Батарея Tesla 4680 - технологічні інновації та розвиток галузевого ланцюжка

Що таке акумулятор 4680

"4680" означає специфікацію діаметра і висоти акумулятора. Акумулятор 4680 має діаметр 46 мм і висоту 80 мм. У порівнянні з традиційною батареєю електромобіля, її більший об'єм, більша ємність і вища щільність енергії можуть забезпечити більший запас ходу і продуктивність батареї.

Переваги акумулятора 4680

У порівнянні з однополюсною конструкцією акумуляторної батареї 21700, батарея 4680 має конструкцію всеполюсного наконечника + колекторна пластина, в той час як основна схема має нову конфігурацію позитивного полюса в нижній частині паза корпусу і лазерне зварювання кришки для ущільнення паза корпусу.

Що стосується процесу обробки, порівняно з акумулятором 21700, акумулятор 4680 збільшив процес штампування полюсного наконечника, замішування, лазерного зварювання колектора, формування отвору, процес лазерного зварювання кришки, ємність комірки акумулятора 4680 в 5 разів перевищує ємність акумулятора 21700, що може покращити пробіг 16% відповідної моделі, а вихідна потужність в 6 разів перевищує вихідну потужність акумулятора 21700.

В даний час батарея Tesla 4680 самостійно виробила 1 мільйон батарей в січні 2023 року, із середнім виходом 92% і найвищим виходом 97%, і вихід вийшов на рівень масового виробництва.

Дві структурні схеми 4680

Традиційна схема: кінець негативного наконечника звернений до дна паза сталевої оболонки, а позитивний наконечник виведений з відкритого кінця і приварений з позитивним кінцем. Основа сталевої оболонки зварюється з негативним всеполюсним наконечником через паз за допомогою імпульсного лазерного зварювання проплавленням.

Переваги: конструкція без негативного колектора не займає простір у напрямку висоти сталевої оболонки, що покращує коефіцієнт використання простору;

Недоліки: коли товщина стінки батареї збільшується, важко міцно приварити полюсний наконечник до нижньої частини корпусу за допомогою зварювання.

Нова схема: позитивна пластина колектора безпосередньо приварена до позитивного стовпчика, позитивний стовпчик приклеєний до отвору в нижній частині паза оболонки, а між ними знаходиться ізоляційне ущільнення, акумуляторна батарея є повнополюсною конструкцією з вушками.

Обидва кінці з'єднані з позитивною і негативною колекторними пластинами, а полюс електрично з'єднаний через позитивну колекторну пластину і батарею, корпус і негативна колекторна пластина електрично з'єднані, кришка і корпус з'єднані виїмкою, а на кришці витравлені вибухозахищені лінії.

Акумулятор 4680 відкриває нові можливості для промисловості акумуляторних матеріалів

Раніше через скорочення субсидій, що спричинило вимоги до зниження витрат, проблеми з безпекою були очевидними. Основні допоміжні матеріали в напрямку високої енергії та високих темпів модернізації сповільнилися, і очікується, що батарея Tesla 4680 стане новим штовхачем модернізації.

Очікується, що проникність/дозування основних допоміжних матеріалів, таких як катод з високим вмістом нікелю, кремній-вуглецевий анод, літієва добавка, вуглецеві нанотрубки, LiFSI, PVDF, збільшиться.

1) Катод з високим вмістом нікелю: Маючи високу робочу напругу і питому ємність, є потенційним катодним матеріалом для силових батарей;

2) Вугільний анод на основі кремнію: Як ідеальний анодний матеріал наступного покоління, питома ємність чистого кремнію в 10 разів перевищує питому ємність графіту;

3) Літієва добавка: На додаток до низького першого ефекту кремній-вуглецевого анода, плівка SEI буде "дихати" регенерацією в процесі циклу, що скорочує термін служби циклу, і попит на літієву добавку стає все сильнішим;

4) Вуглецеві нанотрубки: Через погану провідність анод на основі кремнію Для підвищення провідності між активними речовинами і поліпшення щільності енергії батареї необхідно додавати вуглецеві нанотрубки (ВНТ), які збільшують провідність між активними речовинами;

5) LiFSi: Новий тип літієвої солі, придатний для високо-нікелевих, високовольтних і високошвидкісних акумуляторів;

6) PVDF: В основному використовується в акумуляторах в сепаратор літієвих батарей і катод як зв'язуючу речовину.

З точки зору конструктивних деталей, оскільки акумулятор Tesla 4680 має нову конфігурацію, виробничий поріг був підвищений, що змусило конструктивні деталі звернутися до налаштування, закупівлі оболонки + кришки, оптимізувати макет і підвищити вартість окремих виробів.

Що стосується обладнання, то кількість лазерного штампування, лазерного зварювання та інших процесів зросла, а вимоги до високої точності збільшили вартість супутнього обладнання. Головний акумуляторний завод планує нові виробничі потужності, а обладнання для штампування корпусів, як очікується, буде замінено на китайське.

Крім того, оскільки всі вушка розташовані впритул, важко використовувати штампування металу, а в деяких схемах ширина вушок змінюється по довжині шматка полюса, тому лазерне штампування є більш підходящим. Лазерне зварювальне обладнання виграє від плану акумуляторів Tesla 4680, і основні заводи акумуляторів у накладеній галузі також планують мати виробничі потужності, що, як очікується, призведе до швидкого збільшення обсягів.

Провідні 4680 акумуляторних компаній: CATL, EVE Energy та інші 10 найкращих 4680 виробників акумуляторів.

Постачальники основних матеріалів для 4680 батарей: CNGR (високий вміст нікелю), Easpring Technology (високий вміст нікелю), Putailai (кремній-вуглець), Shanshan (кремній-вуглець), Dynanonic (літієва добавка), Ke Dali (оболонка), Cnano Technology (вуглецеві нанотрубки), Tinci Materials (LiFSI), Capchem (LiFSI), BRT (високонікелеві + вуглецеві нанотрубки), Fangyuan (високонікелеві), Slac (оболонка), Hymson (обладнання для лазерного штампування), Uwlaser (обладнання для лазерного зварювання), JDM (штампування).

Труднощі масового виробництва батареї 4680

Нова структура батареї Tesla 4680 створює проблеми з реалізацією процесу та узгодженістю, що впливає на коефіцієнт виходу батареї.

Покриття: Вигнутий край покриття всіх полюсних наконечників вимагає більшої точності пристрою (порожня площа зовнішнього кільця стає все більшою, ніж внутрішнього, а довжина полюсного наконечника довша до зовнішнього кільця).

Різання вушка стовпа: Більш високі вимоги до процесу, якщо край нерівний, це призведе до зазору в посадці наконечника полюса.

Лазерне зварювання: Зварювання всіх полюсних наконечників і колекторних пластин, збільшення точок зварювання (кількість паяних з'єднань в акумуляторі Tesla 4680 більш ніж у п'ять разів перевищує аналогічний показник в 21700), легке створення віртуального зварювання або пошкодження діафрагми при високій температурі.

Місимо: Виробляється металева стружка.

Ін'єкція рідини: Після нанесення покриття на всі полюсні наконечники важко впорскувати рідину, що впливає на безперервність виробництва.

Переваги продуктивності акумулятора Tesla 4680

Компанія Tesla вдосконалила конструкцію "велика комірка+всі полюсні наконечники+високий вміст нікелю та кремнію+CTC" для батареї Tesla 4680, щоб досягти низки переваг у продуктивності:

1) Довга витривалість: Щільність енергії батареї Tesla 4680 збільшується >20%;

2) Швидка зарядка: Всеполюсний наконечник оптимізує термоелектричні характеристики акумулятора і витримує струм високої сили понад 4°C;

3) Низька вартість: Великий акумулятор + висока щільність енергії, що знижує вартість однієї Вт-год.

Крім того, батарея Tesla 4680 завдяки кращим показникам теплової безпеки, рівномірному розподілу внутрішніх напружень, більше підходить для систем з високим вмістом нікелю та кремнію порівняно з квадратними батареями. Очікується, що в автомобілях низького класу буде більше застосовуватися фосфорна квадратна+CTP схема, а в автомобілях високого класу буде більше застосовуватися схема з високим вмістом нікелю і кремнію 4680+CTC.

Провідні світові постачальники акумуляторів, такі як LG, Panasonic, Samsung, CATL, EVE energy та інші, також взяли участь у розробці дизайну батареї Tesla 4680. Очікується, що батарея Tesla 4680 стане переломним моментом у розвитку галузі, який стимулюється компанією Tesla та провідними виробниками акумуляторів.

Технологічні інновації батареї Tesla 4680

Прийняти всеполюсний наконечник
Зменшити опір:
Конструкція всеполюсного наконечника може зменшити шлях проходження електронів і зменшити внутрішній опір. Електрони батареї 21700 протікають по всій довжині прольоту намотаного полюсного листа в колекторі, шлях становить близько 1000 мм, а відповідний імпеданс перевищує 20 мОм відповідно до електропровідності міді.

У всеполюсному елементі батареї Tesla 4680 шлях електронів, що протікають через колекторну рідину, становить лише осьову довжину, тобто 80 мм, а відповідний імпеданс - 2 мОм.

● Зменшити нагрівання
З точки зору виробництва тепла, тепло зменшується в міру зменшення опору (тепло багатополюсної акумуляторної батареї становить лише 1/5 від однополюсної). Що стосується розсіювання тепла, то вздовж радіального напрямку утворюється сильний шлях теплопровідності, і тільки холодна пластина може бути розташована внизу (оригінальна 21700 має змієподібну трубчасту бічну стінку охолодження), що зменшує складність терморегулювання та споживання енергії.

Таким чином, втрати електричної та теплової енергії невеликі, що дозволяє подолати обмеження щодо неможливості одночасного збільшення щільності енергії та потужності, а також досягти тривалого терміну служби акумулятора та швидкої зарядки.

Спростити процес

На полюсній пластині 21700/18650 потрібно залишити порожню зону для полюсного наконечника, а повний полюсний наконечник може уникнути покриття зебри і спростити виробництво акумуляторів процес.

Використовуйте нікель і кремній з високим вмістом нікелю

В принципі, циліндрична батарея 4680 - це лише форма упаковки, і немає ніяких обмежень для системи матеріалів. Однак, з точки зору застосування, високий вміст нікелю і кремнію може використовувати переваги великого циліндра 4680 з кращими тепловими характеристиками і рівномірним розподілом внутрішніх напружень, ніж у квадратної батареї.

Щільність енергії

Оскільки ефективність інтеграції циліндричної батареї нижча, ніж у квадратної батареї, тобто, щоб зробити пакет з однаковою щільністю енергії, щільність енергії циліндричного акумулятора повинна бути вищою, ніж у квадратного. Тому, щоб досягти вищої щільності енергії, циліндр, природно, потребує більшої кількості нікелю.

Високий ступінь адаптації нікелю
Циліндр більше підходить для високого нікелю, ніж квадратний. Основна причина полягає в тому, що квадратний нікель з високим вмістом нікелю є поверхневим контактом, а одиночна батарея велика, тепловиділення в тілі нелегко вивільнити, а конструкцію теплового втечі нелегко контролювати.

З іншого боку, хімічні властивості літієвого заліза стабільні, а вимоги до тепловіддачі та теплового розсіювання нижчі, тому квадратний CTP дуже підходить для батареї системи літієвого заліза, повністю використовуючи переваги високої квадратної інтеграції, але конструкція теплового розсіювання складна. Літій 4680 втратив переваги 4680 в легкових автомобілях, і в майбутньому може застосовуватися в двоколісних транспортних засобах та електроінструментах.

Крім того, через розширення негативного електрода після додавання кремнію внутрішня дисперсія напружень циліндричної форми є більш рівномірною, ніж у квадратної, що легко спричиняє поломку частинок за такої схеми, впливаючи на продуктивність і термін служби. Тому, щоб збільшити щільність енергії елемента, вибирають розчин з високим вмістом кремнію і високим вмістом нікелю.

Досягти низької вартості
Неактивні матеріальні витрати
Візьмемо для прикладу конструктивні деталі, корпус акумулятора 21700 + ковпачок 2 юанів, 4680 в даний час становить близько 10 юанів, тривалий термін служби M3 повинен використовувати акумуляторну батарею 21700/4680 4400/960, струм, що відповідає значенню 8800/9600, тому вартість конструктивних деталей велосипедного акумулятора в основному рівна. Простір для зниження ціни величезний після пізнього обсягу, якщо припустити, що вартість може бути знижена на 30%, одна структурна частина може заощадити близько 2000 юанів, ніж 21700.

Висока щільність енергії

Графіт + високий вміст нікелю - 283 Вт-год/кг (порівняно з батареєю LG 21700, яка має 247 Вт-год/кг), кремній-вуглецеві +83 серії з високим вмістом нікелю - 300 Вт-год/кг, 91 серія - 350-400 Вт-год/кг.

● Економія витрат у виробничому процесі

На ранній стадії виробничого циклу позитивні і негативні частинки змішуються зі сполучною речовиною з політетрафторетилену (ПТФЕ), щоб зробити його фіброзним, а порошок згортається безпосередньо в плівку і притискається до алюмінієвої або мідної фольги, щоб підготувати позитивний і негативний електродні пластини.

Таким чином, можна відмовитися від складних процесів прокатки та сушіння, що значно спрощує виробничий процес, підвищує ефективність виробництва та заощаджує витрати.

Поточний стан ланцюга акумуляторної промисловості 4680

Для компанії Tesla, з просуванням батареї Tesla 4680, в Китаї буде потрібно два або три ливарних заводи для досягнення більших виробничих потужностей в майбутньому, а інші великі заводи з виробництва акумуляторів будуть слідувати плануванню батареї Tesla 4680. Очікується, що 2023 рік стане першим роком спалаху.

Глобально: У вересні 2020 року Tesla вперше оголосила, що почне поставляти Model Y з батареєю 4680 у першому кварталі 2022 року.

Panasonic планує розпочати дослідне виробництво батарей 4680 в Японії в першому півріччі 2022 року, а масове виробництво - у 2023 році; LG розширить потужності з виробництва батарей 4680 на заводі в Очані в Південній Кореї і планує вийти на масове виробництво в 2022-2023 роках; Samsung SDI планує вийти на масове виробництво в 2024 році, а ізраїльська компанія Storedot оголосила у вересні 2021 року, що успішно випустила першу батарею 4680 і планує вийти на масове виробництво в 2024 році.

Китай: CATL прискорює темпи досліджень і розробок, плануючи масове виробництво у 2024 році; Bic виставив продукцію з великими циліндрами на виставці CIBF у Шеньчжені в березні 2021 року, а масове виробництво очікується у 2023 році; EVE Energy запустила проект з виробництва великих циліндричних акумуляторів на 20 ГВт-год у 4 кварталі 2021 року в Цзінмені, і, як очікується, досягне масового виробництва 4680 акумуляторів у 2024 році.