Da bateria blade da BYD à bateria sem cobalto da Honeycomb Energy e, em seguida, à bateria de íon de sódio da era CATL, a indústria de baterias de energia tem experimentado inovação contínua.23 de setembro de 2020 - Dia da Bateria Tesla, o CEO da Tesla, Elon Musk, mostrou ao mundo uma nova bateria – a bateria 4680.
Anteriormente, os tamanhos das baterias cilíndricas de lítio eram principalmente 18.650 e 21.700, e 21.700 tinham 50% mais energia que 18.650.A bateria 4680 tem cinco vezes a capacidade de célula da bateria 21700, e a nova bateria pode reduzir o custo por quilowatt-hora em cerca de 14% e aumentar o alcance de cruzeiro em 16%.
Musk afirmou sem rodeios que esta bateria tornará possível um carro elétrico de US$ 25.000.
Então, de onde veio essa bateria ameaçadora?A seguir, analisamos um por um.
1. O que é uma bateria 4680?
A maneira de Tesla nomear baterias de energia é muito simples e direta.A bateria 4680, como o nome sugere, é uma bateria cilíndrica com célula única de diâmetro de 46 mm e altura de 80 mm.
Três tamanhos diferentes de baterias cilíndricas de íons de lítio
Como pode ser visto na foto, em comparação com a bateria 18650 original e a bateria 21700 de Tesla, a bateria 4680 parece um homem alto e forte.
Mas a bateria 4680 não é apenas uma mudança de tamanho, a Tesla incorporou muitas tecnologias novas para melhorar o desempenho.
Em segundo lugar, a nova tecnologia da bateria 4680
1. Design de ouvido sem eletrodo
Intuitivamente, a maior sensação do 4680 é que ele é maior.Então, por que outros fabricantes não aumentaram a bateria no passado?Isso ocorre porque quanto maior o volume e maior a energia, o calor é mais difícil de controlar e maior a ameaça à segurança causada por queimaduras e explosões.
Aparentemente, Tesla também levou isso em consideração.
Em comparação com a bateria cilíndrica anterior, a maior inovação estrutural da bateria 4680 é o terminal sem eletrodo, também conhecido como terminal completo.Em uma bateria cilíndrica tradicional, as folhas de cobre positivas e negativas e o separador de folhas de alumínio são empilhados e enrolados.Para retirar os eletrodos, um fio condutor chamado aba é soldado às duas extremidades da folha de cobre e da folha de alumínio.
O comprimento do enrolamento de uma bateria 1860 tradicional é de 800 mm.Tomando como exemplo a folha de cobre com melhor condutividade, o comprimento das abas para conduzir a eletricidade para fora da folha de cobre é de 800 mm, o que equivale à corrente que passa pelo fio de 800 mm de comprimento.
Pelo cálculo, a resistência é de cerca de 20mΩ, o comprimento do enrolamento da bateria 2170 é de cerca de 1000mm e a resistência é de cerca de 23mΩ.Pode ser facilmente convertido que o filme da mesma espessura precisa ser enrolado em uma bateria 4680 e o comprimento do enrolamento é de cerca de 3800 mm.
Existem muitas desvantagens em aumentar o comprimento do enrolamento.Os elétrons precisam percorrer uma distância maior para alcançar as abas em ambas as extremidades da bateria, a resistência aumentará e a bateria ficará mais sujeita ao calor.O desempenho da bateria irá degradar e até criar problemas de segurança.Para encurtar a distância percorrida pelos elétrons, a bateria 4680 utiliza tecnologia de ouvido sem eletrodo.
A aba sem eletrodo não possui abas, mas transforma todo o coletor de corrente em uma aba, o caminho condutor não depende mais da aba, e a corrente é transferida da transmissão lateral ao longo da aba para a placa coletora para a transmissão longitudinal de o coletor atual.
Todo o comprimento condutor mudou de 800 a 1000 mm de comprimento de folha de cobre 1860 ou 2170 para 80 mm (altura da bateria).A resistência é reduzida para 2mΩ e o consumo de resistência interna é reduzido de 2W para 0,2W, o que é reduzido diretamente em uma ordem de grandeza.
Este design reduz bastante a impedância da bateria e resolve o problema de aquecimento da bateria cilíndrica.
Por um lado, a tecnologia de ouvido sem eletrodo aumenta a área de condução de corrente, encurta a distância de condução de corrente e reduz bastante a resistência interna da bateria;a redução da resistência interna pode reduzir o fenômeno de deslocamento atual e prolongar a vida útil da bateria;a redução da resistência também pode reduzir a geração de calor, e o revestimento condutor do eletrodo. A área de contato efetiva entre a camada e a tampa da bateria pode chegar a 100%, o que pode melhorar a capacidade de dissipação de calor.
A bateria 4680 adota um novo tipo de tecnologia de ouvido sem eletrodo em termos de estrutura celular, que pode reduzir custos e aumentar a eficiência.Por outro lado, o processo de soldagem das abas é omitido, a eficiência da produção é melhorada e ao mesmo tempo a taxa de defeitos causados pela soldagem pode ser reduzida.
Diagrama esquemático da estrutura monopolo e de pólo completo
2. Combinado com tecnologia CTC
De modo geral, quanto maior o tamanho da bateria, menos baterias precisam ser instaladas no mesmo veículo.Com 18.650 células, um Tesla precisa de 7.100 células.Se você usar baterias 4680, precisará apenas de 900 baterias.
Quanto menos baterias, mais rápido elas podem ser montadas, maior será a eficiência, menor será a chance de problemas nos elos intermediários e mais barato será o preço.Segundo a Tesla, o grande 4680 pode reduzir o preço de produção das baterias em 14%.
Para melhorar a densidade de energia da bateria, a bateria 4680 será combinada com a tecnologia CTC (Cell to Chassis).Consiste em integrar as células da bateria diretamente no chassi.Ao remover completamente os módulos e as baterias, as células da bateria tornam-se mais compactas, o número de peças da bateria será bastante reduzido e a utilização do espaço do chassi também será bastante melhorada.
O CTC tem certos requisitos quanto à resistência estrutural da bateria.A bateria em si tem que suportar muita resistência mecânica.Em comparação com as baterias 18650 e 2170, a bateria única 4680 tem uma resistência estrutural maior e maior resistência estrutural, e a bateria quadrada geral é uma carcaça de alumínio.A carcaça do 4680 é feita de aço inoxidável e a resistência estrutural inerente é garantida.
Comparado com a bateria quadrada, o layout da bateria cilíndrica será mais flexível, pode se adaptar a uma variedade de chassis diferentes e pode ser melhor combinado com o local.
De acordo com a pesquisa e julgamento da “EMF”, a tecnologia CTC é o motor dos novos veículos energéticos em 2022 e também é uma bifurcação na estrada.
A integração da bateria na carroceria pode tornar a manutenção do veículo extremamente complicada e a bateria é difícil de substituir de forma independente.Os preços dos serviços pós-venda aumentarão e esses custos serão repassados diretamente aos consumidores, como os custos de seguros.Embora Musk afirme que projetou trilhos de reparo que podem ser cortados e substituídos, levará algum tempo para ver se funcionarão bem.
Muitas montadoras propuseram suas próprias soluções técnicas CTC, porque não só reorganiza a bateria, mas também precisa alterar a estrutura da carroceria.Isto está relacionado com a redistribuição do trabalho na cadeia de abastecimento das indústrias relacionadas.
CTC é apenas uma rota técnica.É um corpo de bateria integrado e desmontado inalterado.Existe outra tecnologia além dela – troca de bateria.A tecnologia de troca de bateria é fácil de desmontar, mas a bateria contribui muito para a resistência da bateria.Como escolher essas duas rotas é um jogo entre fornecedores de baterias e OEMs.
Tecnologia CTC combinada com bateria 4680
3. Inovação no processo de produção de baterias, materiais catódicos e anódicos
Tesla usará o processo de eletrodo de bateria seca, em vez de usar um solvente, uma pequena quantidade (cerca de 5-8%) de um aglutinante de PTFE em pó fino é misturada com pó de eletrodo positivo/negativo, passado através de uma extrusora para formar uma tira fina de material do eletrodo e, em seguida, uma tira de material do eletrodo foi laminada em um coletor de corrente de folha de metal para formar o eletrodo acabado.
A bateria produzida desta forma é mais amiga do ambiente.E este processo aumentará a densidade energética da bateria e reduzirá o consumo de energia da produção em 10 vezes.A tecnologia de eletrodo seco provavelmente se tornará a referência tecnológica para a próxima geração.
Tecnologia de eletrodo seco de bateria Tesla 4680
Em termos de materiais catódicos, Tesla disse que também removerá o elemento cobalto do cátodo.O cobalto é caro e escasso.Só pode ser extraído em poucos países do mundo, ou em países africanos instáveis como o Congo.Se a bateria puder realmente remover o elemento cobalto, pode-se dizer que é uma grande inovação tecnológica.
Cobalto
Em termos de materiais anódicos, a Tesla começará com materiais de silício e usará mais silício para substituir o grafite usado atualmente.A capacidade específica teórica do eletrodo negativo à base de silício é tão alta quanto 4200mAh/g, que é dez vezes maior que a do eletrodo negativo de grafite.No entanto, os eletrodos negativos à base de silício também apresentam problemas como fácil expansão do volume do silício, baixa condutividade elétrica e grande perda inicial de carga-descarga.
Portanto, a melhoria do desempenho dos materiais consiste, na verdade, em encontrar um equilíbrio entre densidade de energia e estabilidade, e os atuais produtos anódicos à base de silício são dopados com silício e grafite para uso compósito.
A Tesla planeja mudar fundamentalmente a maleabilidade da superfície de silício para torná-la menos propensa a quebras, uma tecnologia que não só permite que as baterias carreguem mais rápido, mas também aumenta a vida útil da bateria em 20%.A Tesla chamou o novo material de “Tesla Silicon” e o custo é de US$ 1,2/KWh, o que representa apenas um décimo do processo de silício estruturado existente.
Os ânodos à base de silício são considerados os materiais anódicos de bateria de lítio da próxima geração.
Alguns modelos no mercado começaram a usar materiais anódicos à base de silício.Modelos como o Tesla Model 3 já incorporam pequenas quantidades de silício no eletrodo negativo.Recentemente, foi lançado o modelo GAC AION LX Plus.A versão Qianli está equipada com tecnologia de bateria com chip de ânodo de silício esponjoso, que pode atingir 1.000 quilômetros de vida útil da bateria.
ânodo de silício de bateria 4680
Resumindo, as vantagens da tecnologia da bateria 4680 é que ela pode melhorar o desempenho e, ao mesmo tempo, reduzir custos.
3. O impacto de longo alcance das baterias 4.680
A bateria 4680 não é uma revolução tecnológica subversiva, nem um avanço na densidade de energia, mas sim uma inovação na tecnologia de processo.
No entanto, impulsionado pela Tesla, para o padrão atual do novo mercado de energia, a produção de 4.680 baterias mudará o padrão de baterias existente.A indústria inevitavelmente desencadeará uma onda de baterias cilíndricas de grande volume.
Segundo relatos, a Panasonic planeja iniciar a produção em massa de 4.680 baterias de grande capacidade para Tesla no início de 2023.O novo investimento chegará a 80 bilhões de ienes (aproximadamente US$ 704 milhões).Samsung SDI e LG Energy também se juntaram ao desenvolvimento da bateria 4680.
Internamente, a Yiwei Lithium Energy anunciou que sua subsidiária Yiwei Power planeja construir uma grande linha de produção de baterias cilíndricas de 20 GWh para veículos de passageiros na zona de alta tecnologia de Jingmen.BAK Battery e Honeycomb Energy também entrarão no campo de grandes baterias cilíndricas.BMW e CATL também estão implantando ativamente grandes baterias cilíndricas, e o padrão básico foi determinado.
Layout de bateria cilíndrica dos fabricantes de baterias
Quarto, a força eletromotriz tem algo a dizer
A inovação estrutural da grande bateria cilíndrica promoverá, sem dúvida, o desenvolvimento da indústria de baterias de energia.Não é tão simples quanto atualizar da 5ª bateria para a 1ª bateria.Seu corpo gordo tem ótimas perguntas.
O custo da bateria chega a cerca de 40% do custo de todo o veículo.A importância da bateria como “coração” é evidente.No entanto, com a popularidade dos novos veículos energéticos, a procura por baterias aumenta dia a dia e o preço dos materiais aumenta.A inovação das baterias tornou-se uma forma importante de desenvolvimento das empresas automobilísticas.
Com o desenvolvimento de tecnologias relacionadas com baterias, os veículos eléctricos acessíveis estão ao virar da esquina!
Horário da postagem: 13 de junho de 2022