מסוללת הלהב של BYD, לסוללה נטולת הקובלט של Honeycomb Energy, ולאחר מכן לסוללת הנתרן-יון של עידן CATL, תעשיית סוללות החשמל חוותה חדשנות מתמשכת.23 בספטמבר 2020 - יום הסוללה של טסלה, מנכ"ל טסלה אילון מאסק הראה לעולם סוללה חדשה - סוללת 4680.
בעבר, הגדלים של סוללות ליתיום גליליות היו בעיקר 18650 ו-21700, ול-21700 היה 50% יותר אנרגיה מ-18650.לסוללת ה-4680 קיבולת התאים היא פי חמישה מזו של סוללת ה-21700, והסוללה החדשה יכולה להוזיל את העלות לקילוואט-שעה בכ-14% ולהגדיל את טווח השיוט ב-16%.
מאסק הצהיר בבוטות שהסוללה הזו תאפשר מכונית חשמלית של 25,000 דולר.
אז מאיפה הגיעה הסוללה המאיימת הזו?לאחר מכן, ננתח אותם אחד אחד.
1. מהי סוללת 4680?
הדרך של טסלה לתת שם לסוללות כוח היא מאוד פשוטה וישירה.סוללת 4680, כפי שהשם מרמז, היא סוללה גלילית בקוטר תא בודד של 46 מ"מ וגובה של 80 מ"מ.
שלושה גדלים שונים של סוללות גליליות ליתיום-יון
כפי שניתן לראות מהתמונה, בהשוואה לסוללת 18650 וסוללת 21700 המקורית של טסלה, סוללת ה-4680 נראית כמו אדם גבוה וחזק.
אבל סוללת 4680 היא לא רק שינוי בגודל, טסלה שילבה הרבה טכנולוגיה חדשה כדי לשפר את הביצועים.
שנית, הטכנולוגיה החדשה של סוללת 4680
1. עיצוב אוזניים ללא אלקטרודות
באופן אינטואיטיבי, התחושה הגדולה ביותר של ה-4680 היא שהוא גדול יותר.אז למה יצרנים אחרים לא הגדילו את הסוללה בעבר.הסיבה לכך היא שככל שהנפח גדול יותר והאנרגיה גבוהה יותר, קשה יותר לשלוט בחום והאיום הבטיחותי משריפה ופיצוץ גדול יותר.
כנראה שגם טסלה לקחה זאת בחשבון.
בהשוואה לסוללה הגלילית הקודמת, החידוש המבני הגדול ביותר של סוללת ה-4680 הוא הזיז חסר האלקטרודות, הידוע גם בשם הזיז המלא.בסוללה גלילית מסורתית, רדיד הנחושת החיובי והשלילי ומפריד רדיד האלומיניום מוערמים ומפותלים.על מנת למשוך את האלקטרודות, חוט עופרת הנקרא לשונית מרותך לשני הקצוות של רדיד הנחושת ורדיד האלומיניום.
אורך הפיתול של סוללת 1860 מסורתית הוא 800 מ"מ.אם ניקח לדוגמה את רדיד הנחושת עם מוליכות טובה יותר, אורך הלשוניות להובלת החשמל מתוך רדיד הנחושת הוא 800 מ"מ, וזה שווה ערך לזרם העובר דרך החוט באורך 800 מ"מ.
לפי חישוב, ההתנגדות היא כ-20mΩ, אורך הפיתול של סוללת ה-2170 הוא כ-1000 מ"מ, וההתנגדות היא כ-23mΩ.ניתן להמיר בקלות כי יש לגלגל את הסרט באותו עובי לסוללת 4680, ואורך הפיתול הוא כ-3800 מ"מ.
ישנם חסרונות רבים להגדלת אורך הפיתול.האלקטרונים צריכים לעבור מרחק רב יותר כדי להגיע ללשוניות בשני קצוות הסוללה, ההתנגדות תגדל, והסוללה תהיה נוטה יותר לחום.ביצועי הסוללה יפגעו ואף יצרו בעיות בטיחות.על מנת לקצר את המרחק שעוברים האלקטרונים, סוללת 4680 משתמשת בטכנולוגיית אוזניים ללא אלקטרודות.
ללשונית חסרת האלקטרודות אין לשוניות, אלא הופכת את כל קולט הזרם ללשונית, הנתיב המוליך אינו תלוי יותר בלשונית, והזרם מועבר מההעברה הרוחבית לאורך הלשונית לצלחת הקולט להולכה האורכית של האספן הנוכחי.
כל האורך המוליך השתנה מ-800 ל-1000 מ"מ של 1860 או 2170 אורך רדיד נחושת ל-80 מ"מ (גובה הסוללה).ההתנגדות מצטמצמת ל-2mΩ, וצריכת ההתנגדות הפנימית מצטמצמת מ-2W ל-0.2W, המופחתת ישירות בסדר גודל.
עיצוב זה מפחית מאוד את העכבה של הסוללה ופותר את בעיית החימום של הסוללה הגלילית.
מצד אחד, טכנולוגיית האוזן חסרת האלקטרודות מגדילה את אזור הולכת הזרם, מקצרת את מרחק ההולכה הנוכחית ומקטינה מאוד את ההתנגדות הפנימית של הסוללה;הפחתת ההתנגדות הפנימית יכולה להפחית את תופעת הקיזוז הנוכחי ולהאריך את חיי הסוללה;הפחתת ההתנגדות יכולה גם להפחית את ייצור החום, והציפוי המוליך של האלקטרודה אזור המגע היעיל בין השכבה לפקק הקצה של הסוללה יכול להגיע ל-100%, מה שיכול לשפר את יכולת פיזור החום.
סוללת 4680 מאמצת סוג חדש של טכנולוגיית אוזניים ללא אלקטרודות מבחינת מבנה התא, שיכולה להפחית עלויות ולהגביר את היעילות.מאידך, תהליך הריתוך של הלשוניות מושמט, יעילות הייצור משתפרת וניתן להפחית את שיעור הליקויים הנגרמים מהריתוך במקביל.
תרשים סכמטי של מונופול ומבנה קוטב מלא
2. בשילוב עם טכנולוגיית CTC
באופן כללי, ככל שגודל הסוללה גדול יותר, יש צורך להתקין פחות סוללות באותו רכב.עם 18650 תאים, טסלה צריכה 7100 תאים.אם אתה משתמש בסוללות 4680, אתה צריך רק 900 סוללות.
ככל שפחות הסוללות, כך ניתן להרכיב אותן מהר יותר, כך היעילות גבוהה יותר, הסיכוי לבעיות בחולי הביניים קטן יותר והמחיר זול יותר.לפי טסלה, ה-4680 הגדול יכול להוזיל את מחיר הייצור של הסוללות ב-14%.
על מנת לשפר את צפיפות האנרגיה של ערכת הסוללות, סוללת 4680 תשולב עם טכנולוגיית CTC (Cell to Chassis).זה לשלב את תאי הסוללה ישירות לתוך השלדה.על ידי הסרה מוחלטת של המודולים ומארזי הסוללות, תאי הסוללה הופכים לקומפקטיים יותר, מספר חלקי הסוללה יצטמצם מאוד וגם ניצול המקום של השלדה ישתפר מאוד.
ל-CTC דרישות מסוימות לגבי החוזק המבני של הסוללה.הסוללה עצמה צריכה לשאת חוזק מכני רב.בהשוואה לסוללות 18650 ו-2170, לסוללת 4680 יחידה יש חוזק מבני גדול יותר וחוזק מבני גבוה יותר, וסוללת המעטפת המרובעת הכללית היא מעטפת אלומיניום.מעטפת 4680 עשויה מפלדת אל חלד, והחוזק המבני המובנה מובטח.
בהשוואה לסוללת המעטפת המרובעת, הפריסה של הסוללה הגלילית תהיה גמישה יותר, תוכל להתאים למגוון שלדות שונות וניתן לשלב אותה טוב יותר עם האתר.
על פי המחקר והשיפוט של "EMF", טכנולוגיית CTC היא המפתח של רכבי אנרגיה חדשים בשנת 2022, והיא גם מזלג בכביש.
שילוב המצבר בגוף יכול להפוך את תחזוקת הרכב למסורבלת ביותר, וקשה להחליף את המצבר באופן עצמאי.מחירי השירות לאחר המכירה יעלו, ועלויות אלו יועברו ישירות לצרכנים, כמו עלויות ביטוח.למרות שאסק טוענים שהם תכננו מסילות תיקון שניתן לחתוך ולהחליף, ייקח זמן לראות עד כמה זה יעבוד.
חברות רכב רבות הציעו פתרונות טכניים משלהן CTC, מכיוון שהיא לא רק מסדרת מחדש את הסוללה, אלא גם צריכה לשנות את מבנה הגוף.זה קשור לחלוקה מחדש של העבודה בשרשרת האספקה של תעשיות קשורות.
CTC הוא רק מסלול טכני.זהו גוף סוללה משולב, פירוק ללא שינוי.יש טכנולוגיה נוספת מולו - החלפת סוללות.טכנולוגיית החלפת הסוללה קלה לפירוק, אך הסוללה תורמת תרומה רבה לחוזק הסוללה.איך לבחור את שני המסלולים האלה הוא משחק בין ספקי סוללות ליצרני OEM.
טכנולוגיית CTC בשילוב סוללת 4680
3. חדשנות בתהליך ייצור סוללות, חומרי קתודה ואנודה
טסלה תשתמש בתהליך אלקטרודות הסוללה היבשה, במקום להשתמש בממס, כמות קטנה (כ-5-8%) של קלסר PTFE דק מעורבב עם אבקת אלקטרודות חיוביות/שליליות, מועברת דרך אקסטרודר ליצירת רצועה דקה של חומר אלקטרודה, ולאחר מכן רצועה של חומר אלקטרודה הולבשה על קולט זרם רדיד מתכת כדי ליצור את האלקטרודה המוגמרת.
הסוללה המיוצרת בדרך זו ידידותית יותר לסביבה.ותהליך זה יגדיל את צפיפות האנרגיה של הסוללה ויקטין את צריכת האנרגיה של הייצור פי 10.טכנולוגיית האלקטרודות היבשות עשויה להפוך לאמות המידה הטכנולוגיות של הדור הבא.
טסלה 4680 טכנולוגיית אלקטרודה יבשה
מבחינת חומרי הקתודה, טסלה אמרה שהיא תסיר גם את יסוד הקובלט שבקתודה.קובלט הוא יקר ודל.ניתן לכרות אותו רק במעט מאוד מדינות בעולם, או במדינות אפריקאיות לא יציבות כמו קונגו.אם הסוללה באמת יכולה להסיר את אלמנט הקובלט, ניתן לומר שמדובר בחידוש טכנולוגי גדול.
קובלט
מבחינת חומרי האנודה, טסלה תתחיל עם חומרי סיליקון ותשתמש ביותר סיליקון כדי להחליף את הגרפיט המשמש כיום.הקיבולת הספציפית התיאורטית של האלקטרודה השלילית המבוססת על סיליקון גבוהה עד 4200mAh/g, שהיא פי עשרה מזו של האלקטרודה השלילית גרפיט.עם זאת, לאלקטרודות שליליות המבוססות על סיליקון יש גם בעיות כמו הרחבת נפח קלה של סיליקון, מוליכות חשמלית ירודה ואובדן מטען-פריקה ראשוני גדול.
לכן, שיפור הביצועים של חומרים הוא למעשה למצוא איזון בין צפיפות אנרגיה ויציבות, ומוצרי האנודה הנוכחיים המבוססים על סיליקון מסוממים בסיליקון ובגרפיט לשימוש מרוכב.
טסלה מתכננת לשנות מהיסוד את הגמישות של משטח הסיליקון כדי להפוך אותו לפחות נוטה לשבירה, טכנולוגיה שלא רק מאפשרת לסוללות להיטען מהר יותר, אלא גם מגדילה את חיי הסוללה ב-20 אחוזים.טסלה קראה לחומר החדש "טסלה סיליקון", והעלות היא 1.2$/KWh, שהיא רק עשירית מתהליך הסיליקון המובנה הקיים.
אנודות על בסיס סיליקון נחשבות לחומרי האנודה של סוללת ליתיום מהדור הבא.
כמה דגמים בשוק החלו להשתמש בחומרי אנודה מבוססי סיליקון.דגמים כמו Tesla Model 3 כבר משלבים כמויות קטנות של סיליקון באלקטרודה השלילית.לאחרונה הושק דגם GAC AION LX Plus.גרסת ה-Qianli מצוידת בטכנולוגיית סוללת שבב האנודה מסיליקון, שיכולה להגיע ל-1,000 קילומטרים של חיי סוללה.
אנודת סיליקון סוללה 4680
לסיכום היתרונות של טכנולוגיית סוללות 4680 היא שהיא יכולה לשפר את הביצועים תוך הפחתת עלויות.
3. ההשפעה מרחיקת הלכת של סוללות 4680
סוללת 4680 אינה מהפכה טכנולוגית חתרנית, לא פריצת דרך בצפיפות האנרגיה, אלא יותר חידוש בטכנולוגיית התהליך.
עם זאת, מונעת על ידי טסלה, עבור הדפוס הנוכחי של שוק האנרגיה החדש, ייצור 4680 סוללות ישנה את דפוס הסוללה הקיים.התעשייה תניע בהכרח גל של סוללות גליליות בנפח גדול.
על פי דיווחים, פנסוניק מתכננת להתחיל בייצור המוני של 4680 סוללות בעלות קיבולת גדולה עבור טסלה בתחילת 2023.ההשקעה החדשה תהיה גבוהה עד 80 מיליארד ין (כ-704 מיליון דולר).גם Samsung SDI ו-LG Energy הצטרפו לפיתוח סוללת ה-4680.
מקומית, Yiwei Lithium Energy הודיעה כי חברת הבת שלה Yiwei Power מתכננת לבנות קו ייצור של סוללות גליליות גדולות של 20GWh עבור רכבי נוסעים באזור ההייטק Jingmen.BAK Battery and Honeycomb Energy ייכנסו גם לתחום הסוללות הגליליות הגדולות.BMW ו-CATL גם פורסות באופן פעיל סוללות גליליות גדולות, והתבנית הבסיסית נקבעה.
פריסת סוללה גלילית של יצרני סוללות
רביעית, לכוח החשמלי יש מה לומר
החידוש המבני של הסוללה הגלילית הגדולה תקדם ללא ספק את התפתחות תעשיית סוללות החשמל.זה לא פשוט כמו שדרוג מהסוללה החמישית לסוללה הראשונה.לגוף השמן שלו יש שאלות נהדרות.
עלות המצבר קרובה ל-40% מעלות הרכב כולו.חשיבות הסוללה כ"לב" ברורה מאליה.עם זאת, עם הפופולריות של רכבי אנרגיה חדשים, הביקוש לסוללות עולה מיום ליום, ומחיר החומרים עולה.החדשנות של המצברים הפכה לדרך חשובה עבור חברות הרכב להתפתח.
עם התפתחות הטכנולוגיות הקשורות לסוללות, רכבים חשמליים במחיר סביר ממש מעבר לפינה!
זמן פרסום: 13 ביוני 2022