Desde la batería blade de BYD hasta la batería sin cobalto de Honeycomb Energy y luego la batería de iones de sodio de la era CATL, la industria de las baterías eléctricas ha experimentado una innovación continua.23 de septiembre de 2020: Día de la batería de Tesla, el director ejecutivo de Tesla, Elon Musk, mostró al mundo una nueva batería: la batería 4680.
Anteriormente, los tamaños de las baterías de litio cilíndricas eran principalmente 18650 y 21700, y la 21700 tenía un 50% más de energía que la 18650.La batería 4680 tiene cinco veces la capacidad de celda de la batería 21700, y la nueva batería puede reducir el costo por kilovatio-hora en aproximadamente un 14% y aumentar la autonomía de crucero en un 16%.
Musk afirmó sin rodeos que esta batería hará posible un coche eléctrico de 25.000 dólares.
Entonces, ¿de dónde vino esta amenazadora batería?A continuación, los analizamos uno por uno.
1. ¿Qué es una batería 4680?
La forma en que Tesla nombra las baterías eléctricas es muy simple y directa.La batería 4680, como su nombre indica, es una batería cilíndrica con un diámetro de celda única de 46 mm y una altura de 80 mm.
Tres tamaños diferentes de baterías cilíndricas de iones de litio
Como se puede ver en la imagen, en comparación con la batería 18650 y la batería 21700 originales de Tesla, la batería 4680 parece un hombre alto y fuerte.
Pero la batería 4680 no es sólo un cambio de tamaño, Tesla ha incorporado mucha tecnología nueva para mejorar el rendimiento.
En segundo lugar, la nueva tecnología de batería 4680.
1. Diseño de oreja sin electrodos
Intuitivamente, la mayor sensación del 4680 es que es más grande.Entonces, ¿por qué otros fabricantes no hicieron la batería más grande en el pasado?Esto se debe a que cuanto mayor es el volumen y mayor la energía, el calor es más difícil de controlar y mayor es la amenaza a la seguridad por quemaduras y explosiones.
Al parecer, Tesla también ha tenido esto en cuenta.
En comparación con la batería cilíndrica anterior, la mayor innovación estructural de la batería 4680 es el terminal sin electrodos, también conocido como terminal completo.En una batería cilíndrica tradicional, las láminas de cobre positivas y negativas y el separador de láminas de aluminio se apilan y enrollan.Para extraer los electrodos, se suelda un cable llamado pestaña a los dos extremos de la lámina de cobre y la lámina de aluminio.
La longitud de bobinado de una batería 1860 tradicional es de 800 mm.Tomando como ejemplo la lámina de cobre con mejor conductividad, la longitud de las pestañas para sacar la electricidad de la lámina de cobre es de 800 mm, lo que equivale a la corriente que pasa a través del cable de 800 mm de largo.
Según el cálculo, la resistencia es de aproximadamente 20 mΩ, la longitud del devanado de la batería 2170 es de aproximadamente 1000 mm y la resistencia es de aproximadamente 23 mΩ.Se puede convertir fácilmente en que la película del mismo espesor debe enrollarse en una batería 4680 y la longitud de bobinado es de aproximadamente 3800 mm.
Hay muchas desventajas al aumentar la longitud del devanado.Los electrones necesitan viajar una distancia más larga para llegar a las pestañas en ambos extremos de la batería, la resistencia aumentará y la batería será más propensa a calentarse.El rendimiento de la batería se degradará e incluso creará problemas de seguridad.Para acortar la distancia recorrida por los electrones, la batería 4680 utiliza tecnología de oído sin electrodos.
La pestaña sin electrodos no tiene pestañas, pero convierte todo el colector de corriente en una pestaña, la ruta conductora ya no depende de la pestaña y la corriente se transfiere desde la transmisión lateral a lo largo de la pestaña hasta la placa colectora y la transmisión longitudinal de El coleccionista actual.
Toda la longitud conductora ha cambiado de 800 a 1000 mm de longitud de lámina de cobre 1860 o 2170 a 80 mm (altura de la batería).La resistencia se reduce a 2 mΩ y el consumo de resistencia interna se reduce de 2 W a 0,2 W, lo que se reduce directamente en un orden de magnitud.
Este diseño reduce en gran medida la impedancia de la batería y resuelve el problema de calentamiento de la batería cilíndrica.
Por un lado, la tecnología de oído sin electrodos aumenta el área de conducción de corriente, acorta la distancia de conducción de corriente y reduce en gran medida la resistencia interna de la batería;la reducción de la resistencia interna puede reducir el fenómeno de compensación actual y prolongar la vida útil de la batería;la reducción de la resistencia también puede reducir la generación de calor y el revestimiento conductor del electrodo. El área de contacto efectiva entre la capa y la tapa del extremo de la batería puede alcanzar el 100%, lo que puede mejorar la capacidad de disipación de calor.
La batería 4680 adopta un nuevo tipo de tecnología de oído sin electrodos en términos de estructura celular, que puede reducir costos y aumentar la eficiencia.Por otro lado, se omite el proceso de soldadura de las pestañas, se mejora la eficiencia de producción y al mismo tiempo se puede reducir la tasa de defectos causados por la soldadura.
Diagrama esquemático de estructura monopolo y polo completo.
2. Combinado con tecnología CTC
En términos generales, cuanto mayor sea el tamaño de la batería, menos baterías deberán instalarse en el mismo vehículo.Con 18650 celdas, un Tesla necesita 7100 celdas.Si usa baterías 4680, solo necesitará 900 baterías.
Cuantas menos baterías, más rápido se pueden montar, mayor será la eficiencia, menos posibilidades de problemas en los enlaces intermedios y más barato será el precio.Según Tesla, el gran 4680 puede reducir el precio de producción de las baterías en un 14%.
Para mejorar la densidad de energía del paquete de baterías, la batería 4680 se combinará con la tecnología CTC (Cell to Chassis).Se trata de integrar las celdas de la batería directamente en el chasis.Al eliminar completamente los módulos y paquetes de baterías, las celdas de la batería se vuelven más compactas, la cantidad de piezas de la batería se reducirá considerablemente y la utilización del espacio del chasis también mejorará enormemente.
CTC tiene ciertos requisitos sobre la resistencia estructural de la batería.La propia batería tiene que soportar mucha resistencia mecánica.En comparación con las baterías 18650 y 2170, la batería única 4680 tiene una mayor resistencia estructural y una mayor resistencia estructural, y la batería de carcasa cuadrada general es una carcasa de aluminio.La carcasa del 4680 está hecha de acero inoxidable y la resistencia estructural inherente está garantizada.
En comparación con la batería de carcasa cuadrada, el diseño de la batería cilíndrica será más flexible, podrá adaptarse a una variedad de chasis diferentes y podrá combinarse mejor con el sitio.
Según la investigación y el juicio de “EMF”, la tecnología CTC es la tobera de los vehículos de nueva energía en 2022, y también es una bifurcación en el camino.
La integración de la batería en la carrocería puede hacer que el mantenimiento del vehículo sea extremadamente complicado y la batería sea difícil de sustituir de forma independiente.Los precios de los servicios posventa aumentarán y estos costos se trasladarán directamente a los consumidores, como los costos de los seguros.Aunque Musk afirma que han diseñado rieles de reparación que se pueden cortar y reemplazar, llevará tiempo ver qué tan bien funcionará.
Muchas empresas de automóviles han propuesto sus propias soluciones técnicas CTC, porque no sólo reorganiza la batería, sino que también necesita cambiar la estructura de la carrocería.Esto está relacionado con la redivisión del trabajo en la cadena de suministro de industrias relacionadas.
CTC es sólo una ruta técnica.Se trata de un cuerpo de batería integrado, sin modificaciones y desmontaje.Hay otra tecnología frente a ella: el cambio de batería.La tecnología de cambio de batería es fácil de desmontar, pero la batería contribuye en gran medida a su resistencia.Cómo elegir estas dos rutas es un juego entre proveedores de baterías y fabricantes de equipos originales.
Tecnología CTC combinada con batería 4680
3. Innovación en el proceso de producción de baterías, materiales de cátodos y ánodos.
Tesla utilizará el proceso de electrodo de batería seca; en lugar de usar un solvente, se mezcla una pequeña cantidad (alrededor del 5-8 %) de un aglutinante de PTFE en polvo fino con polvo de electrodo positivo/negativo y se pasa a través de una extrusora para formar una tira delgada de material de electrodo, y luego se laminó una tira de material de electrodo a un colector de corriente de lámina metálica para formar el electrodo terminado.
La batería producida de esta manera es más respetuosa con el medio ambiente.Y este proceso aumentará la densidad de energía de la batería y reducirá el consumo de energía de producción en 10 veces.Es probable que la tecnología de electrodos secos se convierta en la referencia tecnológica para la próxima generación.
Tecnología de electrodo seco de batería Tesla 4680
En términos de materiales del cátodo, Tesla dijo que también eliminará el elemento cobalto del cátodo.El cobalto es caro y escaso.Sólo se puede extraer en muy pocos países del mundo, o en países africanos inestables como el Congo.Si la batería realmente puede eliminar el elemento cobalto, se puede decir que es una innovación tecnológica importante.
Cobalto
En términos de materiales de ánodo, Tesla comenzará con materiales de silicio y utilizará más silicio para reemplazar el grafito que se utiliza actualmente.La capacidad teórica específica del electrodo negativo a base de silicio es tan alta como 4200 mAh/g, que es diez veces mayor que la del electrodo negativo de grafito.Sin embargo, los electrodos negativos a base de silicio también tienen problemas como una fácil expansión del volumen del silicio, mala conductividad eléctrica y grandes pérdidas iniciales de carga-descarga.
Por lo tanto, la mejora del rendimiento de los materiales consiste en realidad en encontrar un equilibrio entre la densidad de energía y la estabilidad, y los productos de ánodos actuales a base de silicio están dopados con silicio y grafito para uso compuesto.
Tesla planea cambiar fundamentalmente la maleabilidad de la superficie de silicio para hacerla menos propensa a romperse, una tecnología que no sólo permite que las baterías se carguen más rápido, sino que también aumenta su vida útil en un 20 por ciento.Tesla nombró al nuevo material "Tesla Silicon" y el costo es de 1,2 dólares/KWh, que es sólo una décima parte del proceso de silicio estructurado existente.
Los ánodos a base de silicio se consideran los materiales anódicos de baterías de litio de próxima generación.
Algunos modelos del mercado han comenzado a utilizar materiales anódicos a base de silicio.Modelos como el Tesla Model 3 ya incorporan pequeñas cantidades de silicio en el electrodo negativo.Recientemente, se lanzó el modelo GAC AION LX Plus.La versión Qianli está equipada con tecnología de batería con chip de ánodo de silicio esponjoso, que puede alcanzar 1.000 kilómetros de duración de la batería.
Ánodo de silicio de batería 4680
Para resumir las ventajas de la tecnología de batería 4680 es que puede mejorar el rendimiento y al mismo tiempo reducir los costos.
3. El impacto de gran alcance de las baterías 4680
La batería 4680 no es una revolución tecnológica subversiva, ni un gran avance en la densidad de energía, sino más bien una innovación en la tecnología de procesos.
Sin embargo, impulsado por Tesla, para el patrón actual del nuevo mercado energético, la producción de 4680 baterías cambiará el patrón de baterías existente.La industria inevitablemente desencadenará una ola de baterías cilíndricas de gran volumen.
Según los informes, Panasonic planea iniciar la producción en masa de 4680 baterías de gran capacidad para Tesla a principios de 2023.La nueva inversión ascenderá a 80 mil millones de yenes (aproximadamente 704 millones de dólares).Samsung SDI y LG Energy también se han sumado al desarrollo de la batería 4680.
A nivel nacional, Yiwei Lithium Energy anunció que su filial Yiwei Power planea construir una gran línea de producción de baterías cilíndricas de 20 GWh para vehículos de pasajeros en la zona de alta tecnología de Jingmen.BAK Battery y Honeycomb Energy también entrarán en el campo de las baterías cilíndricas de gran tamaño.BMW y CATL también están implementando activamente baterías cilíndricas grandes y se ha determinado el patrón básico.
Diseño de baterías cilíndricas de los fabricantes de baterías
Cuarto, la fuerza electromotriz tiene algo que decir.
La innovación estructural de la batería cilíndrica grande sin duda promoverá el desarrollo de la industria de las baterías eléctricas.No es tan sencillo como simplemente actualizar de la quinta batería a la primera.Su cuerpo gordo tiene grandes preguntas.
El coste de la batería ronda el 40% del coste de todo el vehículo.La importancia de la batería como “corazón” es evidente.Sin embargo, con la popularidad de los vehículos de nueva energía, la demanda de baterías aumenta día a día y el precio de los materiales aumenta.La innovación de las baterías se ha convertido en una vía importante para el desarrollo de las empresas automovilísticas.
Con el desarrollo de tecnologías relacionadas con las baterías, ¡los vehículos eléctricos asequibles están a la vuelta de la esquina!
Hora de publicación: 13 de junio de 2022