SESSION1のセッションテーマで "HEV、マイクロハイブリッド（48V）、UAVおよび電気工具における高度な高出力バッテリー技術のアプリケーションおよび市場開発動向"、蘇州Yulangバッテリー株式会社会長のMaoHuanyu博士が基調講演を行いました。 "Clyindar4680バッテリーの長所と短所"。
18650から21700、4680までのテスラからわかるように、実際には、サイズの変更だけでなく、内部構造の大幅な改善でもあります。1つまたは2つの極を持つ18650および21700とは異なり、4680極の耳は無限の数の極になります。この変更により、電流経路が大幅に増加し、バッテリーが高エネルギー密度から高レートに増加します。この変更により、大電流の充電と放電が可能になり、熱が減少し、円筒形バッテリーのサイズが大きくなり、コストが削減されます。4680は、約5つの21700と8つの18650に相当します。
典型的なバッテリーの設計を詳しく見てみましょう。左側はエネルギー密度座標、右側は電力密度座標、中央はパナソニック2170やYinlongのチタン酸リチウムなどのさまざまなデザインです。エネルギー密度が増加すると、電力密度が低下します。または、チタン酸リチウム電池の電力密度が非常に高いが、エネルギー密度が比較的低く、このようなはさみの違いが生じる場合、全極耳4680を取り込むことができます。元のシリンダーバッテリーの限界を打破するために、高エネルギー密度と高電力密度を考慮に入れてください。
2つのバッテリー構造の比較を見てみましょう。上記はパナソニック21700テスラモデル3で使用されているバッテリーです。真ん中にポールイヤーがあります（真ん中にはありません）。4680フルイヤーセルを見ると、電子伝導経路はポールプレートの幅である約70ミリメートルになり、非常に均一です。パナソニックのバッテリーの場合、ポールイヤーが配置されている場所の電流密度は非常に高くなります。この場所から遠く離れていると、電流密度が非常に低くなるため、電流密度は非常に不均一になります。ちなみに、私たちが作った4680セルの長さは4.5メートルで、非常に長いセルで1つまたは複数の耳で高出力を得るのは非常に難しいので、それが根本的な違いです。
ここには2つの機能があります。1つは、電子伝導経路が大幅に短くなることです。1つは、電流密度を均一にすることです。これには多くの利点があります。
例えば、急速充電が可能で、15分で80％の充電が可能になります。バッテリーが少ないほど、より多くの駆動力を出力できます。大電流の充放電熱が少なくなり、寿命が延びます。ここで、例えば、Yuliuは現在3元の4680バッテリーを使用しています、充電曲線は基本的に同じです、0から80％の急速充電性能は12分13秒しか必要としません、放電パルスモードの速度は8C、エネルギーに達することができます密度は230Wh / kgに達します。YuluoFeFe4680の急速充電性能は0〜80％です。パルス放電が11℃に達し、エネルギー密度が180 Wh / kgに達するのにかかる時間はわずか12分30秒です。
コスト削減の観点から、一部の自動車工場では、元の50度の電気など、バッテリーがそれほど多くない小型の馬車を実現できます。現在、元の30度の電力は、元の車と同じか、それよりも大きくなっています。場合によっては、走行距離を考慮せずにバッテリーを減らすことができます。また、セル生産効率も向上し、生産コストの削減につながります。PACKの利点はさらに大きくなります。構造は非常にシンプルで、コストを削減するために重要です。また、基本的にシリンダー電池の高エネルギー密度を維持するために、エネルギー密度を向上させることもできます。同時に、シリンダーはエネルギー密度を改善するためにシリコンアノード材料を使用するのにより適しています。
どうしてこのような形になるのでしょうか？その構造を見るだけです。たとえば、電子伝導の過程で、バッテリーは2つのインピーダンスに分割できます。1つは電子伝導インピーダンスで、もう1つはイオン伝導インピーダンスです。電気インピーダンスは、フォイルに沿って流れる抵抗（数百ミリメートルのオーダー）であり、フォイルの流れ面積は非常に小さく、厚さと幅の積だけです。イオン伝導度は、アノードとカソードの材料の粒子間のギャップと膜を通るイオンの流れによって引き起こされる抵抗です。伝導距離はミクロンのオーダーであり、伝導面積は非常に大きいです。セルでは、構造が適切でない場合、内部抵抗の90％以上がフォイル抵抗によるものであり、全極耳構造は基本的にこの抵抗を排除します。
オックスフォード大学の英国の数人の学者、特に4680バッテリーのシミュレーション、および従来の円筒形バッテリーの耳の設計の比較では、ABCDは異なる熱放散条件です。左右の同じ熱放散条件を参照してください。温度差はどのくらいですか？スケールを正規化すると、ここでは曲線がほんの少しだけであり、加熱温度がはるかに低いことがわかります。ここでも説明されている発熱量を見てみましょう。これは伝統的なシリンダーセルのポールイヤーデザインであり、フォイルはこれほどの発熱量を持っていますが、基本的にはシリンダー4680の中にはありません。従来のシリンダーバッテリーの発熱量の総合計算は、フルポールイヤーの5倍以上であるため、発熱量は元の20％にすぎません。
カロリーが小さいだけでなく、分布も非常に均一で、90％放電からのSOC、バッテリーの中心温度の従来の設計は摂氏80度に達しますが、4680は非常に均一で、特別な高温の場所はありません。バランスは摂氏45度未満であり、同じ放電条件の下にあります。均一な加熱は、バッテリーの寿命を延ばすための重要な側面です。発熱量が低く均一であるため、PACKの熱管理のコストを大幅に削減できます。これはモデル3内のバッテリーパックで、4,000個以上のバッテリーが曲がりくねったチューブを通過します。これを見ると、安くはないことがわかります。今4680は熱がありません、あなたはこれらすべてを取り除くことができます、何の後に取り除かれますか？これは、テスラが宣伝している完全に非モジュラーのパックです。熱放散のために平板が上下に追加されるようにしっかりと配置されているため、熱管理のコストが大幅に削減されます。
4680をブレードバッテリーと比較してみましょう。ブレードバッテリーの最大の特徴は、スペースを節約し、使用率を50％向上させることです。次に、非常に緊密に配置されている場合、比較のために53.57kWhのバッテリーを使用します。これは、135Aおよび396.8Vのバッテリーパックです。長さ、幅、厚さを測定すると、セルのスペースがこの値であり、セルの総体積は0.143立方メートルであることがわかります。同様に、スペーサーセルを使用します。各18 Aの計算には930PCOSが必要で、39×24セルの正方形配列を形成します。セルスペースの体積は0.141立方メートルで、2つは同等です。さらに、4680にはその利点があります。ブレードバッテリーの極には、915mmの電子伝導経路があります。4680の導通経路はわずか数十mmであるため、4680乗算器にはさらに多くの利点があります。
4680を正方形のセルと比較してみましょう。現在、テスラモデル3で使用されているリチウム鉄電池のサイズは62mm（厚さ）x 275mm（幅）x80（高さ）です。車の銘板にバッテリーの容量と電圧が記載されていました。電池セルを一列に並べると、電池の総容積は0.147m3になります。同様に、18Ahの4680を使用して、40×24の正方形のアレイを形成します。セルの総体積は0.144立方メートルです。したがって、正方形と比較して、4680の体積エネルギー密度は同じです。
テスラのレポートによると、構造は重量の一部を相殺します。同時に、コストを削減するための重要な要素があります。ここには2つの曲線があり、ピークになります。したがって、直径46mmのコスト削減が最大であり、範囲も最大です。少なくともPACK製造のコストは2170セルから4680セルに、4416セルから960セルに削減され、溶接コストと組み立てコストは大幅に削減されました。2170バッテリーの負極との元のアルミニウムワイヤー溶接は非常に困難です。この場所のはんだ接合部が非常に醜いのを注意深く見てください。なぜそうなのですか？主な理由は、負極によって提供される溶接面が小さすぎるか、湾曲しており、幅が約1ミリメートルしかないため、常に溶接が悪く、この場所での完成品の歩留まりが非常に低いためです。しかし、4680に変更しても同じではありません。中央の正の溶接面、負の溶接面の幅は12ミリメートルで、大きな円が非常に滑らかです。
エネルギー改善の面では、シリンダーはフェイルセーフを実現しやすいため、正極は高ニッケル材料で作ることができ、シリンダーバッテリーは負極の膨張をある程度抑制することができ、負極はシリコンカーボン素材製。テスラモデル3の1つでは、4,416 2170個のバッテリーの表面積が7.46平方メートルであるのに対し、960個の4,680個のバッテリーの表面積は4.55平方メートルであり、スチールシェルの重量を約40％削減します。
非常に多くの利点がありますが、難しい点は、耳のコレクションです。耳をこねる、耳を切る、複数の耳の3つを見ることができます。
中国では耳をこねるのが一般的ですが、このように箔が占めるスペースのため、正極コーティングの幅は約64mm、スペース使用率の高さはわずか80％です。パナソニックのシリンダーと同様に70mmですが、ポジコーティングの幅は63.5mmで、スペース利用率の高さは90％に達します。また、ポールイヤーの形状が制御されておらず、ショートしやすいです。このアプローチには問題があると思います。さらに、製造の両端は閉じた状態であり、電解液の浸透が妨げられています。
テスラの方法は非常に耳の方法を切り落とすことです、ポールピースは横向きで、断片にカットされ、そしてそれを耳のロールに入れて物のスパイラルを形成します、スペースが小さいので、押し出しはルールがないよりはるかに良いでしょう、しかし同時に、レーザーの強度や焦点距離の制御が容易でない、バッテリーに溶け込みやすい、内部が溶接されていないなど、まだいくつかの問題があります。また、両端が閉じているため、電解液の浸透が妨げられます。テスラはビデオで連続生産が可能であると述べましたが、少なくとも注入プロセスは連続生産ではありません。
多極耳はどうですか？図を注意深く見ると、ポールはきれいに積み重ねられています。実際、それを行うと、これは簡単ではないことがわかります。この式からわかるように、これは極式です。このSはポールプレート上のポールイヤーの位置、θは角度、定数aは厚さに比例します。そして、巻数が約50に達し、この式のθ値が300を超えると、厚さの変化に対するSの比率が非常に大きくなります。電極の厚さが1ミクロン変化すると、極耳の位置が10,000倍変化します。たとえば、プレートは厚さのエラーなしで位置合わせされます。正と負の両方にミクロンがあり、10,000倍に拡大すると、極の耳の位置の誤差は数十ミリメートルに達します。
したがって、結論として、全極イヤー4680バッテリーは、円筒形バッテリーの性能における大きな進歩であり、熱の低減、急速充電の性能が大幅に向上しました。セルからパックまでのコストは比較的大幅に削減されます。もちろん、難しさは極端な耳の収集にありますが、技術の進歩とともに、徐々に困難を克服し、利点を発揮します。