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    為什么是全極耳,4680全極耳電池量產之路在何方?

    為什么是全極耳,4680全極耳電池量產之路在何方?

    • 分類:行業資訊
    • 作者:
    • 來源:高工鋰電
    • 發布時間:2021-03-25 15:35
    • 訪問量:0

    【概要描述】

    為什么是全極耳,4680全極耳電池量產之路在何方?

    【概要描述】

    • 分類:行業資訊
    • 作者:
    • 來源:高工鋰電
    • 發布時間:2021-03-25 15:35
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    詳情

    摘要:全極耳(無極耳)技術能夠成數量級的降低電池內阻和發熱速率,在解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對的優勢,特斯拉將其視為突破百萬英里續航和TWh自建產能的關鍵技術,“遠比看起來更加重要”。但是,特斯拉4680全極耳電池至今仍難量產,松下、LG等電池巨頭紛紛搶跑參與競備。

     

     

    2020年9月22日,特斯拉“電池日”發布4680“無極耳電池”,新電池能量提升5倍,功率提升6倍,同時成本降低14%、續航里程提高16%。

    “無極耳電池”更準確的翻譯應該是“全極耳電池”,就是把整個正/負極集流體都變成極耳,通過集流體與電池殼體或集流盤的全面積連接,大幅降低電池內阻和發熱量,解決高能量密度電芯的發熱問題,并提高充放電峰值功率,幫助突破圓柱電池做大的瓶頸,正式拉開特斯拉TWH時代的大幕。

     

    01  全極耳成數量級的降低電池內阻和產熱速率

     

    為什么是全極耳?

    電芯尺寸越大活性物質占比越高,系統集成效率也更高,有助于提高系統能量密度,降低系統成本,無論是特斯拉4680還是比亞迪刀片電池實質都是基于這一原理的設計。但是,電池放電過程中電流通過銅箔、鋁箔匯集,并通過極耳導出到外電路,由于電阻的存在,電池在充放電的過程中,特別是大電流充放電的過程中會產生顯著的歐姆熱,引起電池溫度的升高,越粗越大的電芯發熱越多、散熱越難,因此,如何解決電芯尺寸做大和發熱減少的悖論成為其中關鍵。

     

     

    可見,4680全極耳電池并不僅僅是變大變粗那么簡單。據專業人士分析:

    傳統的圓柱體電池都是卷繞方式,分為正負極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞,為了引出電極會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個引出線叫極耳。傳統的1860電池卷繞長度是800mm,以導電性更好的銅箔為例,極耳從銅箔上把電導出來長度最長就是800mm,相當于電流要通過800mm長的導線。通過計算得到電阻大約是20mΩ,2170電池更粗一些卷繞長度大約是1000mm長電阻約23mΩ,這么長的銅箔為保證低的電阻,對銅箔厚度和一致性都會有極高的要求。

    特斯拉4680電池為例,全極耳電池把整個集流體都變成極耳,導電路徑不再依賴極耳,電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變為集流體縱向傳輸,整個導電長度由1860或者2170銅箔長度的800~1000mm變成了80mm(電池高度)。將導電長度,代入銅電阻計算公式后電阻一下子就降到2mΩ,根據歐姆定理計算,電池內阻消耗由2瓦特一下子降到0.2瓦特,直接降低一個數量級。

     

     

    為研究極耳對于鋰電池充放電是發熱和內部溫升的影響,英國帝國理工大學的Shen Li等人以模擬仿真的方法,研究了單極耳1(正負極極耳均在電極的頭部)、單極耳2(負極極耳在電極的頭部,正極極耳在電極的1/3處)、三極耳(極耳均勻的分布在電極上)、全極耳(22個極耳均勻的分布在電極上)三種結構進行充放電發熱對比。

    從研究結果來看極耳數量越多電池內部溫升越不明顯,且靠近極耳的位置電池的電流密度更大,因此極耳處產熱速率也更快,從而造成局部溫度升高更大;全極耳設計能夠有效的降低局部的電流密度,從而減輕溫度-電流的正反饋,使得全極耳電池的產熱速率要比單極耳電池低兩個數量級。研究證明,全極耳電池在降低發熱量,解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對的優勢。(引自新能源Leader)

     

     

    02  特斯拉4680電池量產難LG/松下搶跑參與竟備

     

    全極耳電池優勢如此明顯,特斯拉為什么沒有第一時間量產4680全極耳電池?

    馬斯克在電池日發布會上曾表示,特斯拉正在美國加州的弗里蒙特電動車工廠內部建設4680電池的試驗性生產線,已“接近完工”,爭取一年的時間內達到1千兆瓦的產能,三年內全面量產。但特斯拉未能展示4680電池實物,電池日當天特斯拉股價重挫7%!

    特斯拉4680全極耳電池發布后,全球多家汽車巨頭跟進并調整電池路線,韓國LG與日本松下等多家全球巨頭紛紛搶跑,展開全極耳電池全球競備賽。

    據外媒報道稱,LG已經開始為特斯拉4680電池建造一條試驗性生產線。目前正在其Ochang工廠改造部分生產線,裝配和電鍍設備已經安裝完畢,最早有望在年內開始運營;同時,LG計劃為特斯拉公司配套建設先進的鋰電池工廠,工廠地點位于美國和歐洲,并計劃在2023年為特斯拉生產全新4680電池。

    松下總裁津賀一宏則表示:“我們已經開始在美國為特斯拉開發全新車用電池4680”。據悉,松下在日本大阪Suminoe工廠為特斯拉準備的一條4680電池試驗性生產線,預計從2021年4月1日開始啟用,并宣布將于下半年在開始美國超級電池工廠量產4680電池。

     

    03  最難的不是制造電芯,而是規?;a   電芯組裝設備尤其關鍵

     

    3電池材料制造商Sila Nanotechnologies的CEO及聯合創始人、前特斯拉電池系統架構師吉恩·貝爾蒂切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾表示:“全極耳是最具體、最可見,可能也是最有影響力的全新電芯設計。這是個非常好的設計,降低了電芯層面的制造成本。但最困難的不是制造電芯,而是能否規?;a。”

    特斯拉電池日發布會前,馬斯克也曾表示:新電池技術的量產應用很難,而制造制造電池的設備更難!尤其是在全極耳電池在組裝方面,馬斯克表示最大愿景是實現連續性的組裝生產,實現生產效率成倍增長。

    從全極耳電池制造工藝流程來看,前端極片制作和后端檢測激活與傳統電池并無實質變化,變化的關鍵是全極耳制作、連接等電芯組裝段,需要新增全極耳成型、全極耳與集流盤或殼體連接、檢測及連續組裝等工藝和設備。從特斯拉展示的生產視頻來看,特斯拉發布的設備包括涂布、卷繞、灌裝、封裝、注液、干燥、分成化容以及各種高速傳輸裝置等,恰恰未公布其最核心的電芯組裝設備設備。

     

     

    04產業協同助力圓柱全極耳電池創新智造

     

    圓柱全極耳電池在國內并非新興事物,2009年開始就有部分企業開始推出大圓柱電池,其中部分是以全極耳工藝進行連接。目前,國內Top10的圓柱企業多數在全極耳方面有技術儲備/探索性研究,更有不少企業已經有了商業化應用產品(尤其在功率性場合)。

    但是,在全球巨頭競相參與全極耳電池競備賽中,圓柱全極耳電池創新與智造需要電池企業、材料企業、設備企業更好的協同,才能加快全極耳電池開發效率、提升電池水平,以確保4680等全極耳電池競備中占據優勢。

    截止目前,中國已有140余家企業和機構投入全極耳電池相關研究,已公開全極耳專利共計553項,自特斯拉電池日以來增長340項,增幅達160%。從專利類型來看,圓柱全極耳專利主要涉及電池結構、全極耳工藝、電芯組裝設備、激光焊接及檢測等相關方向。

     

     

    從企業專利數量分布來看,國內多家TOP10的圓柱電池企業確已全面開始全極耳專利布局。逸飛激光(含武漢逸飛與江蘇逸飛)是所有企業中技術和專利布局最突出的,圓柱全極耳專利共計102項,其中發明專利52項,涉及全極耳極片制作、揉平/端面處理工藝、集流盤結構與焊接工藝、電芯組裝/焊接/檢測設備等多個領域。

     

     

    逸飛激光位于武漢·中國光谷,成立于2005年,是一家專業從事精密激光焊接設備與智能化生產線研發、設計與制造的國家級高新技術企業。逸飛激光從脈沖激光器研發起步,專注鋰電池激光焊接與組裝設備15年,具備方形/圓柱/軟包電池激光焊接機、全自動激光焊接站、全自動組裝焊接產線和數字化車間等全系列解決方案。公司在新能源汽車動力電池領域擁有眾多世界先進的關鍵工藝技術,產品覆蓋動力電池結構件、電芯、模組、PACK等領域,服務眾多國際一流的動力電池企業。

     

    參展企業:武漢逸飛激光股份有限公司

    展會時間:2021年3月19日~3月21日

    展會/地點:CIBF2021/深圳會展中心(深圳市福田中心區福華三路)

    展臺位置:2號館2T011

     

    據悉,逸飛激光從2009年開始投入全極耳技術、工藝與設備研發,目前已經完成從全極耳極片成型、揉平/端面處理、集流盤焊接、激光封焊/滾槽/鐓封/拼焊封口、檢測等全過程技術儲備與設備開發,具備完整的全極耳電池組裝技術;推出試驗單機、半自動工作站、半自動產線、全自動產線與數字化車間等圓柱全極耳全系列“智造”解決方案,完成百余套圓柱全極耳設備交付,獲得眾多頭部電池企業認可;應用產品包括單端全極耳和兩端全極耳等5種全極耳電池結構,產品尺寸全面覆蓋4680在內的直徑18-80mm、長度65-300mm等各個范圍段。

     

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