特斯拉4680电池原理和黑科技介绍-无极耳,干电极,硅负极等

所属趣点:特斯拉

家伟

2021-01-30 21:04:44


特斯拉的粉丝都在等什么?大部分心急的车友都在等预定的国产model y交付,还有一些不着急用车的潜在车友,在等特斯拉的4680电池,是的,这个特斯拉电池日上发布的电池,据说更大,里程更长,更便宜,还更安全,已经圈了不少特粉。
由于马斯克一贯在新技术采用上非常激进,4680电池最终商用的时间可能比我们想象的还要更早一些,它已经开始了试产,从目前释放的视频来看整个试产线的自动化程度已经相当的高。尤其是前不久一辆国产model 3自燃爆炸,可能更坚定了一些等等党的信念。那么这个4680到底是个什么原理,它到底采用了那些黑科技,它真的值得期待吗?


本期视频希望用通俗易懂的语言,结合动画演示,将这个事情讲清楚道明白。
4680首先相对目前在用的21700电池,就是体积更大,它的直径长46毫米,高80毫米,电池正是以其长高来命名的,这和18650以及21700是一样,这里面最后面的一个0代表圆形,我们通过计算可以发现 4680电池是21700电池体积的5.48倍,那么您有没有想过为何特斯拉说只有5倍的能量呢,不应该是5.48倍吗?其次,为何能量都5倍了,而里程只提升了16%呢,不应该是5倍吗?这里要注意的是,特斯拉说的是能量提升,这个是靠体积变大做到的,而不是能量密度提升,就好比,你换了一个5倍大小的杯子装水,但是里面水的密度并没有改变。至于为何不是5.48倍,我们猜测可能是由于卷绕工艺,且特斯拉这次的干电极电芯更厚,导致的曲率降低,空心部分相对更大导致的,至于更厚的电极有什么好处,我们后面再讲。体积的改变是4680电池最明显的变化,但这不是最革命的改变,电池变大最直接的好处就是可以省去更多的材料成本,BMS系统也省心很多。但是过去这么多年,厂家之所以不敢将电池做更大,就是担心无法控制热量,电池更大,燃烧和爆炸的威力也更大。也许正是看到了传统电池厂家的保守和不思进取,特斯拉决定自己来设计了。
这就要说一下4680另外一个容易忽略,但是及其重要,也最具革命性的设计,无极耳,正是因为无极耳的设计,让4680电池更大的同时,还降低了发热,提高了安全性。那么,什么是无极耳设计,为什么这样做就可以降低发热,提高安全性呢?
为了较为系统的解答这个问题,我们先从简化版本的锂电池原理说起,电池的电芯一般由正极材料,以及正极集流体铝箔,负极材料,负极集流体铜箔,以及充满于正负极间的电解液和隔膜组成,
正极材料一般是三元锂材料或者磷酸铁锂材料,负极一般是石墨,电解液其实是一些溶剂,是糊状物,它的主要作用是传导离子,也就是带正电的钾离子,同时它还需要有比较差的电子(带负电)通过性,而集流体充当电池内外部的电荷转移桥梁的金属箔,如铜箔(负极)、铝箔(正极),不同的正负集流体材料可以用来产生电势差(也就是电压),从而产生电流。我们生活经验告诉我们,电池没电的话,电压也无限接近于0的.
隔膜则是为了阻止正负极材料直接接触,防止短路,同时它也要求有良好的离子(正电)通过性,对电子(负电)绝缘,当然了,其实还有SEI膜,它的作用是将电解液溶剂留下,让锂离子通过。是不是有点难懂,别急,动画来了。
充电的时候,在外加电场的影响下,正极材料分子里面的锂元素脱离出来,变成带正电荷的锂离子(Li+),在电场力的作用下,穿过隔膜,从正极移动到了负极,与负极的碳原子发生化学反应,于是,锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。而电子通过集流体,再通过极耳链接外电路,最终被抬到负极。
而放电的时候,负极的锂离子又脱出。电子也从负极搬移到正极。
您可千万别小看了这个锂离子嵌入和脱出过程,这可是人类花了百年才取得的突破,获得了2019年诺贝尔化学奖。
那么您可能会问,极耳到底是什么?它其实和正负集流体进行焊接的金属导电体,是电池正负两极在进行充放电时的接触点,电流必须流经极耳才能与电池外部连接。如果我们将卷绕的电芯展开,由于只有极耳一个与外部电路链接的点,这就会要求所有的电子需要横穿整个电芯长度,才能到达内部焊接的极耳,然后通过导线,才可以到达另一级,整个过程会因为路程长,电阻大,而产生热量。是电池的安全是最大的瓶颈。而特斯拉的无极耳,其实就是全极耳,电极一端通过涂覆导电材料,让其直接与壳体或专门设计的盖板进行连接,电流直接在电极集流体、盖板、壳体之间进行传导,将之前的点接触,改成了100%的面接触,让热量不会聚集于一点,传导面积增大、大幅降低热量聚集。同时也正是由于正负极的对外接触由点变成了面,所有电子无需如之前挤独木桥,而相当于有了n座桥,从而缩短电子的移动距离,降低了电阻,减少了热量的产生,特斯拉的专利里声称无极耳设计可以将电阻降低5-20倍,从而控制发热。而且降低无味的热量浪费,还有助于提升续航里程。
也正是由于无极耳导致热量的减少,特斯拉才敢把电池做大,才敢加大充电电流,形成更快的充电速度。这就是为何4680更安全,充电更快的原因。
那么除了无极耳,4680电池还有什么其他的黑科技呢?还记得特斯拉收购的maxwell 干电极技术么?很多特粉从2019年开始就对这个技术的应用非常期待。传统电池制作工艺,需要将材料粉末放入溶液中,再进行干燥和压成膜。而干电极工艺,彻底跳过加入溶液的步骤,可省略繁复的涂覆、烘干等工艺,大幅简化生产流程,直接用粉末擀磨成薄膜,这就是所谓干电极。同时通过增加正极材料厚度(从55 到60um),提升活跃电极材料比,使得能量密度提升5%的同时,还可以保证了功率密度。而且干电极技术还可以让电极生产速度提速到以前的7倍,有效的减少电阻,降低热量的产生,并提升循环寿命。可以说是电芯正负电极材料生产工艺颠覆性的改变。
不过在正极化学材料上,这次特斯拉并没有提出主流路线之外的创新,倒是提及了和蔚来100度电池的类似NCA单晶路线,这个有别于目前多晶NCA路线,是通过提高电压来提升能量密度,这个技术的材料级别的热稳定性媲美磷酸铁锂,关于这个单晶路线,大家可以观看我们之前的一个视频,如果在4680上采用的话,那4680电池正极材料热稳定加上无极耳带来的热量下降,都会让4680成为特斯拉最安全的电池。
此外,特斯拉目前在硅负极的产业化应用方面已经走在市场的前列,这也是右手网科技团队非常关注的点,因为目前的石墨作为负极材料理论上最大的电池容量可以达到372Wh/kg,硅材料理论上可以达到石墨的十倍以上,达到4000Wh/kg左右,而且硅元素地球上到处都是,但是硅材料有一个很大问题,就是硅在锂离子嵌入后体积会膨胀到4倍以上,来回几次膨胀收缩后,电池就报废了。马斯克表示通过原材料重新设计、高弹性材料,并通过增加弹性的离子聚合物涂层可以稳定硅表面结构,去解决硅材料的膨胀性问题。
其实硅负极除了大幅提高能量密度外,还有一点特别重要,硅的电压平台比石墨高,现在负极石墨都会产生锂枝晶是因为它们的电压平台接近锂的析出电位,锂析晶是目前碳负极材料难以攻克的难题,一旦析晶刺破隔膜,正负极将发生短路,是威胁电池安全的最大隐患。这也是为何特斯拉正在研究的硅负极材料如此重要,不仅能量密度大的多,也安全的多。如果硅负极材料可以在4680电池上量产,可以一举突破负极能量密度和安全瓶颈,是不亚于比无极耳的技术应用。
最后总结一下,大电芯+无极耳+干电极,是4680电池的核心突破和创新。硅负极非常值得期待,正极材料方面,我们希望高压镍单晶路线早日商用。整体上来说,如果你不着急用车,4680真的非常值得你的等待。


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