در موضوع جلسه SESSION1 "روند توسعه کاربرد و بازار فناوری پیشرفته باتری با توان بالا در HEV، میکرو هیبریدی (48 ولت)، پهپادها و ابزارهای الکتریکی"دکتر مائو هوانیو، رئیس شرکت باتری سوژو یولانگ، یک سخنرانی کلیدی در مورد "مزایا و معایب باتری Clyindar 4680".
همانطور که از تسلا از 18650 تا 21700 تا 4680 مشاهده می شود، در واقع، این نه تنها تغییر اندازه، بلکه بهبود قابل توجهی در ساختار داخلی است.بر خلاف 18650 و 21700 که دارای یک یا دو قطب هستند، گوش 4680 قطبی به تعداد بی نهایت قطب تبدیل می شود. این تغییر مسیر جریان را تا حد زیادی افزایش می دهد و باتری را از چگالی انرژی بالا به نرخ بالا افزایش می دهد. این تغییر باعث شارژ و تخلیه جریان بالا، کاهش گرما، افزایش اندازه باتری استوانه ای و کاهش هزینه می شود.یک 4680 معادل 5 21700 و 8 18650 است.
بیایید نگاهی دقیق تر به طراحی باتری معمولی بیندازیم. در سمت چپ مختصات چگالی انرژی، در سمت راست مختصات چگالی توان و در وسط انواع طرح‌های مختلف مانند پاناسونیک 2170 و لیتیوم تیتانات Yinlong قرار دارد.هنگامی که چگالی انرژی افزایش می‌یابد، چگالی توان کاهش می‌یابد، یا اگر چگالی توان باتری لیتیوم تیتانات بسیار بالا باشد، اما چگالی انرژی نسبتاً کم باشد، چنین تفاوت قیچی را تشکیل می‌دهد، اکنون گوش تمام قطبی 4680 می‌تواند به بیرون وارد شود. چگالی انرژی بالا و چگالی توان بالا را در نظر بگیرید تا از محدودیت های باتری سیلندر اصلی عبور کنید.
بیایید به مقایسه دو ساختار باتری نگاه کنیم. باتری مورد استفاده در Panasonic 21700Tesla Model3 است. یک گوش قطبی در وسط (نه در وسط) وجود دارد.اگر به سلول گوش کامل 4680 نگاه کنیم، مسیر هدایت الکترون به عرض صفحه قطب، حدود 70 میلی‌متر، اضافه می‌شود و بسیار یکنواخت است.برای باتری های پاناسونیک، چگالی جریان در جایی که گوش قطبی قرار دارد بسیار زیاد است. اگر از این مکان دور هستید، چگالی جریان بسیار کم است، بنابراین چگالی جریان بسیار ناهموار است.در ضمن، سلول 4680 که ما ساختیم 4.5 متر طول دارد و گرفتن قدرت بالا با یک یا چند گوش در یک سلول بسیار طولانی بسیار دشوار است، بنابراین این یک تفاوت اساسی است.
در اینجا دو ویژگی وجود دارد. یکی این است که مسیر هدایت الکترون را بسیار کوتاه می کند.یکی داشتن چگالی جریان یکنواخت است.این چند مزیت را به همراه دارد:
به عنوان مثال، شارژ سریع می تواند محقق شود و 80 درصد شارژ در 15 دقیقه امکان پذیر می شود.باتری های کمتر نیز می توانند قدرت رانندگی بیشتری تولید کنند.شارژ جریان بالا و گرمای تخلیه کمتر است، عمر افزایش می یابد.به عنوان مثال، در اینجا، یولیو اکنون سه یوان 4680 باتری را انجام می دهد، منحنی شارژ اساساً یکسان است، عملکرد شارژ سریع 0 تا 80٪ تنها به 12 دقیقه و 13 ثانیه نیاز دارد، سرعت حالت پالس تخلیه می تواند به 8 درجه سانتیگراد برسد، انرژی چگالی به 230Wh/kg می رسد.عملکرد شارژ سریع YuluoFeFe4680 بین 0 تا 80 درصد است. تنها 12 دقیقه و 30 ثانیه طول می کشد تا دشارژ پالس به 11 درجه سانتیگراد و چگالی انرژی به 180 وات ساعت بر کیلوگرم برسد.
از نظر کاهش هزینه ها، برخی از کارخانه های خودروسازی می توانند به یک ماشین اسب کوچک دست پیدا کنند، باتری نه چندان زیاد، مانند برق اصلی 50 درجه، اکنون با 30 درجه قدرت با اصل یکسان است، یا حتی بزرگتر، اگر در برخی موارد، بدون در نظر گرفتن مسافت پیموده شده رانندگی می تواند باتری کمتر است.علاوه بر این، راندمان تولید سلول نیز بهبود می یابد که منجر به کاهش هزینه های تولید می شود.مزایای PACK حتی بیشتر است. ساختار بسیار ساده است، که برای کاهش هزینه مهم است.علاوه بر این، چگالی انرژی نیز می تواند بهبود یابد تا اساساً چگالی انرژی بالای باتری سیلندر حفظ شود. در عین حال، سیلندر برای استفاده از مواد آند سیلیکونی برای بهبود چگالی انرژی مناسب تر است.
چگونه ممکن است چیزی شبیه به این شکل بگیرد؟ما فقط به ساختار آن نگاه می کنیم.به عنوان مثال، در فرآیند هدایت الکترونیکی، باتری را می توان به دو امپدانس تقسیم کرد، یکی امپدانس رسانش الکترونیکی، دیگری امپدانس هدایت یونی است.امپدانس الکتریکی مقاومتی است (در حدود چند صد میلی متر) که در امتداد فویل جریان دارد و فویل دارای سطح جریان بسیار کمی است، فقط ضخامت برابر عرض.رسانایی یونی مقاومت ناشی از جریان یون ها از طریق شکاف و غشاء بین ذرات آند و ماده کاتد است. فاصله رسانایی در حد میکرون است و ناحیه هدایت بسیار بزرگ است.در یک سلول، اگر ساختار مناسب نباشد، بیش از 90 درصد مقاومت داخلی از مقاومت فویل است، ساختار گوش تمام قطبی اساساً این مقاومت را از بین می برد.
دانشگاه آکسفورد بریتانیا چندین محقق به طور خاص در 4680 شبیه سازی باتری و مقایسه طراحی گوش باتری استوانه ای سنتی، ABCD شرایط اتلاف گرما متفاوت است، شرایط اتلاف حرارت یکسان، چپ و راست را ببینید، تفاوت دما بین آن چقدر است؟اگر مقیاس را نرمال کنیم، می بینیم که منحنی در اینجا فقط کمی است و دمای گرمایش بسیار پایین تر است.بیایید به ارزش حرارتی آن نگاه کنیم که در اینجا نیز توضیح داده شده است. این طرح گوش قطبی سلول سیلندر سنتی است و فویل اینقدر ارزش حرارتی دارد، اما اساساً نمی توانید آن را در داخل سیلندر 4680 پیدا کنید.محاسبه جامع ارزش حرارتی باتری سیلندر سنتی بیش از 5 برابر گوش پر قطب است، بنابراین ارزش حرارتی تنها 20٪ از باتری اصلی است.
به آن نگاه کنید نه تنها کالری کمی است، بلکه توزیع نیز بسیار یکنواخت است، SOC از تخلیه 90٪، طراحی سنتی دمای مرکز باتری به 80 درجه سانتیگراد می رسد، اما 4680 بسیار یکنواخت است، مکان گرم خاصی وجود ندارد، تعادل زیر 45 درجه سانتیگراد است که در شرایط تخلیه یکسان است.گرمایش یکنواخت یکی از جنبه های مهم افزایش عمر باتری است.به دلیل ارزش حرارتی پایین و یکنواختی، هزینه مدیریت حرارتی PACK را می توان تا حد زیادی کاهش داد.این بسته باتری داخل مدل 3 است که بیش از 4000 باتری از لوله های سرپانتین عبور می کند و با نگاه کردن به آن می توانید متوجه شوید که ارزان نیست.الان 4680 تب نداره، می تونی همه اینا رو حذف کنی، بعد از چی حذف کنی؟این بسته کاملاً غیر ماژولار است که توسط تسلا تبلیغ می شود. به قدری محکم چیده شده است که یک صفحه صاف در زیر یا بالا برای اتلاف گرما اضافه می شود که هزینه مدیریت حرارتی را تا حد زیادی کاهش می دهد.
بگذارید 4680 را با باتری تیغه ای مقایسه کنم.بزرگترین ویژگی باتری تیغه ای، صرفه جویی در فضا و افزایش نرخ بهره برداری تا 50 درصد است. سپس، هنگامی که ما خیلی محکم مرتب شده ایم، برای مقایسه از باتری 53.57 کیلووات ساعتی استفاده می کنیم که بسته باتری 135 A و 396.8 ولت است. اندازه گیری طول، عرض و ضخامت نشان می دهد که فضای سلول این مقدار است و حجم کل سلول 0.143 متر مکعب است.به طور مشابه، ما از سلول‌های فاصله‌دهنده استفاده می‌کنیم، هر محاسبه 18 A، به 930PCOS نیاز دارد، که یک آرایه مربعی از سلول‌های 39×24 را تشکیل می‌دهد، حجم فضای سلول 0.141 متر مکعب است، این دو قابل مقایسه هستند.علاوه بر این، 4680 مزایای خود را دارد. قطب باتری تیغه ای دارای مسیر هدایت الکترونیکی 915 میلی متری است. مسیر هدایت 4680 تنها ده ها میلی متر است، بنابراین ضریب 4680 مزایای بیشتری خواهد داشت.
بیایید 4680 را با سلول مربع مقایسه کنیم.در حال حاضر، اندازه باتری لیتیوم آهن مورد استفاده در تسلا مدل 3 62 میلی متر (ضخامت) در 275 میلی متر (عرض) x 80 (ارتفاع) است. ظرفیت و ولتاژ باتری را روی پلاک خودرو پیدا کردیم. حجم کل باتری 0.147 متر مکعب است که سلول های باتری یک به یک ردیف شوند.به طور مشابه، ما از 4680 از 18Ah برای تشکیل یک آرایه مربع 40×24 استفاده می کنیم. حجم کل سلول 0.144 متر مکعب است. بنابراین، در مقایسه با مربع، 4680 چگالی انرژی حجمی یکسانی دارد.
طبق گزارش تسلا، این سازه مقداری از وزن را جبران می کند.در عین حال یک عامل مهم برای کاهش هزینه دارد، در اینجا دو منحنی وجود دارد، یک نقطه اوج را بگیرید، بنابراین کاهش هزینه قطر 46 میلی متر بزرگترین است، محدوده نیز بزرگترین است.حداقل هزینه تولید PACK از 2170 سلول به 4680 سلول، از 4416 سلول به 960 سلول کاهش یافته است و هزینه های جوشکاری و هزینه های مونتاژ به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.جوشکاری سیم آلومینیوم اصلی با الکترود منفی باتری 2170 یک مشکل بزرگ است، با دقت ببینید محل اتصال لحیم کاری بسیار زشت است، چرا چنین است؟عمدتاً به این دلیل که صفحه جوش ارائه شده توسط الکترود منفی خیلی کوچک یا منحنی است، فقط حدود 1 میلی متر عرض دارد، بنابراین همیشه جوش بد است و بازده محصولات نهایی در این مکان بسیار کم است.اما تغییر به 4680 یکسان نیست، هواپیما جوش مثبت در وسط، هواپیما جوش منفی یک دوجین میلی متر عرض، بسیار صاف یک دایره بزرگ است.
از نظر بهبود انرژی، از آنجایی که سیلندر راحت تر به دست می آید، الکترود مثبت می تواند از مواد نیکل بالا ساخته شود، باتری سیلندر می تواند انبساط الکترود منفی را تا حد معینی مهار کند، و الکترود منفی می تواند ساخته شده از مواد کربن سیلیکون.در یک تسلا مدل 3، 4416 باتری 2170 دارای مساحت 7.46 متر مربع هستند، در حالی که 960 باتری 4680 دارای مساحت 4.55 متر مربع هستند که وزن پوسته فولادی را حدود 40 درصد کاهش می دهد.
گفت: مزایای بسیاری، پس از آن صحبت می کنند یک نقطه دشوار است، مجموعه ای از گوش، می توانید سه را ببینید: ورز دادن گوش، گوش برش، چند گوش.
خمیر گوش در چین محبوبیت بیشتری دارد، اما به این ترتیب به دلیل فضای اشغال شده توسط فویل، عرض پوشش الکترود مثبت تنها حدود 64 میلی متر است و ارتفاع استفاده از فضا تنها 80٪ است.مانند سیلندر پاناسونیک 70 میلی متر است، اما عرض روکش مثبت 63.5 میلی متر است و ارتفاع میزان استفاده از فضا به 90 درصد می رسد.علاوه بر این، شکل گوش قطب کنترل نمی شود و اتصال کوتاه آن آسان است.ما فکر می کنیم این رویکرد مشکل ساز است.علاوه بر این، هر دو انتهای تولید حالت بسته هستند، انسداد نفوذ الکترولیت.
روش تسلا به این صورت است که به روش گوش بسیار بریده می شود، قطعه قطبی به طرفین است، تکه تکه می شود، سپس آن را یک رول گوش قرار می دهیم تا مارپیچ از چیزها تشکیل شود، اکستروژن بسیار بهتر از بدون قاعده است، زیرا فضا کوچک است، اما در عین حال هنوز مشکلاتی وجود دارد، مانند شدت لیزر و کنترل فاصله کانونی آسان، ذوب شدن آسان به باتری یا عدم جوشکاری در داخل.همچنین به دلیل وضعیت بسته در دو انتها، انسداد نفوذ الکترولیت.تسلا در این ویدئو گفت که تولید مداوم امکان پذیر است، اما حداقل فرآیند تزریق، تولید مداوم نیست.
در مورد گوش های چند قطبی چطور؟وقتی با دقت به نمودار نگاه می کنیم، قطب ها به طور مرتب روی هم چیده شده اند. در واقع، وقتی این کار را انجام می دهیم، متوجه می شویم که این کار آسانی نیست.همانطور که از این فرمول می بینید، این فرمول قطبی است.این S موقعیت گوش قطب روی صفحه قطب است، θ زاویه است، و ثابت a متناسب با ضخامت است.سپس وقتی تعداد دورها به حدود 50 رسید و مقدار θ در این فرمول به بیش از 300 رسید، نسبت S به تغییر ضخامت بسیار زیاد است. هنگامی که ضخامت الکترود 1 میکرون تغییر می کند، موقعیت گوش قطبی 10000 بار تغییر می کند.به عنوان مثال، صفحات بدون هیچ گونه خطا در ضخامت تراز شده اند.اگر هر دو مثبت و منفی یک میکرون داشته باشند و سپس 10000 برابر بزرگنمایی کنند، خطای موقعیت گوش قطبی به ده ها میلی متر می رسد.
بنابراین نتیجه این است که باتری گوش تمام قطبی 4680 یک پیشرفت بزرگ در عملکرد باتری های استوانه ای، کاهش حرارت، عملکرد شارژ سریع تا حد زیادی بهبود یافته است.هزینه از سلول به PACK کاهش نسبتا زیادی خواهد داشت.البته، سختی در مجموعه گوش افراطی نهفته است، اما با پیشرفت تکنولوژی، به تدریج بر مشکلات غلبه می کند، به مزیت ها بازی می دهد.