Tesla 4680 batarya - teknoloji yeniliği ve endüstri zinciri gelişimi

4680 pil nedir

"4680" pilin çap ve yüksekliğinin boyut spesifikasyonunu temsil eder. 4680 batarya, bataryanın çapının 46 mm ve yüksekliğinin 80 mm olduğunu ifade eder. Geleneksel elektrikli araç bataryası ile karşılaştırıldığında, daha büyük hacmi, daha yüksek kapasitesi ve daha yüksek enerji yoğunluğu daha uzun sürüş menzili ve batarya performansı sağlayabilir.

4680 bataryanın avantajları

21700 batarya tek kutuplu pabuç yapısıyla karşılaştırıldığında, 4680 batarya tüm kutuplu pabuç + kolektör plakası tasarımını benimserken, ana akım şeması kabuk oluğunun altındaki pozitif kutbun yeni konfigürasyonunu ve kabuk oluğunu kapatmak için kapak plakası lazer kaynağını benimser.

İşleme süreci açısından, 21700 pil ile karşılaştırıldığında, 4680 pil kutup pabucu kalıp kesme, yoğurma, lazer kaynak toplayıcı, açma oluşumu, lazer kaynak kapak plakası işlemini artırdı, 4680 pil hücresi kapasitesi 21700 pilin 5 katıdır, bu da 16%'yi artırabilir ilgili modelin kilometresi ve çıkış gücü 21700 pilden 6 kat daha yüksektir.

Şu anda Tesla 4680 pil, Ocak 2023'te ortalama 92% ve en yüksek 97% verimle 1 milyon pili kendi kendine üretti ve verim seri üretim seviyesine ulaştı.

4680'in iki yapısal şeması

Geleneksel şema: Negatif pabucun ucu çelik kabuk oluğunun tabanına bakar ve pozitif pabuç açık uçtan dışarı çıkar ve pozitif uçla kaynaklanır. Çelik kabuk tabanı, darbeli lazer penetrasyon kaynağı ile oluk boyunca negatif tüm kutuplu pabuç ile kaynaklanır.

Avantajlar: Negatif toplayıcısız yapı, çelik kabuğun yükseklik yönünde yer işgal etmez ve alan kullanım oranını artırır;

Dezavantajlar: akü duvar kalınlığı arttığında, kutup pabucunu kaynak yoluyla muhafazanın altına sıkıca kaynaklamak zordur.

Yeni plan: pozitif kolektör plakası doğrudan pozitif kolona kaynaklanır, pozitif kolon kabuk oluğunun altındaki açıklığa yapışır ve aralarında bir yalıtım contası vardır, pil hücresi tam kutuplu bir pabuç yapısıdır.

İki uç, pozitif ve negatif kolektör plakaları ile bağlanır ve kutup, pozitif kolektör plakası ve batarya aracılığıyla elektriksel olarak bağlanır, kabuk ve negatif kolektör plakası elektriksel olarak bağlanır, kapak plakası ve kabuk çentikle bağlanır ve kapak plakası patlamaya dayanıklı çizgilerle kazınır.

4680 batarya, batarya malzemesi endüstrisi için yeni fırsatlar getiriyor

Daha önce sübvansiyon düşüşü nedeniyle maliyet azaltma talepleri, güvenlik sorunları açıktı. Yüksek enerji ve yüksek yükseltme hızı yönündeki ana yardımcı malzemeler yavaşladı ve Tesla 4680 pilinin yeni bir yükseltme iticisi olması bekleniyor.

Yüksek nikel katot, silikon karbon anot, lityum takviyesi, karbon nanotüp, LiFSI, PVDF gibi ana yardımcı malzemelerin geçirgenliğinin/dozajının artması beklenmektedir.

1) Yüksek nikel katot: Yüksek çalışma gerilimi ve özgül kapasitesi ile güç bataryaları için potansiyel bir katot malzemesidir;

2) Silikon bazlı karbon anot: İdeal bir yeni nesil anot malzemesi olarak saf silikonun özgül kapasitesi grafitin 10 katıdır;

3) Lityum takviyesi: Silikon karbon anodun düşük ilk etkisine ek olarak, SEI filmi döngü işlemi sırasında rejenerasyonu "soluyacak", bu da döngü ömrünü azaltacak ve lityum takviyesine olan talep güçlenecektir;

4) Karbon nanotüpler: Zayıf iletkenlik nedeniyle silikon bazlı anot malzemelerde, aktif maddeler arasındaki iletkenliği artırmak ve bataryanın enerji yoğunluğunu iyileştirmek için karbon nanotüpler (CNT) eklemek gerekir;

5) LiFSi: Yüksek nikelli, yüksek voltajlı ve yüksek hızlı piller için uygun yeni bir lityum tuzu türü;

6) PVDF: Esas olarak bataryada kullanılan lityum pil ayırıcı ve bağlayıcı olarak katot.

Yapısal parçalar açısından, Tesla 4680 bataryası yeni bir konfigürasyon tasarımını benimsediğinden, üretim eşiği yükseltilmiş, yapısal parçaların özelleştirmeye, kabuk + kapak plakası tedarikine dönüşmesi sağlanmış, düzen optimize edilmiş ve tek ürünlerin değeri artırılmıştır.

Ekipman açısından, lazerle kalıp kesim, lazerle kaynak ve diğer işlemlerin miktarı artmış ve yüksek hassasiyet gereksinimleri ilgili ekipmanın değerini yükseltmiştir. Baş akü fabrikası yeni üretim kapasitesi planlıyor ve kabuk damgalama ekipmanının Çin üretimi ile değiştirilmesi bekleniyor.

Buna ek olarak, tüm pabuçlar yakından düzenlendiğinden, metal kalıp kesimini kullanmak zordur ve bazı şemalarda, pabuçların genişliği direk parçasının uzunluğu boyunca değişir, bu nedenle lazer kalıp kesimi daha uygundur. Lazer kaynak ekipmanı Tesla 4680 pil planından faydalanmaktadır ve üst üste bindirilmiş endüstrideki büyük pil fabrikaları da hacimde hızlı bir artışa yol açması beklenen üretim kapasitesine sahip olmayı planlamaktadır.

Önde gelen 4680 akü şirketi: CATL, EVE Energy ve diğer en iyi 10 4680 akü üreticisi.

4680'lik bataryalar için ana malzeme tedarikçileri: CNGR (yüksek nikel), Easpring Technology (yüksek nikel), Putailai (silikon karbon), Shanshan (silikon karbon), Dynanonic (lityum takviyesi), Ke Dali (kabuk), Cnano Technology (karbon nanotüpler), Tinci Materials (LiFSI), Capchem (LiFSI), BRT (yüksek nikel+karbon nanotüpler), Fangyuan (yüksek nikel), Slac (kabuk), Hymson (lazer kalıp kesme ekipmanı), Uwlaser (lazer kaynak ekipmanı), JDM (damgalama ekipmanı).

4680'lik bataryanın seri üretimindeki zorluklar

Tesla 4680 bataryasının yeni yapısı, batarya verim oranını etkileyen süreç gerçekleştirme ve tutarlılık zorluklarını beraberinde getiriyor.

Kaplama: Tüm kutup pabucu kaplamasının kavisli kenarı, cihazın daha yüksek hassasiyetini gerektirir (dış halkanın boş alanı iç halkadan daha fazla olur ve kutup pabucu uzunluğu dış halkaya göre daha uzundur).

Direk pabucu kesimi: Daha yüksek işlem gereksinimleri, eğer kenar düz değilse, direk pabucu bağlantısında bir boşluğa neden olacaktır.

Lazer kaynağı: Tüm kutup pabucu ve toplayıcı plaka kaynağı, kaynak noktaları artırıldı (Tesla 4680 bataryadaki lehim bağlantılarının sayısı 21700'dekinden beş kat daha fazladır), sanal kaynak veya yüksek sıcaklık hasarı diyaframı oluşturmak kolaydır.

Yoğurma: Metal çipler üretilir.

Sıvı enjeksiyonu: Tüm kutup pabucu kaplamasından sonra sıvı enjekte etmek zordur, bu da sürekli üretimi etkiler.

Tesla 4680 bataryanın performans avantajları

Tesla, bir dizi performans avantajı elde etmek için Tesla 4680 bataryası için "büyük hücre+tüm kutup pabucu+yüksek nikel ve yüksek silikon+CTC" tasarım iyileştirmesini yaptı:

1) Uzun dayanıklılık: Tesla 4680 pil enerji yoğunluğu >20% artar;

2) Hızlı şarj: Tüm kutuplu pabuç, bataryanın termoelektrik performansını optimize eder ve 4C'nin üzerindeki yüksek hızlı akıma dayanabilir;

3) Düşük maliyet: Büyük pil + yüksek enerji yoğunluğu, tek Wh maliyetini düşürür.

Buna ek olarak, Tesla 4680 batarya, daha iyi termal güvenlik performansı, iç gerilim dağılımı tekdüze avantajları nedeniyle, kare bataryaya kıyasla yüksek nikel ve yüksek silikon sistemi için daha uygundur. Düşük kaliteli otomobillerde daha çok fosforlu kare+CTP şemasının, yüksek kaliteli otomobillerde ise yüksek nikel ve yüksek silikonlu 4680+CTC şemasının uygulanması beklenmektedir.

LG, Panasonic, Samsung, CATL, EVE energy gibi küresel lider pil tedarikçileri de Tesla 4680 pilinin düzenini takip etti. Tesla 4680 bataryasının, Tesla ve önde gelen batarya üreticileri tarafından yönlendirilen bir dönüm noktasını başlatması bekleniyor.

Tesla 4680 pilinin teknolojik yeniliği

Tüm kutuplu pabucu benimseyin
Direnci azaltın:
Tüm kutup pabucunun tasarımı elektron akış yolunu azaltabilir ve iç direnci düşürebilir. 21700 pil elektronları, kolektördeki sargılı kutup tabakasının tüm açıklık uzunluğu boyunca akar, yol yaklaşık 1000 mm'dir ve karşılık gelen empedans, bakırın elektrik iletkenliğine göre 20mΩ'dan büyüktür.

Tesla 4680 batarya tüm kutuplu hücresinde, kolektör sıvısından akan elektronların yolu sadece eksenel uzunluk, yani 80 mm'dir ve buna karşılık gelen empedans 2mΩ'dur.

Isıyı azaltın
Isı üretimi açısından, direnç azaldıkça ısı azalır (tüm kutuplu pabuç bataryasının ısısı tek kutuplu pabucun sadece 1/5'i kadardır). Isı dağılımı açısından, radyal yön boyunca güçlü bir termal iletkenlik yolu oluşturulur ve sadece soğuk plaka altta düzenlenebilir (orijinal 21700 bir serpantin tüp soğutma yan duvarıdır), bu da termal yönetim ve enerji tüketiminin zorluğunu azaltır.

Özetle, elektrik ve ısı enerjisi kaybı azdır, enerji ve güç yoğunluğunun aynı anda artırılamayacağı kısıtlamasını kırarak uzun pil ömrü ve hızlı şarj elde edilir.

Süreci basitleştirin

21700/18650'nin direk plakasının direk pabucu için boş bir alan bırakması gerekir ve tam direk pabucu zebra kaplamayı önleyebilir ve akü üretimi süreç.

Yüksek nikel ve yüksek silikon benimseyin

Prensip olarak, 4680 silindirik batarya sadece bir paketleme şeklidir ve malzeme sistemi için bir sınır yoktur. Bununla birlikte, uygulama açısından, yüksek nikel ve yüksek silikon, 4680 büyük silindirin avantajlarını daha iyi termal performans ve kare pilden daha düzgün iç gerilim dağılımı ile oynayabilir.

Enerji yoğunluğu

Silindirik bataryanın entegrasyon verimliliği kare bataryanınkinden daha düşük olduğundan, yani aynı enerji yoğunluğuna sahip bir paket yapmak için, silindirik teklinin enerji yoğunluğunun kareninkinden daha yüksek olması gerekir. Bu nedenle, daha yüksek bir paket enerji yoğunluğu elde etmek için, silindir doğal olarak yüksek nikel gerektirir.

Yüksek nikel adaptasyon derecesi
Silindir, yüksek nikel için kareye göre daha uygundur. Bunun temel nedeni, kare yüksek nikelin yüzey teması olması ve tek pilin büyük olması, vücuttaki ısı üretiminin serbest bırakılmasının kolay olmaması ve termal kaçak tasarımının kontrol edilmesinin kolay olmamasıdır.

Öte yandan, lityum demirin kimyasal özellikleri kararlıdır ve ısı dağılımı ve termal kaçak gereksinimleri daha düşüktür, bu nedenle kare CTP, lityum demir sisteminin bataryası için çok uygundur ve yüksek kare entegrasyonun avantajlarını tam olarak oynar, ancak termal kaçak tasarımı zordur. 4680 lityum, binek araçlarda 4680'in avantajlarını kaybetmiştir ve gelecekte iki tekerlekli araçlarda ve elektrikli aletlerde uygulanabilir.

Ek olarak, silikon eklendikten sonra negatif elektrotun genişlemesi nedeniyle, silindirik şeklin iç gerilim dağılımı kareninkinden daha düzgündür ve bu şema altında parçacık kırılmasına neden olmak kolaydır, bu da performansı ve ömrü etkiler. Bu nedenle, hücrenin enerji yoğunluğunu artırmak için, yüksek nikelli yüksek silikonlu bir çözelti seçilmiştir.

Düşük maliyet elde edin
Aktif olmayan malzeme maliyeti
Örnek olarak yapısal parçaları ele alalım, 21700 pil kabuğu + kapak 2 RMB, 4680 şu anda yaklaşık 10 RMB, uzun ömürlü M3'ün 21700/4680 pil hücresi 4400/960 kullanması gerekiyor, mevcut 8800/9600 değerine karşılık geliyor, bu nedenle bisiklet pili yapısal parçalarının maliyeti temelde sabit. Geç hacimden sonra fiyat düşürme alanı çok büyüktür, maliyetin 30% ile azaltılabileceği varsayılırsa, tek bir yapısal parça 21700'den yaklaşık 2000 RMB tasarruf sağlayabilir.

Yüksek enerji yoğunluğu

Grafit + yüksek nikel enerji yoğunluğu 283wh/kg (247wh/kg olan LG 21700 batarya ile karşılaştırıldığında), silikon karbon +83 serisi yüksek nikel enerji yoğunluğu 300wh/kg, 91 serisi hedef 350-400Wh/kg.

Üretim sürecinde maliyet tasarrufu

Esas olarak üretim döngüsünün ilk aşamasında kuru elektrot teknolojisine yansıyan pozitif ve negatif partiküller, fibroz hale getirmek için politetrafloroetilen (PTFE) bağlayıcı ile karıştırılır ve toz doğrudan bir film haline getirilir ve pozitif ve negatif bir elektrot tabakası hazırlamak için alüminyum folyo veya bakır folyo üzerine preslenir.

Bu şekilde, karmaşık haddeleme ve kurutma işlemleri atlanarak üretim süreci büyük ölçüde basitleştirilebilir, üretim verimliliği artırılabilir ve maliyet tasarrufu sağlanabilir.

4680 akü endüstrisi zincirinin mevcut durumu

Tesla için, Tesla 4680 pilinin tanıtımıyla birlikte, gelecekte daha fazla üretim kapasitesi elde etmek için Çin'de iki veya üç döküm fabrikası olması gerekecek ve diğer büyük pil fabrikaları Tesla 4680 pilinin düzenini takip edecek. 2023 yılının salgının ilk yılını başlatması bekleniyor.

Küresel: Tesla ilk olarak Eylül 2020'de 4680 bataryalı Model Y'yi 2022Q1'de teslim etmeye başlayacağını duyurdu.

Panasonic, 2022 H1'de Japonya'da 4680 pillerin deneme üretimine ve 2023'te seri üretime başlamayı planlıyor; LG, Güney Kore'deki Ochang tesisinde 4680 pil kapasitesini artıracak ve 2022-2023'te seri üretime geçmeyi planlıyor; Samsung SDI, 2024'te seri üretime geçmeyi planlıyor ve İsrail şirketi Storedot, Eylül 2021'de ilk 4680 pili başarıyla ürettiğini ve 2024'te seri üretime geçmeyi planladığını duyurdu.

Çin: CATL araştırma ve geliştirme çalışmalarına hız vererek 2024 yılında seri üretim planlıyor; Bic Mart 2021'de Shenzhen CIBF'de büyük silindir ürünlerini sergiledi ve 2023 yılında seri üretim bekleniyor; EVE Energy 2021 yılının 4. çeyreğinde Jingmen'de 20GWh büyük silindir pil üretim projesini üretime geçirdi ve 2024 yılında 4680 pil seri üretimine ulaşması bekleniyor.