في موضوع الجلسة من SESSION1 "اتجاه تطوير التطبيقات والأسواق للتكنولوجيا المتقدمة للبطاريات عالية الطاقة في HEV و Micro Hybrid (48V) والطائرات بدون طيار والأدوات الكهربائية"، ألقى الدكتور ماو هوانيو ، رئيس شركة Suzhou Yulang Battery Co. ، Ltd. ، كلمة رئيسية في "مزايا وعيوب بطارية Clyindar 4680".
كما يتضح من Tesla من 18650 إلى 21700 إلى 4680 ، في الواقع ، ليس فقط تغيير الحجم ، ولكن أيضًا تحسين كبير في الهيكل الداخلي.على عكس 18650 و 21700 ، اللذان يحتويان على عمود أو قطبين ، تصبح الأذن القطبية 4680 عددًا لا نهائيًا من الأقطاب. يؤدي هذا التغيير إلى زيادة المسار الحالي بشكل كبير وزيادة البطارية من كثافة طاقة عالية إلى معدل مرتفع. يسمح هذا التغيير بشحن وتفريغ تيار عالي ، ويقلل من الحرارة ، ويزيد من حجم البطارية الأسطوانية ، ويقلل من التكلفة.4680 يساوي حوالي خمسة 21700 وثمانية 18650 ثانية.
دعونا نلقي نظرة فاحصة على تصميم البطارية النموذجي. يوجد على اليسار إحداثيات كثافة الطاقة ، وعلى اليمين يوجد إحداثي كثافة الطاقة ، وفي المنتصف توجد مجموعة متنوعة من التصميمات المختلفة ، مثل Panasonic 2170 و Yinlong's lithium titanate.عندما تزداد كثافة الطاقة ، ستنخفض كثافة الطاقة ، أو إذا كانت كثافة الطاقة لبطارية تيتانات الليثيوم عالية جدًا ، لكن كثافة الطاقة منخفضة نسبيًا ، مما يؤدي إلى تكوين مثل هذا الاختلاف في المقص ، والآن يمكن للأذن الشاملة 4680 إخراج حساب كثافة الطاقة العالية وكثافة الطاقة العالية ، وذلك لاختراق قيود بطارية الأسطوانة الأصلية.
لنلقِ نظرة على المقارنة بين بنيتي البطارية. ما ورد أعلاه هو البطارية المستخدمة في Panasonic 21700Tesla Model3. يوجد أذن قطبية في المنتصف (ليست في المنتصف).إذا نظرنا إلى 4680 خلية أذن كاملة ، فإن مسار توصيل الإلكترون يصل إلى عرض لوحة القطب ، حوالي 70 ملم ، وهو متجانس للغاية.بالنسبة لبطاريات باناسونيك ، تكون الكثافة الحالية عالية جدًا حيث توجد الأذن القطبية. إذا كنت بعيدًا عن هذا المكان ، فإن كثافة التيار منخفضة جدًا ، وبالتالي فإن كثافة التيار غير متساوية للغاية.بالمناسبة ، يبلغ طول الخلية 4680 التي صنعناها 4.5 مترًا ، ومن الصعب جدًا الحصول على طاقة عالية بأذن واحدة أو عدة أذن في خلية طويلة جدًا ، وهذا فرق أساسي.
هناك ميزتان هنا. إحداها أنه يقصر بشكل كبير مسار توصيل الإلكترون.الأول هو أن يكون لديك كثافة تيار موحدة.يجلب هذا عددًا من المزايا:
على سبيل المثال ، يمكن تحقيق الشحن السريع ، ويصبح الشحن بنسبة 80٪ ممكنًا في 15 دقيقة.يمكن أن ينتج عدد أقل من البطاريات أيضًا المزيد من قوة القيادة.شحن التيار العالي وتفريغ الحرارة أقل ، وزيادة العمر.هنا ، على سبيل المثال ، تقوم Yuliu الآن بعمل ثلاثة بطاريات 4680 يوان ، ومنحنى الشحن هو نفسه بشكل أساسي ، وأداء الشحن السريع من 0 إلى 80٪ يحتاج فقط إلى 12 دقيقة و 13 ثانية ، ويمكن أن يصل معدل نبض التفريغ إلى 8C ، الطاقة تصل الكثافة إلى 230 وات / كجم.أداء الشحن السريع لـ YuluoFeFe4680 هو من 0 إلى 80٪. يستغرق تفريغ النبض 12 دقيقة و 30 ثانية فقط ليصل إلى 11 درجة مئوية وتصل كثافة الطاقة إلى 180 واط / كجم.
فيما يتعلق بخفض التكاليف ، يمكن لبعض مصانع السيارات تحقيق سيارة حصان صغيرة ، وليس الكثير من البطاريات ، مثل 50 درجة من الكهرباء الأصلية ، الآن مع 30 درجة من الطاقة مع الأصل نفسه ، أو حتى أكبر ، إذا كان في بعض الحالات ، دون النظر إلى المسافة المقطوعة في القيادة يمكن أن تكون بطارية أقل.بالإضافة إلى ذلك ، تم تحسين كفاءة إنتاج الخلايا أيضًا ، مما يؤدي إلى تقليل تكاليف الإنتاج.مزايا PACK أكبر من ذلك. الهيكل بسيط للغاية ، وهو أمر مهم لتقليل التكلفة.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا تحسين كثافة الطاقة للحفاظ بشكل أساسي على كثافة الطاقة العالية لبطارية الأسطوانة. في الوقت نفسه ، تعتبر الأسطوانة أكثر ملاءمة لاستخدام مادة أنود السيليكون لتحسين كثافة الطاقة.
كيف يمكن لشيء مثل هذا الشكل؟نحن فقط ننظر إلى هيكلها.على سبيل المثال ، في عملية التوصيل الإلكتروني ، يمكن تقسيم البطارية إلى ممانعين ، أحدهما ممانعة التوصيل الإلكتروني ، والآخر هو مقاومة التوصيل الأيوني.المقاومة الكهربائية هي المقاومة (بترتيب بضع مئات من المليمترات) التي تتدفق على طول الرقاقة ، وتحتوي الرقاقة على مساحة تدفق صغيرة جدًا ، فقط السماكة مضروبة في العرض.الموصلية الأيونية هي المقاومة الناتجة عن تدفق الأيونات عبر الفجوة والغشاء بين جزيئات الأنود والكاثود. مسافة التوصيل بترتيب الميكرون ، ومنطقة التوصيل كبيرة جدًا.في الخلية ، إذا كان الهيكل غير مناسب ، فإن أكثر من 90٪ من المقاومة الداخلية ناتجة عن مقاومة الرقائق ، فإن بنية الأذن الشاملة تقضي بشكل أساسي على هذه المقاومة.
جامعة أكسفورد البريطانية العديد من العلماء على وجه التحديد حول محاكاة بطارية 4680 ، ومقارنة تصميم أذن البطارية الأسطوانية التقليدية ، ABCD هي ظروف تبديد حرارة مختلفة ، انظر نفس ظروف تبديد الحرارة ، اليسار واليمين ، ما هو الفرق في درجة الحرارة بينهما؟إذا قمنا بتطبيع المقياس ، يمكننا أن نرى أن المنحنى هنا قليلاً فقط ، ودرجة حرارة التسخين أقل بكثير.دعونا نلقي نظرة على قيمته الحرارية ، والتي تم وصفها أيضًا هنا. هذا هو التصميم التقليدي للأذن القطبية لخلية الأسطوانة ، والرقاقة لها هذه القيمة الحرارية العالية ، لكن في الأساس لا يمكنك العثور عليها داخل الأسطوانة 4680.إن الحساب الشامل للقيمة الحرارية لبطارية الأسطوانة التقليدية هو أكثر من 5 أضعاف حساب الأذن الكاملة ، وبالتالي فإن القيمة الحرارية هي 20٪ فقط من الأصل.
انظر إلى أنه ليس فقط السعرات الحرارية صغيرًا ، والتوزيع أيضًا موحد جدًا ، SOC من تفريغ 90 ٪ ، التصميم التقليدي لدرجة حرارة مركز البطارية تصل إلى 80 درجة مئوية ، ولكن 4680 موحد جدًا ، لا يوجد مكان ساخن خاص ، التوازن أقل من 45 درجة مئوية ، والتي تكون تحت نفس ظروف التفريغ.يعد التسخين المنتظم جانبًا مهمًا لإطالة عمر البطارية.بسبب القيمة الحرارية المنخفضة والتوحيد ، يمكن تقليل تكلفة الإدارة الحرارية لـ PACK بشكل كبير.هذه هي حزمة البطارية داخل الموديل 3 ، مع أكثر من 4000 بطارية تمر عبر أنابيب سربنتين ، ويمكنك أن تعرف من خلال النظر إليها أنها ليست رخيصة.الآن 4680 ليس لديه حمى ، يمكنك إزالة كل هذه ، إزالتها بعد ماذا؟هذا هو PACK غير المعياري تمامًا الذي أعلنت عنه Tesla. إنه مرتب بإحكام بحيث يتم إضافة لوحة مسطحة أسفل أو أعلى لتبديد الحرارة ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة الإدارة الحرارية.
اسمحوا لي أن أقارن 4680 ببطارية نصل.أكبر ميزة لبطارية الشفرة هي توفير المساحة وزيادة معدل الاستخدام بنسبة 50٪. بعد ذلك ، عندما يتم ترتيبنا بإحكام ، نستخدم بطارية 53.57 كيلو واط في الساعة للمقارنة ، وهي بطارية 135 أمبير و 396.8 فولت. يوضح قياس الطول والعرض والسمك أن مساحة الخلية هي هذه القيمة ، والحجم الإجمالي للخلية هو 0.143 متر مكعب.وبالمثل ، نستخدم خلايا مباعدة ، كل حساب 18 A ، يتطلب 930PCOS ، وتشكيل مجموعة مربعة من 39 × 24 خلية ، وحجم مساحة الخلية 0.141 متر مكعب ، وكلاهما قابل للمقارنة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن 4680 لها مزاياها. يحتوي عمود بطارية الشفرة على مسار توصيل إلكتروني 915 مم. يبلغ طول مسار التوصيل 4680 عشرات مم فقط ، لذلك سيكون للمضاعف 4680 مزايا أكثر.
لنقارن 4680 بالخلية المربعة.في الوقت الحاضر ، يبلغ حجم بطارية حديد الليثيوم المستخدمة في Tesla Model 3 62 مم (سماكة) × 275 مم (عرض) × 80 (عالية). وجدنا السعة والجهد للبطارية على لوحة السيارة. يبلغ الحجم الإجمالي للبطارية 0.147 م 3 عندما تصطف خلايا البطارية واحدة تلو الأخرى.وبالمثل ، نستخدم 4680 من 18Ah لتشكيل مصفوفة مربعة 40 × 24. الحجم الإجمالي للخلية هو 0.144 متر مكعب. لذلك ، بالمقارنة مع المربع ، 4680 له نفس كثافة الطاقة الحجمية.
وفقًا لتقرير Tesla ، فإن الهيكل يوازن بعض الوزن.في الوقت نفسه ، يكون له عامل مهم لتقليل التكلفة ، فهناك منحنيان هنا ، يأخذان مكانًا في الذروة ، وبالتالي فإن خفض التكلفة بقطر 46 مم هو الأكبر ، والنطاق هو أيضًا الأكبر.تم تخفيض تكلفة إنتاج PACK على الأقل من 2170 إلى 4680 خلية ، من 4416 خلية إلى 960 خلية ، كما تم تخفيض تكاليف اللحام وتكاليف التجميع بشكل كبير.يعد لحام أسلاك الألمنيوم الأصلي مع القطب السالب للبطارية 2170 صعوبة كبيرة ، انظر بعناية إلى مفصل اللحام هذا المكان قبيح للغاية ، لماذا؟بشكل أساسي لأن مستوى اللحام الذي يوفره القطب السالب صغير جدًا ، أو منحني ، بعرض حوالي 1 مليمتر فقط ، لذلك فهو دائمًا لحام سيئ ، وعائد المنتجات النهائية في هذا المكان منخفض جدًا.لكن تم تغييره إلى 4680 ليس هو نفسه ، مستوى اللحام الموجب في المنتصف ، وطائرة اللحام السالبة يبلغ عرضها عشرة ملليمترات ، ودائرة كبيرة ناعمة جدًا.
من حيث تحسين الطاقة ، نظرًا لأن الأسطوانة أسهل في تحقيق الأمان من الفشل ، يمكن أن يكون القطب الموجب مصنوعًا من مادة النيكل العالية ، ويمكن أن تمنع بطارية الأسطوانة تمدد القطب السالب إلى حد معين ، ويمكن أن يكون القطب السالب مصنوعة من مادة الكربون السيليكون.في واحدة من طراز Tesla Model 3 ، تبلغ مساحة البطاريات 4،416 2170 7.46 مترًا مربعًا ، بينما تبلغ مساحة 960 4680 بطارية 4.55 مترًا مربعًا ، مما يقلل من وزن الغلاف الفولاذي بنحو 40٪.
قال الكثير من المزايا ، ثم تحدث نقطة صعبة ، هو جمع الأذن ، ويمكن رؤية ثلاثة: عجن الأذن ، وقطع الأذن ، وتعدد الأذن.
تعتبر أذن العجن أكثر شيوعًا في الصين ، ولكن بهذه الطريقة بسبب المساحة التي يشغلها الرقاقة ، يبلغ عرض طلاء القطب الموجب حوالي 64 مم فقط ، ويبلغ ارتفاع استخدام المساحة 80٪ فقط.مثل أسطوانة باناسونيك 70 مم ، لكن عرض الطلاء الموجب 63.5 مم ، وارتفاع معدل استخدام الفضاء يصل إلى 90 بالمائة.بالإضافة إلى ذلك ، لا يتم التحكم في شكل الأذن القطبية ، ومن السهل قصر الدائرة.نعتقد أن هذا النهج هو إشكالية.بالإضافة إلى ذلك ، كلا طرفي التصنيع مغلقان ، يعيقان تسلل الإلكتروليت.
طريقة Tesla هي قطع طريقة الأذن تمامًا ، حيث تكون قطعة العمود جانبية ، ومقطعة إلى قطع ، ثم وضع لفافة من الأذن لتشكيل حلزوني من الشيء ، سيكون البثق أفضل بكثير من عدم وجود قواعد ، لأن المساحة صغيرة ، ولكن في الوقت نفسه ، لا تزال هناك بعض المشكلات ، مثل شدة الليزر والبعد البؤري ليس من السهل التحكم فيهما ، أو سهولة الصهر في البطاريات أو عدم وجود لحام من الداخل.أيضًا بسبب الوضع المغلق عند كلا الطرفين ، انسداد تسلل الإلكتروليت.قال تسلا في الفيديو إن الإنتاج المستمر ممكن ، لكن على الأقل عملية الحقن ليست إنتاجًا مستمرًا.
ماذا عن الآذان متعددة الأقطاب؟عندما ننظر بعناية إلى الرسم التخطيطي ، نجد أن الأعمدة مكدسة بدقة. في الواقع ، عندما نفعل ذلك ، نجد أن هذا ليس بالأمر السهل.كما ترى من هذه الصيغة ، هذه هي الصيغة القطبية.هذا S هو موضع الأذن القطبية على صفيحة العمود ، و هي الزاوية ، والثابت a يتناسب مع السماكة.بعد ذلك ، عندما يصل عدد الدورات إلى حوالي 50 وتصل قيمة في هذه الصيغة إلى أكثر من 300 ، تكون نسبة S إلى تغير السماكة كبيرة جدًا. عندما يتغير سمك القطب بمقدار 1 ميكرون ، يتغير موضع الأذن القطبية بمقدار 10000 مرة.على سبيل المثال ، تتم محاذاة الألواح دون أي خطأ في السماكة.إذا كان لكل من الموجب والسالب ميكرون ، ثم تم تكبيره بمقدار 10000 مرة ، فإن خطأ موضع الأذن القطبية سيصل إلى عشرات المليمترات.
لذا فإن الاستنتاج هو أن بطارية 4680 ذات الأذن الشاملة تمثل طفرة كبيرة في أداء البطاريات الأسطوانية ، وتقليل الحرارة ، وتحسين أداء الشحن السريع بشكل كبير.سيكون للتكلفة من الخلية إلى PACK تخفيض كبير نسبيًا.بالطبع ، تكمن الصعوبة في مجموعة الأذن المتطرفة ، ولكن مع تقدم التكنولوجيا ، سوف تتغلب تدريجياً على الصعوبات ، وتطلق العنان للمزايا.