tesla үшін 4680 үлкен сыйымдылықтағы аккумуляторларды сериялық өндіруді бастауды жоспарлап отыр.Жаңа инвестиция көлемі 80 миллиард иенді (шамамен 704 миллион АҚШ доллары) құрайды.4680 батареясын әзірлеуге Samsung SDI және LG Energy де қосылды.
Отандық Yiwei Lithium Energy өзінің еншілес кәсіпорны Yiwei Power Цзинмен жоғары технологиялық аймағында жолаушылар көліктеріне арналған 20 ГВт/сағ үлкен цилиндрлік аккумулятор өндіру желісін салуды жоспарлап отырғанын хабарлады.BAK Battery және Honeycomb Energy үлкен цилиндрлік батареялар саласына да енеді.BMW және CATL де үлкен цилиндрлік аккумуляторларды белсенді түрде қолданады және негізгі үлгі анықталды.
Батарея өндірушілерінің цилиндрлік аккумуляторының орналасуы
Төртіншіден, электр қозғаушы күштің айтары бар
Үлкен цилиндрлік аккумулятордың құрылымдық инновациясы қуат батареялары өнеркәсібінің дамуына ықпал ететіні сөзсіз.Бұл 5-ші батареядан 1-ші батареяға дейін жаңарту сияқты оңай емес.Оның майлы денесінде үлкен сұрақтар бар.
Аккумулятордың құны бүкіл көлік құнының 40% -на жақын.Батареяның «жүрек» ретіндегі маңыздылығы өзінен-өзі түсінікті.Дегенмен, жаңа энергетикалық көліктердің танымалдылығымен аккумуляторларға сұраныс күннен-күнге артып, материалдардың бағасы өсуде.Аккумуляторлардың инновациялары автомобиль компанияларының дамуының маңызды тәсілі болды.
Батареямен байланысты технологиялардың дамуымен қол жетімді электр көліктері жақын жерде!
Жіберу уақыты: 13 маусым 2022 ж