Von der Blade-Batterie von BYD über die kobaltfreie Batterie von Honeycomb Energy bis hin zur Natrium-Ionen-Batterie der CATL-Ära hat die Energiebatterieindustrie kontinuierliche Innovationen erlebt.23. September 2020 – Tesla Battery Day, Tesla-CEO Elon Musk zeigte der Welt eine neue Batterie – die 4680-Batterie.
Zuvor waren zylindrische Lithiumbatterien hauptsächlich in den Größen 18650 und 21700 erhältlich, und 21700 hatte 50 % mehr Energie als 18650.Die 4680-Batterie verfügt über die fünffache Zellkapazität der 21700-Batterie, und die neue Batterie kann die Kosten pro Kilowattstunde um etwa 14 % senken und die Reichweite um 16 % erhöhen.
Musk erklärte unverblümt, dass diese Batterie ein 25.000-Dollar-Elektroauto ermöglichen werde.
Woher kommt also diese bedrohliche Batterie?Als nächstes analysieren wir sie einzeln.
1. Was ist eine 4680-Batterie?
Teslas Art, Power-Batterien zu benennen, ist sehr einfach und unkompliziert.Die 4680-Batterie ist, wie der Name schon sagt, eine zylindrische Batterie mit einem Einzelzellendurchmesser von 46 mm und einer Höhe von 80 mm.
Drei verschiedene Größen zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien
Wie auf dem Bild zu sehen ist, sieht die 4680-Batterie im Vergleich zu Teslas originaler 18650-Batterie und 21700-Batterie wie ein großer und starker Mann aus.
Aber bei der 4680-Batterie handelt es sich nicht nur um eine Größenänderung, Tesla hat auch viele neue Technologien integriert, um die Leistung zu verbessern.
Zweitens die neue Technologie der 4680-Batterie
1. Elektrodenloses Ohrdesign
Intuitiv ist das größte Gefühl des 4680, dass er größer ist.Warum also haben andere Hersteller in der Vergangenheit den Akku nicht größer gemacht?Denn je größer das Volumen und je höher die Energie, desto schwieriger ist die Kontrolle der Hitze und desto größer ist das Sicherheitsrisiko durch Verbrennung und Explosion.
Auch darauf hat Tesla offenbar Rücksicht genommen.
Im Vergleich zur bisherigen zylindrischen Batterie ist die größte strukturelle Neuerung der 4680-Batterie der elektrodenlose Anschluss, auch Vollanschluss genannt.In einer herkömmlichen zylindrischen Batterie sind die positiven und negativen Kupferfolien sowie der Aluminiumfolienseparator gestapelt und gewickelt.Um die Elektroden herauszuziehen, wird ein als Lasche bezeichneter Anschlussdraht an die beiden Enden der Kupferfolie und der Aluminiumfolie geschweißt.
Die Wickellänge einer herkömmlichen 1860-Batterie beträgt 800 mm.Am Beispiel der Kupferfolie mit besserer Leitfähigkeit beträgt die Länge der Laschen zur Ableitung des Stroms aus der Kupferfolie 800 mm, was dem Strom entspricht, der durch den 800 mm langen Draht fließt.
Der Berechnung zufolge beträgt der Widerstand etwa 20 mΩ, die Wicklungslänge der 2170-Batterie beträgt etwa 1000 mm und der Widerstand beträgt etwa 23 mΩ.Es lässt sich leicht umrechnen, dass der Film gleicher Dicke in eine 4680-Batterie gerollt werden muss und die Wickellänge etwa 3800 mm beträgt.
Die Vergrößerung der Wickellänge bringt viele Nachteile mit sich.Die Elektronen müssen eine längere Strecke zurücklegen, um die Laschen an beiden Enden der Batterie zu erreichen, der Widerstand erhöht sich und die Batterie wird anfälliger für Hitze.Die Leistung der Batterie nimmt ab und es entstehen sogar Sicherheitsprobleme.Um die von den Elektronen zurückgelegte Distanz zu verkürzen, nutzt die 4680-Batterie die elektrodenlose Ohrtechnologie.
Die elektrodenlose Lasche hat keine Laschen, sondern verwandelt den gesamten Stromkollektor in eine Lasche, der Leiterpfad hängt nicht mehr von der Lasche ab und der Strom wird von der seitlichen Übertragung entlang der Lasche zur Kollektorplatte zur Längsübertragung übertragen Der Stromkollektor.
Die gesamte leitende Länge hat sich von 800 auf 1000 mm von 1860 oder 2170 Kupferfolienlänge auf 80 mm (Batteriehöhe) geändert.Der Widerstand wird auf 2 mΩ reduziert und der Innenwiderstandsverbrauch wird von 2 W auf 0,2 W reduziert, was direkt um eine Größenordnung reduziert wird.
Dieses Design reduziert die Impedanz der Batterie erheblich und löst das Erwärmungsproblem der zylindrischen Batterie.
Einerseits vergrößert die elektrodenlose Ohrtechnologie die Stromleitungsfläche, verkürzt die Stromleitungsstrecke und verringert den Innenwiderstand der Batterie erheblich.Durch die Reduzierung des Innenwiderstands kann das Stromoffset-Phänomen verringert und die Batterielebensdauer verlängert werden.Durch die Verringerung des Widerstands kann auch die Wärmeerzeugung verringert werden, und die effektive Kontaktfläche zwischen der Schicht und der Batterieendkappe kann durch die leitfähige Beschichtung der Elektrode 100 % erreichen, was die Wärmeableitungskapazität verbessern kann.
Die 4680-Batterie nutzt hinsichtlich der Zellstruktur eine neuartige elektrodenlose Ohrtechnologie, die Kosten senken und die Effizienz steigern kann.Andererseits entfällt der Schweißvorgang der Laschen, die Produktionseffizienz wird verbessert und gleichzeitig kann die durch das Schweißen verursachte Fehlerquote reduziert werden.
Schematische Darstellung der Monopol- und Vollpolstruktur
2. Kombiniert mit CTC-Technologie
Generell gilt: Je größer die Batteriegröße, desto weniger Batterien müssen im selben Fahrzeug verbaut werden.Bei 18650 Zellen benötigt ein Tesla 7100 Zellen.Wenn Sie 4680-Batterien verwenden, benötigen Sie nur 900-Batterien.
Je weniger Batterien vorhanden sind, desto schneller können sie zusammengebaut werden, desto höher ist die Effizienz, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Problemen bei den Zwischengliedern und desto günstiger ist der Preis.Laut Tesla kann der große 4680 den Produktionspreis von Batterien um 14 % senken.
Um die Energiedichte des Akkupacks zu verbessern, wird der 4680-Akku mit der CTC-Technologie (Cell to Chassis) kombiniert.Dabei sollen die Batteriezellen direkt in das Chassis integriert werden.Durch den kompletten Ausbau der Module und Batteriepakete werden die Batteriezellen kompakter, die Anzahl der Batterieteile wird deutlich reduziert und auch die Raumausnutzung des Chassis wird deutlich verbessert.
CTC stellt bestimmte Anforderungen an die strukturelle Festigkeit der Batterie.Die Batterie selbst muss eine große mechanische Belastung aushalten.Im Vergleich zu den 18650- und 2170-Batterien weist die 4680-Einzelbatterie eine größere Strukturfestigkeit und eine höhere Strukturfestigkeit auf, und die allgemeine Batterie mit quadratischem Gehäuse ist ein Aluminiumgehäuse.Das 4680-Gehäuse besteht aus Edelstahl und die inhärente strukturelle Festigkeit ist garantiert.
Im Vergleich zur Batterie mit quadratischem Gehäuse ist das Layout der zylindrischen Batterie flexibler, kann an verschiedene Chassis angepasst werden und lässt sich besser mit dem Standort kombinieren.
Nach den Recherchen und Einschätzungen von „EMF“ ist die CTC-Technologie der Auslöser für New-Energy-Fahrzeuge im Jahr 2022 und gleichzeitig eine Weggabelung.
Die Integration der Batterie in die Karosserie kann die Wartung des Fahrzeugs extrem kompliziert machen und die Batterie lässt sich nur schwer selbstständig austauschen.Die Preise für den Kundendienst werden steigen, und diese Kosten werden direkt an die Verbraucher weitergegeben, beispielsweise Versicherungskosten.Obwohl Musk behauptet, dass sie Reparaturschienen entwickelt haben, die geschnitten und ersetzt werden können, wird es einige Zeit dauern, bis sich herausstellt, wie gut das funktioniert.
Viele Automobilhersteller haben ihre eigenen technischen CTC-Lösungen vorgeschlagen, da diese nicht nur die Batterie neu anordnen, sondern auch die Karosseriestruktur ändern müssen.Dies hängt mit der Neuverteilung der Arbeit in der Lieferkette verwandter Industrien zusammen.
CTC ist nur eine technische Route.Es handelt sich um einen integrierten Batteriekörper, unveränderte Demontage.Gegenüber gibt es noch eine weitere Technologie – den Batteriewechsel.Die Batteriewechseltechnologie lässt sich leicht demontieren, allerdings trägt die Batterie einen großen Teil zur Batteriestärke bei.Die Wahl dieser beiden Wege ist ein Spiel zwischen Batterielieferanten und OEMs.
CTC-Technologie kombiniert mit 4680-Akku
3. Innovation im Batterieproduktionsprozess sowie bei Kathoden- und Anodenmaterialien
Tesla wird das Trockenbatterie-Elektrodenverfahren verwenden. Anstelle eines Lösungsmittels wird eine kleine Menge (ca. 5–8 %) eines fein pulverisierten PTFE-Bindemittels mit positivem/negativem Elektrodenpulver gemischt und durch einen Extruder geleitet, um einen dünnen Streifen zu bilden Elektrodenmaterial, und dann wurde ein Streifen Elektrodenmaterial auf einen Stromkollektor aus Metallfolie laminiert, um die fertige Elektrode zu bilden.
Die so hergestellte Batterie ist umweltfreundlicher.Und dieser Prozess erhöht die Energiedichte der Batterie und reduziert den Energieverbrauch der Produktion um das Zehnfache.Die Trockenelektrodentechnologie dürfte zum technologischen Maßstab für die nächste Generation werden.
Tesla 4680 Batterie-Trockenelektroden-Technologie
Bezüglich der Kathodenmaterialien sagte Tesla, dass man auch das Kobaltelement in der Kathode entfernen werde.Kobalt ist teuer und knapp.Es kann nur in sehr wenigen Ländern der Welt oder in instabilen afrikanischen Ländern wie dem Kongo abgebaut werden.Wenn die Batterie das Kobaltelement tatsächlich entfernen kann, kann man von einer großen technologischen Innovation sprechen.
Kobalt
Bei den Anodenmaterialien wird Tesla mit Siliziummaterialien beginnen und mehr Silizium verwenden, um das derzeit verwendete Graphit zu ersetzen.Die theoretische spezifische Kapazität der negativen Elektrode auf Siliziumbasis beträgt bis zu 4200 mAh/g und ist damit zehnmal höher als die der negativen Elektrode aus Graphit.Negative Elektroden auf Siliziumbasis weisen jedoch auch Probleme auf, wie z. B. eine leichte Volumenausdehnung von Silizium, eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und einen großen anfänglichen Lade-Entlade-Verlust.
Daher besteht die Leistungsverbesserung von Materialien tatsächlich darin, ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und Stabilität zu finden, und die aktuellen Anodenprodukte auf Siliziumbasis werden für die Verwendung in Verbundwerkstoffen mit Silizium und Graphit dotiert.
Tesla plant, die Formbarkeit der Siliziumoberfläche grundlegend zu ändern, um sie weniger bruchanfällig zu machen. Diese Technologie ermöglicht nicht nur ein schnelleres Laden der Batterien, sondern erhöht auch die Batterielebensdauer um 20 Prozent.Tesla nannte das neue Material „Tesla Silicon“ und die Kosten betragen 1,2 US-Dollar/KWh, was nur einem Zehntel des bestehenden strukturierten Siliziumprozesses entspricht.
Anoden auf Siliziumbasis gelten als Anodenmaterialien für Lithiumbatterien der nächsten Generation.
Einige Modelle auf dem Markt verwenden mittlerweile Anodenmaterialien auf Siliziumbasis.Modelle wie das Tesla Model 3 enthalten bereits geringe Mengen Silizium in der negativen Elektrode.Vor kurzem wurde das Modell GAC AION LX Plus auf den Markt gebracht.Die Qianli-Version ist mit der Schwamm-Silizium-Anoden-Chip-Batterietechnologie ausgestattet, die eine Batterielebensdauer von 1.000 Kilometern erreichen kann.
4680 Batterie-Siliziumanode
Die Vorteile der 4680-Batterietechnologie lassen sich zusammenfassen: Sie kann die Leistung verbessern und gleichzeitig die Kosten senken.
3. Die weitreichenden Auswirkungen von 4680-Batterien
Die 4680-Batterie ist keine subversive technologische Revolution, kein Durchbruch in der Energiedichte, sondern eher eine Innovation in der Prozesstechnologie.
Allerdings wird die Produktion von 4680 Batterien, angetrieben von Tesla, für das aktuelle Muster des neuen Energiemarktes das bestehende Batteriemuster verändern.Die Industrie wird unweigerlich eine Welle großvolumiger zylindrischer Batterien auslösen.
Berichten zufolge plant Panasonic, Anfang 2023 mit der Massenproduktion von 4680 Großkapazitätsbatterien für Tesla zu beginnen.Die Neuinvestition wird bis zu 80 Milliarden Yen (ca. 704 Millionen US-Dollar) betragen.Samsung SDI und LG Energy haben sich ebenfalls an der Entwicklung des 4680-Akkus beteiligt.
Im Inland gab Yiwei Lithium Energy bekannt, dass seine Tochtergesellschaft Yiwei Power den Bau einer 20 GWh großen zylindrischen Batterieproduktionslinie für Personenkraftwagen in der Jingmen High-Tech-Zone plant.BAK Battery und Honeycomb Energy werden auch in den Bereich der großen zylindrischen Batterien einsteigen.Auch BMW und CATL setzen aktiv große zylindrische Batterien ein, und das Grundmuster steht fest.
Zylindrisches Batterielayout der Batteriehersteller
Viertens hat die elektromotorische Kraft etwas zu sagen
Die strukturelle Innovation der großen zylindrischen Batterie wird zweifellos die Entwicklung der Energiebatterieindustrie vorantreiben.Es ist nicht so einfach, einfach von der 5. Batterie auf die 1. Batterie aufzurüsten.Sein dicker Körper hat große Fragen.
Die Kosten für die Batterie betragen fast 40 % der Kosten des gesamten Fahrzeugs.Die Bedeutung der Batterie als „Herz“ liegt auf der Hand.Mit der Beliebtheit von Fahrzeugen mit neuer Energie steigt jedoch die Nachfrage nach Batterien von Tag zu Tag und die Materialpreise steigen.Die Innovation von Batterien ist für Automobilunternehmen zu einem wichtigen Entwicklungsfaktor geworden.
Mit der Entwicklung batteriebezogener Technologien stehen erschwingliche Elektrofahrzeuge vor der Tür!
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13.06.2022