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全極耳成數(shù)量級(jí)的降低電池內(nèi)阻和產(chǎn)熱速率

h1654155972.5933 ? 來源:高工鋰電 ? 作者:高工鋰電 ? 2021-03-26 15:36 ? 次閱讀

全極耳(無極耳)技術(shù)能夠成數(shù)量級(jí)的降低電池內(nèi)阻和發(fā)熱速率,在解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),特斯拉將其視為突破百萬英里續(xù)航和TWh自建產(chǎn)能的關(guān)鍵技術(shù),“遠(yuǎn)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(chǎn),松下、LG等電池巨頭紛紛搶跑參與競(jìng)備。

2020年9月22日,特斯拉“電池日”發(fā)布4680“無極耳電池”,新電池能量提升5倍,功率提升6倍,同時(shí)成本降低14%、續(xù)航里程提高16%。

“無極耳電池”更準(zhǔn)確的翻譯應(yīng)該是“全極耳電池”,就是把整個(gè)正/負(fù)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(nèi)阻和發(fā)熱量,解決高能量密度電芯的發(fā)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(shí)代的大幕。

01

全極耳成數(shù)量級(jí)的降低電池內(nèi)阻和產(chǎn)熱速率

為什么是全極耳?

電芯尺寸越大活性物質(zhì)占比越高,系統(tǒng)集成效率也更高,有助于提高系統(tǒng)能量密度,降低系統(tǒng)成本,無論是特斯拉4680還是比亞迪刀片電池實(shí)質(zhì)都是基于這一原理的設(shè)計(jì)。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(dǎo)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(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆熱,引起電池溫度的升高,越粗越大的電芯發(fā)熱越多、散熱越難,因此,如何解決電芯尺寸做大和發(fā)熱減少的悖論成為其中關(guān)鍵。

可見,4680全極耳電池并不僅僅是變大變粗那么簡(jiǎn)單。據(jù)專業(yè)人士分析:

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

特斯拉4680電池為例,全極耳電池把整個(gè)集流體都變成極耳,導(dǎo)電路徑不再依賴極耳,電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變?yōu)榧黧w縱向傳輸,整個(gè)導(dǎo)電長(zhǎng)度由1860或者2170銅箔長(zhǎng)度的800~1000mm變成了80mm(電池高度)。將導(dǎo)電長(zhǎng)度,代入銅電阻計(jì)算公式后電阻一下子就降到2mΩ,根據(jù)歐姆定理計(jì)算,電池內(nèi)阻消耗由2瓦特一下子降到0.2瓦特,直接降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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為研究極耳對(duì)于鋰電池充放電是發(fā)熱和內(nèi)部溫升的影響,英國帝國理工大學(xué)的Shen Li等人以模擬仿真的方法,研究了單極耳1(正負(fù)極極耳均在電極的頭部)、單極耳2(負(fù)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(gè)極耳均勻的分布在電極上)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行充放電發(fā)熱對(duì)比。

從研究結(jié)果來看極耳數(shù)量越多電池內(nèi)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(chǎn)熱速率也更快,從而造成局部溫度升高更大;全極耳設(shè)計(jì)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(chǎn)熱速率要比單極耳電池低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。研究證明,全極耳電池在降低發(fā)熱量,解決高能量密度電芯的散熱問題上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。(引自新能源Leader)

02

特斯拉4680電池量產(chǎn)難

LG/松下?lián)屌軈⑴c竟備

全極耳電池優(yōu)勢(shì)如此明顯,特斯拉為什么沒有第一時(shí)間量產(chǎn)4680全極耳電池?

馬斯克在電池日發(fā)布會(huì)上曾表示,特斯拉正在美國加州的弗里蒙特電動(dòng)車工廠內(nèi)部建設(shè)4680電池的試驗(yàn)性生產(chǎn)線,已“接近完工”,爭(zhēng)取一年的時(shí)間內(nèi)達(dá)到1千兆瓦的產(chǎn)能,三年內(nèi)全面量產(chǎn)。但特斯拉未能展示4680電池實(shí)物,電池日當(dāng)天特斯拉股價(jià)重挫7%!

特斯拉4680全極耳電池發(fā)布后,全球多家汽車巨頭跟進(jìn)并調(diào)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(jìng)備賽。

據(jù)外媒報(bào)道稱,LG已經(jīng)開始為特斯拉4680電池建造一條試驗(yàn)性生產(chǎn)線。目前正在其Ochang工廠改造部分生產(chǎn)線,裝配和電鍍?cè)O(shè)備已經(jīng)安裝完畢,最早有望在年內(nèi)開始運(yùn)營(yíng);同時(shí),LG計(jì)劃為特斯拉公司配套建設(shè)先進(jìn)的鋰電池工廠,工廠地點(diǎn)位于美國和歐洲,并計(jì)劃在2023年為特斯拉生產(chǎn)全新4680電池。

松下總裁津賀一宏則表示:“我們已經(jīng)開始在美國為特斯拉開發(fā)全新車用電池4680”。據(jù)悉,松下在日本大阪Suminoe工廠為特斯拉準(zhǔn)備的一條4680電池試驗(yàn)性生產(chǎn)線,預(yù)計(jì)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(jí)電池工廠量產(chǎn)4680電池。

03

最難的不是制造電芯,而是規(guī)?;a(chǎn)

電芯組裝設(shè)備尤其關(guān)鍵

3電池材料制造商Sila Nanotechnologies的CEO及聯(lián)合創(chuàng)始人、前特斯拉電池系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)計(jì)。這是個(gè)非常好的設(shè)計(jì),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(guī)?;a(chǎn)。”

特斯拉電池日發(fā)布會(huì)前,馬斯克也曾表示:新電池技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)用很難,而制造制造電池的設(shè)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(shí)現(xiàn)連續(xù)性的組裝生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率成倍增長(zhǎng)。

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(cè)激活與傳統(tǒng)電池并無實(shí)質(zhì)變化,變化的關(guān)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(cè)及連續(xù)組裝等工藝和設(shè)備。從特斯拉展示的生產(chǎn)視頻來看,特斯拉發(fā)布的設(shè)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(shè)備設(shè)備。

(特斯拉產(chǎn)線視頻)

04

產(chǎn)業(yè)協(xié)同

助力圓柱全極耳電池創(chuàng)新智造

圓柱全極耳電池在國內(nèi)并非新興事物,2009年開始就有部分企業(yè)開始推出大圓柱電池,其中部分是以全極耳工藝進(jìn)行連接。目前,國內(nèi)Top10的圓柱企業(yè)多數(shù)在全極耳方面有技術(shù)儲(chǔ)備/探索性研究,更有不少企業(yè)已經(jīng)有了商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)品(尤其在功率性場(chǎng)合)。

但是,在全球巨頭競(jìng)相參與全極耳電池競(jìng)備賽中,圓柱全極耳電池創(chuàng)新與智造需要電池企業(yè)、材料企業(yè)、設(shè)備企業(yè)更好的協(xié)同,才能加快全極耳電池開發(fā)效率、提升電池水平,以確保4680等全極耳電池競(jìng)備中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

截止目前,中國已有140余家企業(yè)和機(jī)構(gòu)投入全極耳電池相關(guān)研究,已公開全極耳專利共計(jì)553項(xiàng),自特斯拉電池日以來增長(zhǎng)340項(xiàng),增幅達(dá)160%。從專利類型來看,圓柱全極耳專利主要涉及電池結(jié)構(gòu)、全極耳工藝、電芯組裝設(shè)備、激光焊接及檢測(cè)等相關(guān)方向。

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從企業(yè)專利數(shù)量分布來看,國內(nèi)多家TOP10的圓柱電池企業(yè)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(yè)中技術(shù)和專利布局最突出的,圓柱全極耳專利共計(jì)102項(xiàng),其中發(fā)明專利52項(xiàng),涉及全極耳極片制作、揉平/端面處理工藝、集流盤結(jié)構(gòu)與焊接工藝、電芯組裝/焊接/檢測(cè)設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。

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逸飛激光位于武漢·中國光谷,成立于2005年,是一家專業(yè)從事精密激光焊接設(shè)備與智能化生產(chǎn)線研發(fā)、設(shè)計(jì)與制造的國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。逸飛激光從脈沖激光器研發(fā)起步,專注鋰電池激光焊接與組裝設(shè)備15年,具備方形/圓柱/軟包電池激光焊接機(jī)、全自動(dòng)激光焊接站、全自動(dòng)組裝焊接產(chǎn)線和數(shù)字化車間等全系列解決方案。公司在新能源汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域擁有眾多世界先進(jìn)的關(guān)鍵工藝技術(shù),產(chǎn)品覆蓋動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)件、電芯、模組、PACK等領(lǐng)域,服務(wù)眾多國際一流的動(dòng)力電池企業(yè)。

據(jù)悉,逸飛激光從2009年開始投入全極耳技術(shù)、工藝與設(shè)備研發(fā),目前已經(jīng)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(cè)等全過程技術(shù)儲(chǔ)備與設(shè)備開發(fā),具備完整的全極耳電池組裝技術(shù);推出試驗(yàn)單機(jī)、半自動(dòng)工作站、半自動(dòng)產(chǎn)線、全自動(dòng)產(chǎn)線與數(shù)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(shè)備交付,獲得眾多頭部電池企業(yè)認(rèn)可;應(yīng)用產(chǎn)品包括單端全極耳和兩端全極耳等5種全極耳電池結(jié)構(gòu),產(chǎn)品尺寸全面覆蓋4680在內(nèi)的直徑18-80mm、長(zhǎng)度65-300mm等各個(gè)范圍段。

原文標(biāo)題:【逸飛激光?設(shè)備專欄】4680全極耳電池量產(chǎn)之路在何方?

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