Nová technologie Li-ion baterie

Nová technologie Li-ion baterií: zaměření na velké válce, dlouhá jádra a další inovační příležitosti

1. Vývoj baterie: ultra-rychlé nabíjení, bezpečnost a další výkon je hlavním směrem; zaměřit se na velké válce, dlouhé články a další konstrukční inovace

1.1 Trendy výkonu baterie: rozložení továrny na baterie s vysokým poměrem energie, ultra rychlé nabíjení a bezpečnost a další technické směry

Ningde Time, BYD a další továrny na základní baterie se ubírají směrem k vysokému energetickému poměru, superrychlému nabíjení a technologiím bezpečnosti baterií a cesta realizace zahrnuje strukturální inovace, materiálové inovace atd.

    Ningde Times, přední továrna na baterie, stanovila šest směrů, jako je vysoký energetický poměr, super rychlé nabíjení a skutečná bezpečnost, a mezi typy technologií patří strukturální inovace, inovace materiálů a inovace řízení. Podle oficiálních stránek Ningde Times můžeme vidět, že Ningde Times se zaměřily na šest směrů strukturálních inovací, inovací materiálů a inovací managementu, kterými jsou vysoká specifická energie, dlouhá životnost, ultrarychlé nabíjení, opravdová bezpečnost, vlastní ovládání teploty a inteligentní řízení. Vezměme si jako příklad super rychlé nabíjení, superrychlé nabíjení Ningde Time se vztahuje k nejrychlejšímu 5 minutovému nabití na 80 %, pokud jde o strukturu, používá se vícestupňový pólový nástavec a metoda více uší, konkrétně:① multigradientní pólový nástavec: regulací gradientního rozložení porézní struktury pólového nástavce, horní vrstvy s vysokou porézností struktury, spodní vrstvy s vysokotlakou strukturou pevné hustoty, dokonale zohledňující duální jádro s vysokou hustotou energie a super rychlé nabíjení;② multi-ear: vývoj vícerozměrného prostoru (2) Vícevrstvý: vývoj technologie vícerozměrných prostorových výstupků, která výrazně zlepšuje aktuální nosnost pólového nástavce a překonává technické překážky vysokého nárůstu teploty baterie článku při přímém nabíjení 500A.

1.2 Nový typ baterie/inovace struktury: velké válcové, dlouhé články atd. jsou důležité směry uspořádání pro továrny na baterie

Prostudovali jsme formu baterií, pokrok ve výrobě, index výkonu a výhodné charakteristiky velkých továren na baterie, které aktivně navrhují nové formy baterií, jako jsou velké válce a dlouhé články. Vezměte si Honeycomb Energy jako příklad, druhá generace laminovaného dlouhého tenkého článku L600 dokončila vývoj a očekává se, že dosáhne sériové výroby v Q3 2022; z hlediska indexu výkonu se kapacita jednočlánku L600 zvýšila na 196Ah, hustota energie je více než 185wh/kg a hustota objemové energie je více než 430wh/l, což má výhodné vlastnosti, jako je vysoká kompatibilita, vysoká přizpůsobivost, vysoká bezpečnost a dlouhou životnost.

(2) Velké válcové: Tesla, BAK, EVERLIGHT a další továrny na baterie rozkládají velké válcové baterie. Vezměte si Tesla jako příklad, baterie 4680 využívá katodový materiál s vysokým obsahem niklu + křemíkový uhlík a technologii bezelektrodového očka, s hustotou energie 300 Wh/kg, kapacita baterie je 5krát vyšší než u současného řešení 2170 a výstupní výkon je 6krát vyšší. Kromě toho má výhody v hustotě energie, výkonu a účinnosti nabíjení.

2. Velký válcový: Očekává se nárůst aplikací laserů; vysoké požadavky na přesnost zařízení

2.1 Velká válcová baterie: Vezměte si jako příklad Tesla 4680, technické inovace, jako je suchá elektroda a bezelektrodové oko, si zaslouží pozornost

Válcová baterie 4680 je podle článku další strukturální inovací válcové baterie z menší 1865 na 2170. Ve srovnání s dříve používanou baterií 2170 baterie 4680 výrazně snižuje tvorbu tepla, řeší problém rozptylu tepla s vysokou hustotou energie článků a zvyšuje špičkový výkon při nabíjení a vybíjení, což v konečném důsledku činí z baterie 4680 5krát více energie a 6krát více energie než baterie 2170, přičemž snižuje náklady o 14 % a zvyšuje dojezd o 16 %.

Pokud jde o strukturální inovace a výrobní proces, má 4680 ve srovnání s předchozími bateriemi tři hlavní technologické inovace – suchý elektrodový proces, lugless (all lug) a CTC technologii – které vedly k nižším nákladům na výrobu článků a většímu zlepšení výkonu. Vezměme si jako příklad technologii bez lugless, konstrukce článků 4680 přemění celý kolektor na výstupky, vodivá dráha již není závislá na výstupcích a přenos proudu se změní z příčného přenosu podél výstupků na desku kolektoru na podélný přenos v kolektor, který snižuje odpor na 2mΩ a spotřeba vnitřního odporu od 2W do 0.2W.

2.2 Proces suchých elektrod: nízké náklady ve srovnání s tradičním mokrým procesem, jádro spočívá ve složení elektrody a zařízení na vytlačování filmu

Technologie suchých elektrod Maxwell je vhodná pro současnou chemii lithiových baterií a pokročilé nové materiály elektrod, ve výrobním procesu se nepoužívá žádné rozpouštědlo a lze ji rozšířit na výrobu roll-to-roll a hlavní technologií je formulace elektrod a tvorba filmu vytlačovací zařízení.

(1) Podle článku "Dry Electrode Coating Technology" od Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi se technologie suchých elektrod Maxwell skládá ze tří kroků: (i) míchání suchého prášku, (ii) formování prášku do tenkého povlaku, (iii ) Lisování tenkého povlaku a sběru tekutiny, všechny tři kroky jsou bez rozpouštědel. Proces suchých elektrod Maxwell je škálovatelný na současné lithium-iontové baterie a pokročilé nové materiály bateriových elektrod; konkrétně patentovaný suchý proces společnosti Maxwell se používá k smíchání prášku za vzniku konečné práškové směsi aktivních materiálů, pojiv a vodivých přísad, která se vytlačuje a kalandruje za vzniku Prášková směs se vytlačuje a kalandruje za vzniku kontinuálního, samonosného suchého -potažený elektrodový film, který lze také svinout do rolí. Nakonec je tenká vrstva elektrody stlačena společně se sběrnou kapalinou za vzniku elektrody baterie.

(2) Pokud jde o výhody, podle článku „Dry Electrode Coating Technology“ od Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi lze proces suchých elektrod Maxwell aplikovat na klasické a pokročilé materiály baterií a lze jej rozšířit na cívky - výroba cívky ve srovnání s tradičními mokrými elektrodami. (3) Pokud jde o technologii jádra, podle Battery World Online je základní technologií procesu suchých elektrod společnosti Maxwell formulace elektrody a technologie a zařízení pro vytlačování filmu.

Kromě toho mohou být suché elektrody realizovány různými metodami, jako je pulzní laser a naprašování, které vyžadují další proces žíhání filmu ve srovnání s mokrými a suchými elektrodovými procesy Maxwell. Podle článku „Výroba elektrod bez obsahu rozpouštědel pro lithium-iontové baterie“ od Brandona Ludwiga, Zhangfeng Zhenga, Wan Shou, Yan Wanga & Heng Pana lze na rozdíl od procesu přípravy mokré elektrody vyrábět suché elektrody pulzním laserovým nanášením. Procesu suché elektrody lze dosáhnout různými metodami, jako je pulzní laser a naprašování, které nevyžaduje sušení, ale vyžaduje dodatečné žíhání tenkého filmu kvůli vysoké teplotě způsobené pulzním laserovým nanášením. Postup přípravy elektrody navržený v tomto článku je následující.

(1) Proces přípravy mokré elektrody① Proces odlévání pasty: Elektrody lithiových baterií se vyrábějí odléváním pasty (obsahující aktivní materiál v rozpouštědle, vodivém uhlíku a pojivu) na kovový kolektor. Nejběžnějším pojivem je PVDF (předem rozpuštěný v rozpouštědle NMP) a výsledná kaše se míchá a nalévá na kolektor, který se musí vysušit, aby se odpařilo rozpouštědlo a vznikla suchá porézní elektroda. Sušení trvá dlouho, obvykle 12-24 hodin při 120 °CstupeňC. Také, protože NMP je nákladný a kontaminující, musí být instalován regenerační systém pro regeneraci odpařeného NMP během procesu sušení (což přidává značné kapitálové investice).

Elektrostatické nanášení rozprašováním na bázi rozpouštědla: Materiál elektrody je nanášen na kolektor pomocí elektrostatického nanášení na bázi rozpouštědla, tj. nanášený materiál je atomizován v trysce a aplikován na kolektor; Elektrody konstruované tímto způsobem vykazují podobné vlastnosti jako elektrody odlévané v kaši, s podobnou nevýhodou, že vyžadují intenzivní proces sušení, který také vyžaduje čas a energii (2 hodiny při 400 st.stupeňC). Lithiové baterie se také vyrábějí technikou stříkání, kdy je každá sestava elektrody nastříkána na požadovaný povrch pomocí povlaku na bázi NMP, který stále vyžaduje odpařování rozpouštědla.

(2) Proces přípravy suché elektrody se dosahuje různými metodami, jako je pulzní laser a naprašování. Pulzní laserové nanášení je dosaženo zaostřením laseru na cíl obsahující materiál, který má být nanášen, a jakmile laser zasáhne cíl, materiál se odpaří a uloží se na kolektor; ačkoli není použito žádné rozpouštědlo, nanesený film musí odolat teplotám 650-800stupeňC, zatímco depozice magnetronovým naprašováním může snížit požadovanou teplotu žíhání až na 350stupeňC. Tato metoda je reprezentativní pro výrobu elektrod se suchým článkem, ale rychlost nanášení je pomalá a vyžaduje žíhání při vysoké teplotě.

Proces suchých elektrod je levnější než tradiční mokrý proces, zejména pokud jde o náklady na pracovní sílu, investice do zařízení a prostor závodu. Podle článku „Výroba elektrod bez rozpouštědel pro lithium-iontové baterie“ od Brandona Ludwiga, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan, například scénář návrhu baterie 1, výroba suchých elektrod je například 21,6 %. , o 14,2 % a 13,1 % méně v přímé práci, nákladech na zařízení a ploše závodu, v tomto pořadí, než výroba mokrých elektrod, za předpokladu, že se ročně vyrobí 100 000 článků.

2.3 Technologie Lugless (all-lug): snížení vnitřního odporu baterie, zvýšení objemu laserového svařování, vysoké požadavky na přesnost zařízení

(all-ear) technologie dokáže výrazně snížit odpor a spotřebu vnitřního odporu baterie. Podle dokumentu Yulong Zhao „Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan“: 1) Tradiční válcová baterie: kladná a záporná měděná fólie a membrána z hliníkové fólie jsou naskládány a navinuty a na každém konci mědi je přivařen vodicí drát (očko). fólii a hliníkovou fólii za účelem vedení elektrody. (2) Baterie 4680: celý kolektor je přeměněn na očko, vodivá dráha již nezávisí na oku, proud se přenáší z příčného přenosu podél očka do kolektoru do podélného přenosu kolektoru, celá vodivá délka se změnila z 800-1000mm délky měděné fólie 1860 nebo 2170 na Celková vodivá délka se změnila z 800-1000mm délky měděné fólie 1860 nebo 2170 na 80 mm (výška článku), což snižuje odpor do 2mΩ a spotřeba vnitřního odporu od 2W do 0.2W, o řád nižší.

Konstrukční konstrukční vlastnosti: kontaktní/vodivá plocha oka na jednom konci článku je stejná/větší než u kolektoru. Podle Teslova patentu „bez lugless“ citovaného oficiálním veřejným číslem WeChat GaoGong Lithium popisuje alespoň jednu elektrodu jako držák baterie bez lugless, konkrétně: 1) Spodní úroveň jádra: konec kolektoru je ponechán bílý a nepotažený s pozitivními/negativními materiály, kde kolektorovou část lze chápat jako generalizované oko, Tesla Klíčem k „bezlugless“ konstrukci je, že oblast vedení výstupku je přesně stejná jako oblast kolektoru, nebo dokonce kontaktní plocha výstupku a oblast vedení jsou větší než vodivá plocha kolektoru prostřednictvím designu diverzifikované struktury krytu; 2) horní úroveň jádra: pokud je použita pouze jedna elektroda bez řešení s výstupkem, horní konec je stále stejný jako u provedení jádra 18650, 21700. Podle patentové analýzy může pouze jeden konec bezkolíkového spojení dosáhnout účinku snížení vnitřního odporu 5krát.

(1) Výrobní proces: Podle oficiálního veřejného čísla sítě Automotive Materials Network WeChat, které je citováno v Automotive Home, existují dva výrobní procesy pro indukční oka, tj. nejprve řezání a poté navíjení a první navíjení a poté laserové lisování. řezání, konkrétně:① Nejprve řezání a poté navíjení: Přesným výpočtem je materiál před navíjením rozřezán na mnoho dílů. Když vinutí dosáhne přednastavené energie, provede se svařování. Laserové vysekávání po navinutí: materiál se navíjí přímo bez ohledu na šířku a velikost a laserové vysekávání se provádí na přebytečném materiálu po dosažení přednastavené energie, což vyžaduje vysokou přesnost.

(2) Požadavky na vybavení: Podle oficiálního veřejného čísla WeChat sítě Automotive Materials Network, s odvoláním na informace veřejného čísla Auto House a GaoGong Lithium WeChat, z pohledu výrobního zařízení došlo k velkým změnám ve třech aspektech v rámci technologie ne -polární výstupek (all-polar lug), konkrétně:① proces potahování: určitý zakřivený tvar celopolárního oka způsobuje vyšší požadavky na přesnost zařízení a bílý prostor na vnějším kroužku bude stále více než bílý prostor na vnitřním kroužku;② řezací zařízení: požadavky na proces laserového vysekávání jsou vyšší. (2) řezací zařízení: vyšší požadavky na proces laserového vysekávání a mezery ve vrstvě materiálu kvůli nerovným řezným hranám; (3) laserové svařování: počet svarových spojů při laserovém bodovém svařování všech oček se zvýšil více než pětkrát ve srovnání s 21700. Konkrétně podle svařovacího procesu, například podle článku Zhao Yulong „Power Battery 4680 full obsah skenování technologie lug, připojení plného oka a sběrné desky nebo pláště, požadavky na technologii laserového svařování jsou vyšší, konkrétně od tradičního bodového svařování se dvěma výstupky po celoplošné svařování okem, proces svařování a objem svařování se zvýšily, intenzita laseru a ohnisková vzdálenost není snadno ovladatelná, snadno se svařuje propáleným dovnitř jádra nebo se nesvařuje;. Kromě toho některé společnosti navrhují použít pro sběrač proudu patenty na lisování namísto svařování.

Jako příklad bereme technologii CTC společnosti Tesla a analyzujeme ji následovně: 1) Na rozdíl od sady baterií 2170, která se skládá ze čtyř modulů, sada baterií 4680 využívá technologii CTC a sada baterií funguje jako základní deska vozidla. Podle oficiálního webu InsideEVs z průřezového pohledu na novou baterii se strukturou Model Y představenou na prohlídce továrny Giga Berlin v říjnu 2021 baterie 4680 přímo eliminuje konstrukci modulu a využívá technologii CTC, která je hustě uspořádána v podvozek vozidla, tj. spodek modelu Y vybaveného akumulátorem 4680, je vyhloubený a akumulátor funguje jako spodek karoserie. Akumulátor slouží jako spodek karoserie. Naproti tomu baterie 2170 v Modelu Y má čtyři moduly – dva krátké moduly a dva dlouhé moduly. A naše společnost pro letectví a kosmonautiku je také založena na technologii velkých válcových baterií a je také vzdáleným lídrem:http://www.optimum-china.com