Nowa technologia akumulatorów litowo-jonowych

Nowa technologia akumulatorów litowo-jonowych: skupienie się na dużych cylindrach, długich rdzeniach i innych możliwościach w zakresie innowacji

1. Rozwój baterii: głównym kierunkiem jest ultraszybkie ładowanie, bezpieczeństwo i inna wydajność; skoncentruj się na dużych cylindrach, długich ogniwach i innych innowacjach konstrukcyjnych

1.1 Trendy w wydajności akumulatorów: układ fabryki akumulatorów o wysokim współczynniku energii, ultraszybkie ładowanie i bezpieczeństwo oraz inne wskazówki techniczne

Ningde Time, BYD i inne główne fabryki akumulatorów zmierzają w kierunku technologii wysokiego współczynnika zużycia energii, superszybkiego ładowania i bezpieczeństwa akumulatorów, a ścieżka realizacji obejmuje innowacje strukturalne, innowacje materiałowe itp.

    Ningde Times, wiodąca fabryka akumulatorów, wyznaczyła sześć kierunków, takich jak wysoki współczynnik energii, superszybkie ładowanie i prawdziwe bezpieczeństwo, a rodzaje technologii obejmują innowacje strukturalne, innowacje materiałowe i innowacje w zakresie zarządzania. Według oficjalnej strony internetowej Ningde Times widzimy, że Ningde Times wyznaczył sześć kierunków innowacji strukturalnych, innowacji materiałowych i innowacji w zarządzaniu, którymi są: wysoka energia właściwa, długa żywotność, ultraszybkie ładowanie, prawdziwe bezpieczeństwo, samoczynność kontrola temperatury i inteligentne zarządzanie. Weźmy na przykład superszybkie ładowanie. Superszybkie ładowanie Ningde Time odnosi się do najszybszego ładowania w ciągu 5 minut do 80% pod względem struktury, zastosowano wielostopniowy nabiegunnik i metodę wielu uszu, w szczególności:① wielogradientowy nabiegunnik: regulując rozkład gradientu porowatej struktury nabiegunnika, górna warstwa o wysokiej porowatości, dolna warstwa o strukturze ciała stałego pod wysokim ciśnieniem, doskonale uwzględniając podwójny rdzeń o dużej gęstości energii i superszybkie ładowanie;② wielouszne: rozwijanie przestrzeni wielowymiarowej (2) Wielowarstwowe: rozwój technologii wielowymiarowych końcówek kosmicznych, która znacznie poprawia obciążalność prądową nabiegunnika i przełamuje techniczne wąskie gardło związane ze wzrostem temperatury akumulatora ogniwo podczas bezpośredniego ładowania 500A.

1.2 Nowy typ innowacji w zakresie baterii/konstrukcji: duże cylindryczne, długie ogniwa itp. to ważne kierunki rozmieszczenia fabryk baterii

Przeszukaliśmy formę baterii, postęp w produkcji masowej, wskaźnik wydajności i korzystne cechy głównych fabryk baterii, które aktywnie opracowują nowe formy baterii, takie jak duże cylindry i długie ogniwa. Weźmy na przykład firmę Honeycomb Energy. Prace nad drugą generacją laminowanych, długich i cienkich ogniw L600 zostały zakończone i oczekuje się, że w Q3 2022 wejdzie do masowej produkcji; pod względem wskaźnika wydajności pojemność pojedynczego ogniwa L600 wzrosła do 196Ah, gęstość energii przekracza 185wh/kg, a objętościowa gęstość energii przekracza 430wh/l, co ma korzystne cechy, takie jak wysoka kompatybilność, duże możliwości adaptacji, wysokie bezpieczeństwo i długie życie.

(2) Duże cylindryczne baterie: Tesla, BAK, EVERLIGHT i inne fabryki baterii produkują duże cylindryczne baterie. Weźmy na przykład Teslę. W akumulatorze 4680 zastosowano katodę o wysokiej zawartości niklu i katodę krzemowo-węglową oraz technologię bezelektrodowych końcówek, o gęstości energii 300 Wh/kg, pojemność akumulatora jest 5 razy większa niż w obecnym rozwiązaniu 2170, a moc wyjściowa wynosi 6 razy wyższy. Ponadto ma zalety w zakresie gęstości energii, mocy i wydajności ładowania.

2. Duży cylindryczny: oczekuje się wzrostu zastosowań lasera; wysokie wymagania dotyczące precyzji sprzętu

2.1 Duży akumulator cylindryczny: Weźmy na przykład Teslę 4680, na uwagę zasługują innowacje techniczne, takie jak sucha elektroda i końcówka bezelektrodowa

Jak wynika z artykułu, bateria cylindryczna 4680 jest kolejną innowacją konstrukcyjną baterii cylindrycznej z mniejszych modeli 1865 do 2170. W porównaniu z używanym wcześniej akumulatorem 2170, bateria 4680 znacznie zmniejsza wytwarzanie ciepła, rozwiązuje problem odprowadzania ciepła przy dużej gęstości energii ogniw i zwiększa szczytową moc ładowania i rozładowywania, co ostatecznie zapewnia akumulatorowi 4680 5 razy więcej energii i 6 razy większą moc niż akumulator 2170, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów o 14% i zwiększeniu zasięgu o 16%.

Jeśli chodzi o innowacje strukturalne i proces produkcyjny, w modelu 4680 zastosowano trzy główne innowacje technologiczne w porównaniu z poprzednimi akumulatorami – proces z suchą elektrodą, technologię bez końcówek (wszystkie końcówki) i technologię CTC – które zaowocowały niższymi kosztami produkcji ogniw i większą poprawą wydajności. Weźmy na przykład technologię bez końcówek, konstrukcja ogniw 4680 zamienia cały kolektor w końcówki, ścieżka przewodząca nie jest już zależna od końcówek, a przenoszenie prądu zmienia się z przenoszenia poprzecznego wzdłuż występów do płyty kolektora na transmisję wzdłużną w kolektora, co zmniejsza opór do 2mΩ a pobór rezystancji wewnętrznej od 2W do 0.2W.

2.2 Proces elektrody suchej: niski koszt w porównaniu z tradycyjnym procesem mokrym, rdzeń leży w przygotowaniu elektrody i sprzęcie do wytłaczania folii

Technologia suchych elektrod Maxwell jest odpowiednia dla obecnego składu chemicznego akumulatorów litowych i zaawansowanych nowych materiałów elektrodowych. W procesie produkcyjnym nie stosuje się rozpuszczalników i można ją rozszerzyć na produkcję typu „roll-to-roll”, a podstawową technologią jest formułowanie elektrod i tworzenie folii sprzęt do wytłaczania.

(1) Zgodnie z artykułem „Dry Electrode Coating Technology” autorstwa Hieu Duonga, Joona Shina i Yudi Yudi, technologia suchych elektrod Maxwella składa się z trzech etapów: (i) mieszania suchego proszku, (ii) formowania proszku do cienkiej powłoki, (iii ) cienkie powlekanie i tłoczenie zbierające płyn, wszystkie trzy etapy nie wymagają rozpuszczalników. Proces suchych elektrod Maxwella jest skalowalny pod kątem aktualnego składu chemicznego akumulatorów litowo-jonowych i nowych, zaawansowanych materiałów na elektrody akumulatorowe; w szczególności, zastrzeżony proces firmy Maxwell na sucho jest stosowany do mieszania proszku w celu utworzenia końcowej mieszanki proszkowej materiałów aktywnych, spoiw i dodatków przewodzących, która jest wytłaczana i kalandrowana w celu uzyskania. Mieszanka proszkowa jest wytłaczana i kalandrowana w celu utworzenia ciągłej, samonośnej suchej masy -powlekana folia elektrodowa, którą można również zwinąć w rolki. Na koniec cienką warstwę elektrody dociska się razem z płynem kolektorowym, tworząc elektrodę akumulatora.

(2) Jeśli chodzi o zalety, zgodnie z artykułem „Dry Electrode Coating Technology” autorstwa Hieu Duonga, Joona Shina i Yudi Yudiego, proces suchej elektrody Maxwell może być stosowany do klasycznych i zaawansowanych materiałów akumulatorowych i może zostać rozszerzony na akumulatory szpulowe - produkcja szpul w porównaniu do tradycyjnych elektrod mokrych. (3) Jeśli chodzi o podstawową technologię, według Battery World Online, podstawową technologią procesu produkcji elektrod suchych firmy Maxwell jest technologia i sprzęt do formułowania elektrod oraz wytłaczania folii.

Ponadto elektrody suche można wytwarzać różnymi metodami, takimi jak nakładanie laserem pulsacyjnym i napylanie katodowe, które wymagają dodatkowego procesu wyżarzania folii w porównaniu z procesami elektrod mokrych i suchych Maxwella. Według artykułu „Bezrozpuszczalnikowa produkcja elektrod do akumulatorów litowo-jonowych” autorstwa Brandona Ludwiga, Zhangfenga Zhenga, Wan Shou, Yan Wanga i Heng Pan, w przeciwieństwie do procesu przygotowania elektrod na mokro, elektrody suche można wytwarzać za pomocą pulsacyjnego osadzania laserowego. Proces suchej elektrody można osiągnąć różnymi metodami, takimi jak osadzanie za pomocą lasera pulsacyjnego i napylania katodowego, które nie wymaga suszenia, ale wymaga dodatkowego wyżarzania cienkowarstwowego ze względu na wysoką temperaturę powodowaną przez osadzanie laserem pulsacyjnym. Proces przygotowania elektrody zaproponowany w tym artykule jest następujący.

(1) Proces przygotowania elektrody na mokro① Proces odlewania pasty: Elektrody akumulatorów litowych powstają poprzez odlewanie pasty (zawierającej substancję czynną w rozpuszczalniku, węglu przewodzącym i spoiwie) na metalowy kolektor. Najpopularniejszym spoiwem jest PVDF (wstępnie rozpuszczony w rozpuszczalniku NMP), a powstałą zawiesinę miesza się i wylewa na kolektor, który należy wysuszyć w celu odparowania rozpuszczalnika w celu wytworzenia suchej porowatej elektrody. Suszenie zajmuje dużo czasu, zazwyczaj 12-24 godzin w temperaturze 120stopieńC. Ponadto, ponieważ NMP jest kosztowny i zanieczyszcza, należy zainstalować system odzyskiwania w celu odzyskania odparowanego NMP podczas procesu suszenia (co wiąże się ze znacznymi inwestycjami kapitałowymi).

Elektrostatyczne osadzanie natryskowe na bazie rozpuszczalnika: Materiał elektrody nakłada się na kolektor przy użyciu elektrostatycznego osadzania natryskowego na bazie rozpuszczalnika, tj. osadzony materiał jest rozpylany w dyszy i nakładany na kolektor; tak skonstruowane elektrody wykazują podobne właściwości do elektrod w zawiesinie, z tą samą wadą, że wymagają intensywnego procesu suszenia, który wymaga również czasu i energii (2 godziny w 400°C)stopieńC). Baterie litowe są również produkowane metodą natryskową, w której każdy zespół elektrod jest natryskiwany na żądaną powierzchnię za pomocą powłoki na bazie NMP, która nadal wymaga odparowania rozpuszczalnika.

(2) Proces przygotowania elektrody na sucho osiąga się różnymi metodami, takimi jak laser pulsacyjny i osadzanie przez rozpylanie katodowe. Impulsowe osadzanie laserowe osiąga się poprzez skupienie lasera na tarczy zawierającej materiał, który ma zostać osadzony, a gdy laser trafi w cel, materiał odparowuje i osadza się na kolektorze; mimo że nie używa się rozpuszczalnika, osadzona folia musi wytrzymać temperatury 650-800stopieńC, podczas gdy osadzanie przez rozpylanie magnetronowe może obniżyć wymaganą temperaturę wyżarzania do 350stopieńC. Ta metoda jest reprezentatywna dla wytwarzania elektrod z suchym ogniwem, ale szybkość osadzania jest powolna i wymaga wyżarzania w wysokiej temperaturze.

Proces suchej elektrody jest tańszy niż tradycyjny proces mokry, głównie pod względem kosztów pracy, inwestycji w sprzęt i przestrzeni w zakładzie. Zgodnie z artykułem „Solfvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries” autorstwa Brandona Ludwiga, Zhangfenga Zhenga, Wan Shou, Yan Wanga i Heng Pan, na przykład Battery Design Scenario 1. Na przykład produkcja suchych elektrod wynosi 21,6% , 14,2% i 13,1% mniej, odpowiednio, pod względem robocizny bezpośredniej, kosztów sprzętu i powierzchni zakładu w porównaniu do produkcji elektrod mokrych, przy założeniu, że rocznie produkuje się 100,000 ogniw.

2.3 Technologia Lugless (all-lug): zmniejszyć rezystancję wewnętrzną akumulatora, zwiększyć objętość spawania laserowego, wysokie wymagania dotyczące precyzji sprzętu

(na całe ucho) może znacznie zmniejszyć rezystancję i wewnętrzne zużycie rezystancji akumulatora. Według artykułu Yulong Zhao „Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan”: 1) Tradycyjny akumulator cylindryczny: dodatnia i ujemna folia miedziana oraz membrana z folii aluminiowej są ułożone i nawinięte, a drut prowadzący (ucho) jest przyspawany na każdym końcu miedzi folię i folię aluminiową w celu poprowadzenia elektrody. (2) Bateria 4680: cały kolektor zamienia się w ucho, droga przewodzenia nie jest już zależna od ucha, prąd przekazywany jest z przekładni poprzecznej wzdłuż ucha do kolektora na przekładnię wzdłużną kolektora, całość przewodząca długość zostaje zmieniona z 800-1000mm długości folii miedzianej 1860 lub 2170 na Całkowita długość przewodząca zostaje zmieniona z 800-1000mm długości folii miedzianej 1860 lub 2170 na 80mm (wysokość ogniwa), co zmniejsza rezystancję do 2 mΩ oraz pobór rezystancji wewnętrznej od 2W do 0.2W, czyli o rząd wielkości mniej.

Cechy konstrukcyjne: powierzchnia styku/przewodząca występu na jednym końcu ogniwa jest równa/większa niż kolektor. Zgodnie z patentem Tesli na „bez zaczepów”, cytowanym przez oficjalny numer publiczny WeChat firmy GaoGong Lithium, opisuje on co najmniej jedną elektrodę jako bezuszczelkowy uchwyt akumulatora, w szczególności: 1) Dolny poziom rdzenia: koniec kolektora pozostaje biały i niepokryty z materiałami dodatnimi/ujemnymi, gdzie część kolektora można rozumieć jako uogólnioną końcówkę, Tesla Kluczem do konstrukcji „bez końcówek” jest to, że powierzchnia przewodzenia końcówki jest dokładnie taka sama jak kolektor, a nawet powierzchnia styku końcówki i powierzchnia przewodzenia są większe niż powierzchnia przewodzenia kolektora poprzez zróżnicowaną konstrukcję pokrywy; 2) górny poziom rdzenia: jeśli używana jest tylko jedna elektroda bez końcówki, górny koniec pozostaje taki sam, jak w przypadku rdzenia 18650, 21700. Z analizy patentowej wynika, że ​​tylko jeden koniec połączenia bez końcówek pozwala uzyskać efekt pięciokrotnego zmniejszenia oporu wewnętrznego.

(1) Proces produkcyjny: Według oficjalnego publicznego numeru WeChat Automotive Materials Network, cytowanego w Automotive Home, istnieją dwa procesy produkcyjne uchwytów indukcyjnych, tj. najpierw cięcie, a następnie nawijanie, pierwsze nawijanie, a następnie wycinanie laserowe. cięcie, a konkretnie:① Najpierw cięcie, a potem nawijanie: Dzięki precyzyjnym obliczeniom materiał przed nawinięciem jest cięty na wiele części. Gdy uzwojenie osiągnie zadaną energię, następuje spawanie. Wykrawanie laserowe po nawinięciu: materiał nawijany jest bezpośrednio bez względu na szerokość i rozmiar, natomiast wycinanie laserowe odbywa się na naddatku materiału po osiągnięciu zadanej energii, co wymaga dużej precyzji.

(2) Wymagania sprzętowe: Zgodnie z oficjalnym publicznym numerem WeChat Automotive Materials Network, powołując się na informacje z publicznego numeru Auto House i GaoGong Lithium WeChat, z punktu widzenia sprzętu produkcyjnego zachodzą poważne zmiany w trzech aspektach w ramach technologii nie - występ polarny (ucho całkowicie polarne), w szczególności:① proces powlekania: pewien zakrzywiony kształt całkowicie polarnego występu powoduje wyższe wymagania dotyczące precyzji sprzętu, a biała przestrzeń na pierścieniu zewnętrznym będzie coraz większa niż biała przestrzeń na pierścieniu wewnętrznym;② sprzęt do cięcia: wymagania dotyczące procesu wycinania laserowego są wyższe. (2) sprzęt do cięcia: wyższe wymagania dotyczące procesu wycinania laserowego i luki w pasowaniu warstw materiału spowodowane nierównymi krawędziami tnącymi; (3) spawanie laserowe: liczba połączeń spawanych podczas laserowego zgrzewania punktowego wszystkich końcówek wzrasta ponad pięciokrotnie w porównaniu z 21700. W szczególności, zgodnie z procesem spawania, na przykład zgodnie z artykułem Zhao Yulonga „Power Battery 4680 full zawartość skanu technologii uch, pełne ucho i połączenie płyty kolektora lub powłoki, wymagania dotyczące technologii spawania laserowego są wyższe, w szczególności od tradycyjnego zgrzewania punktowego z dwoma uchami do spawania powierzchniowego z pełnym uchem, proces spawania i objętość spawania stały się większe, intensywność lasera a ogniskowa nie jest łatwa do kontrolowania, łatwa do spawania poprzez wypalenie wnętrza rdzenia lub brak spawania; Ponadto niektóre firmy proponują zastosowanie w przypadku odbieraka prądu patentów na wcisk zamiast na spawanie.

Jako przykład bierzemy technologię CTC Tesli i analizujemy ją w następujący sposób: 1) W przeciwieństwie do zestawu akumulatorów 2170, który składa się z czterech modułów, akumulator 4680 wykorzystuje technologię CTC, a zestaw akumulatorów pełni rolę podstawy pojazdu. Według oficjalnej strony internetowej InsideEV, z przekroju poprzecznego nowego pakietu akumulatorów o strukturze Modelu Y pokazanego podczas zwiedzania fabryki Giga Berlin w październiku 2021 r., akumulator 4680 bezpośrednio eliminuje konstrukcję modułową i wykorzystuje technologię CTC, która jest gęsto rozmieszczona w podwozie pojazdu, czyli spód Modelu Y wyposażonego w akumulator 4680 jest wydrążony, a akumulator pełni rolę podwozia. Zestaw akumulatorów pełni funkcję podwozia. Natomiast akumulator 2170 w Modelu Y posiada cztery moduły – dwa krótkie i dwa długie. Nasza firma zajmująca się litem lotniczym również opiera się na technologii dużych cylindrycznych akumulatorów, a także jest odległym liderem:http://www.optimum-china.com