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特斯拉最新电池技术大揭秘!容量大、充得快、不发热

空山读尽 2021-04-07 13:29:11

从最早的1865到特斯拉Model 3的2170,再到最近“风声四起”的4680电池。特斯拉对于增加电池单体的这条路线,从未停歇。


随着新款特斯拉Model S/X的上市,近日先是有海外媒体曝光4680电池在试制的电池包图片,其后特斯拉更是在工人招聘的素材中放出了这款电池在生产线上工艺视频。

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这里有一件可以确认的事,就是4680电池真的快来了。


但4680电池仅仅是“变粗变大”了吗?无极耳电池又是个什么东西?

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我们和大家好好分析一下。


在电池日当天,马斯克第一次提到4680无极耳电池。


关于电池电芯的技术,提出了无极耳,不含钴的高镍阴极材料、原料硅阳极材料几个特点。


我们一个个来说。


“极耳”这个词对于大多数人一定是陌生的。事实上极耳是常规电池上不可或缺的一部分,电流必须流经极耳才能到达电池单元外部的连接器,它是电芯中正负极引出来的金属导电体。

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在我们的日常生活中的手机电池、蓝牙电池、笔记本电池等都需要用到极耳。


由“极耳”到“无极耳”的转变,与特斯拉在电池方面的技术路线有着拆不开的联系。


从1865到2170,特斯拉一直坚持使用圆形电芯。这种本身运用在数码产品上的电池运用到汽车上,至今特斯拉也是独一份。特斯拉在创业之初确实没有那么多的选择。圆形电芯体积和容量不大,但优点就在于电池的能量密度很高。


也正因这个优点,保留圆形电芯的设计就在特斯拉传承了下来,所以接下来特斯拉的技术路线也就都围绕着圆形电芯来展开。


一辆电动汽车的电池包中圆形电芯数量很多,通过BMS来管理压力实在是不小。且电芯数量多,包装所占的空间也就更多。想要提升电池的容量,很简单,就是将电芯做大。


我们熟知的比亚迪的刀片电池以及宁德时代的CTP技术,虽然电芯并非圆形,但理念上也是想要将电芯做大。


做大圆形电池的电芯就要将电芯做粗,如若将电池的电芯平铺开来,我们就会发现电芯做粗以后,若想保证发热能够有效控制,那么电池的直径越大充电的速度就会越慢。而发热无法控制的罪魁祸首就是我们前面讲的“极耳”。

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电池充放电过程中电流必须一直沿着阴极或阳极流到极耳。极耳本身横截面积有限,且电阻较大。所以在流出电池单元时,电阻也会随着距离的增加而相应提高,这也是充电发热的缘由。


拿搭载在Model 3上的21700电池为例,它的卷绕长度大约是1米长,用极耳将铜箔上把电导出电阻大约为23µΩ,而且这么长的铜箔为保证低的电阻,铜箔厚度必须在12微米以上(导电导热需求)。目前可达到12微米且可量产的厂家只有松下一家。


说到这里,大家也就能理解为什么特斯拉在此前一直被松下“卡脖子”了吧。没错,无极耳的思路就是为了摆脱电池厂商技术上的束缚。


特斯拉考虑问题的方式从来就是简单粗暴两个字,既然你发热,那我就干掉你。


在特斯拉的宣传片中,我们能看到。它改变了传统制造方式,将电池中的铜箔和铝箔卷起来之后正负极集流体与盖板或壳体直接相连。也就出现了这张广为流传的横截面截图。

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这张截图,外行看热闹内行看门道。通过资料中对工艺的展示,我们偶然的发现,这与超级电容的装配工艺极其的相似。这其实是一种“旋压”工艺,可以将超级电容的铝箔直接压成这个样子。形成这个样子的好处就在于,可以将外部的金属壳体与电芯直接激光焊接在一起。


聊到这个“旋压”工艺,我们就不得不提到2019年5月份,特斯拉收购的一家叫做Maxwell的公司。Maxwell是一家超级电容器储能及输电解决方案开发商和制造商。也就是说,这家公司利用在超级电容上的技术帮助特斯拉完美的解决了无极耳电池的连接。

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工业制造及成本方面来看,极耳本身是电池的额外的零件,增加了成本的同时也带来了制造难度。相比之下,采用无极耳设计的电池可以简化制造过程,同时去除主要发热部件,降低电阻。


取消极耳后成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离,并且大幅降低电池内阻,减少发热量,延长电池寿命。这意味电芯的密度可以更大,并且为特斯拉大电流快充方案的适配的天花板大大的提升。

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聊过了无极耳,我们再说说4680电池的工艺方面的“干法电级”。这项技术依旧是由我们之前提到的“Maxwell”赋能。


干法电极与传统湿法电极的制作方法相比,核心技术在于电极挤压时减少了溶剂。在电极配方上,它将少量的PTFE粉末原纤维化作为粘接剂,使正/负极材料能自支撑在挤压中成膜成卷,从而实现去溶剂化。很好的规避了传统浆料湿法过程中溶剂不稳定,且省略了有毒的溶剂后续处理的问题。


对比使用了溶剂的湿法工艺(负极/正极粉末与具有粘合剂的溶剂混合,将浆料涂覆在电极集电体上)。

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干电池工艺具两大优势:


一是大幅提效,电池具有更好的导电性。在《Dry Electrode Coating Technology》论文的放电倍率测试结果证明,同等条件下干涂层电极比湿涂层电极拥有更大的输出功率,同时循环寿命更长、高温稳定性更好、充电/放电效率更高,为快充赋能。


二是降低成本,湿法工艺需要用到电极涂覆机,且所需的烘干车间需要的规模非常庞大,且整个工厂对于无尘化的要求十分高。任何一粒灰尘掉进电极中都可能造成短路。且有毒的溶剂需要使用烘箱进行干化处理回收。这些设施和加工步骤全部取消,降低了非常可观的成本。


马斯克作为一个商人,降低成本这件事让他心里乐开了花。


而最后电池方面的“不含钴高镍阴极材料、以及原料硅阳极材料”方面,现在看来就没有什么太大的新意了。从正负极材料配比作出调整,来实现优化电池的性能,这是每家厂商都在努力的方向。


长城汽车旗下的蜂巢能源、宁德时代也已经在这个方向小有成果。


再回到这组图片,第二张图也与特斯拉电池日发布的信息十分相关。


特斯拉把电池内置到了车身,将电池平铺在底盘上,和电池包的上盖合二为一。谁也不会想到这么快特斯拉就做到了从cell to pack直接跳跃到了cell to body。


这种革新简单来说,就好比曾经大家都在用打开后盖可以更换电池的手机,突然苹果推出了一款内置电池的iPhone一样,十分的跳跃。


得益于CTB以及无极耳电池优秀散热的结合,激进的特斯拉直接将电池包内的液冷冷却管电池包内其他结构件全部都取消。


灌胶的状态也恢复到了2170pack的第一个版本状态,也就是全灌的形式。(2170后期改成只在电芯两端灌胶,中间是空的)


这样的设计,在表面上的优势在于可以节省空间放置更多的电池,续航也随之提升。然而深层次来讲,CTB的也增加了车辆的安全性。

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第一、这样的结构使得车身本身的安全结构可以同时保护乘客与电芯。圆柱体电池通过阻燃胶固定紧密结合起来后,整个电池包就好比一整块厚度80毫米的钢板,可以承受来自各方向的力,包括剪切力。


第二、由于电池连接的更加紧密,电池包的重量也更偏向于车辆的中心。这也就意味着新款特斯拉将拥有更好的极限情况下的操控。


第三、由于CTB的设计,减少了接近370个零部件,同时减轻车辆10%的整体重量。更轻的重量意味着,同样条件下更好的操控和刹车距离。


在去年有关注到特斯拉电池日的小伙伴可能注意到,当时关于特斯拉4680电池的报道更多的是停留在了提升的参数上,但并没有获得市场的信任。


电池发布日当天,效果不及市场预期,特斯拉盘后股价一度下跌7.6%,市值缩水300亿美金,约合2033亿人民币。股市的反应更是体现出了大多数人对于特斯拉技术解读的片面。


三个月的时间,随着特斯拉一体式铸造机的投入使用,到Model Y的车身后部一体成型的量产落地,再到4680无极耳电池以及CTB在Model S的量产。特斯拉这家公司“敢想敢干”的风格,是它与传统车企最大的不同。

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如果一定要我们将特斯拉划分到哪一类公司,我们认为他更像是一家做电子产品的科技公司。有时像苹果一样颠覆汽车行业;有时像华为一样务实钻研工艺;有时也如同小米一样,对“不实在的”国产电动产品逐出局。


面对特斯拉这家公司极致效率的技术迭代,我们也不禁在心中划上一个问号,究竟哪一家国产厂商在未来能有实力与之一战呢?

来源:易车

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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