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电动汽车续航有望突破!马斯克亲自研发的“无极耳”电池技术是什么?

2020-09-23 综合报道 阅读:
长续航是电动汽车的一贯孜孜不倦追求的目标,而电池也是电动汽车上最核心的部件之一,曾有传闻特斯的电池组由7000多节18650 5号电池串联组成,可能这也是不得已为之,因为行业电池技术一直未有突破。今日,马斯克发布了亲自研发的“无极耳”电池,续航里程提高16%。那么,这中可能要成为新的行业方向的“无极耳”电池技术到底如何?

长续航是电动汽车的一贯孜孜不倦追求的目标,而电池也是电动汽车上最核心的部件之一,曾有传闻特斯的电池组由7000多节18650 5号电池串联组成,可能这也是不得已为之,因为行业电池技术一直未有突破。今日,马斯克发布了亲自研发的“无极耳”电池,续航里程提高16%。那么,这中可能要成为新的行业方向的“无极耳”电池技术到底如何?JIXednc

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今日(美国当地时间9月22日),特斯拉电池日活动在美国加州弗利蒙特工厂举行。特斯拉在会上发布了一款全新的“4680”型电池,这种46毫米宽、80毫米长的无极耳电池能将能量密度提升5倍,输出功率增加6倍,续航里程提高16%。JIXednc

该款电池已经在特斯拉的弗利蒙特工厂开始生产,但要达到10GWh的生产能力大约需要一年时间。马斯克此前也在社交平台上表示,特斯拉电池日活动中公布的所有新产品要到2022年才能实现大规模生产。而特斯拉在电池产能方面的未来目标则是到2022年达到100GWh,到2030年达到3TWh。JIXednc

同时,特斯拉发布了全球续航最长电动车特斯拉Plaid Model S:续航837公里。JIXednc

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不过,从无极耳电池上市时间来看,这款车应该不会采用“无极耳”电池组。但是后面有可能允许更换。JIXednc

比听起来更加重要的“无极耳”技术JIXednc

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特斯拉作为车企最初在电池技术积累较少,只是通过对外采购电池或者合资共建方式保障电池供应。从18650到21700,特斯拉一直都在坚持通过“大圆柱”提升电池能量密度、降低电池成本的策略。然而,无论基于电池安全性亦或其他问题,特斯拉电池核心供应商松下与LG化学迟迟未能突破21700以上的“大圆柱”。JIXednc

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2017年,特斯拉引入Jeff Dahn研究团队后开始全方位从技术、生产工艺布局锂电池领域,2020年1月宣布自建1条电池试验线,2020年5月正式披露“无极耳”电池专利,其核心设计理念是通过正负极集流体与盖板/壳体直接连接,成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离,从而大幅降低电池内阻,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率;并通过优化电池结构件、简化电池生产工艺流程等,提升电池标准化生产能力、降低电池成本。JIXednc

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正是这项“比听起来更加重要”的无极耳技术,帮助特斯拉快速突破圆柱电池的尺寸限制,并带来内阻大幅减小5-20倍、成本大幅降低至100美元(约合人民币676元)/度等颠覆式成果。然而,“无极耳”电池,“极耳”究竟去哪了?JIXednc

“无极耳”,极耳去哪了?JIXednc

极耳是从电池正负极集流体中引出了的金属导电体,与电池壳体(圆柱/方形)或者与外部模组结构件(软包)进行连接,电流必须流经极耳才能与电池外部连接。根据极耳数量、面积差异极耳可以分为单极耳、双极耳、多极耳以及全极耳等类型,18650或21700电池体积较小,多采用单极耳方式,极耳细长不利于电流传导,电池充放电时极易导致极耳和极耳连接处局部热量过大,成为影响电池安全的关键瓶颈。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

根据特斯拉“无极耳”专利分析,极耳与集流体不成比例的导电面积,以及独立、长条形的极耳设计是当前电池的局限性,“当电流必须一直沿着阴极或阳极流到极耳并流出电池单元时,电阻也会随着距离的增加而相应提高。此外,由于极耳是额外的零件,因此增加了成本并带来了制造难度。”JIXednc

特斯拉“无极耳”专利描述了至少一个电极为无极耳的电池装置,及其制作方法。“无极耳”电极一端通过涂覆导电材料,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,传导面积大、距离短,特斯拉为此设计了多种规格的盖板结构进行知识产权保护。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

然而,详细分析特斯拉“无极耳”卷芯结构可以发现:JIXednc

(1)“无极耳”卷芯下端一极:集流体末端留白未涂覆正/负极材料,该处集流体部分应统统理解为广义的极耳,国内方形电池生产过程中也多采用直接切割集流体作为极耳与壳体进行连接,特斯拉“无极耳”设计的关键是极耳传导面积与集流体完全一致,甚至通过盖板多样化结构设计使极耳接触面积、传导面积大于集流体传导面积。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

(2)“无极耳”卷芯上端一极:若仅采用一个电极无极耳方案,上端仍与18650、21700卷芯设计一样,通过一个导电极耳与外部进行连接。按专利分析,仅一端进行无极耳连接就可以实现内阻减小5倍效果。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

国内有专家评论,特斯拉“饼干盒”与近期出现的国内某超巨的细长型圆柱电池整体设计理念基本一致。特斯拉“无极耳”电池也并非真的没有极耳,而是通过巧妙的结构设计直接利用整个集流体尾部作为极耳,并通过盖板(国内称“集流盘”)结构设计增大极耳传导面积及其连接处的连接面积、缩短极耳传导距离。因此,“无极耳”实质与国内圆柱全极耳电池的设计理念基本一致,都是通过集流体与电池壳体或集流盘的全面积、直接接触式连接,从而达到大幅降低电池内阻的效果,只是“全极耳”的连接形式更为多样化,从某种意义上说特斯拉“无极耳”可以理解为一种特定形式的“全极耳”。JIXednc

全极耳,中国圆柱全极耳电池发展JIXednc

国内圆柱全极耳锂离子电池最早在2003年开始萌芽,出现了正负极片单边留白、错位卷绕后形成极耳然后焊接在导电集流盘边缘的结构设计,但由于极耳形态不规则,电池生产工艺复杂,未能转化为实际产品。2009年国内开始有电池企业与装备企业共同投入圆柱全极耳研究,并真正形成了圆柱全极耳初始产品。经过十几年的发展,国内已经形成了圆柱全极耳软连接与硬连接两种主流的连接形式,也有一端采用软连接一端采用硬连接的结合形式;其中软连接方式是汇集电流的集流盘带有一段宽而短的极耳连接壳体,硬连接方式多通过集流盘直接与壳体进行物理接触或机械连接,硬连接方式多属于“无极耳”连接。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

从规格和工艺来看,圆柱全极耳电池主要包括:JIXednc

(1)外壳材质:钢壳,多应用于三元电池;铝壳,多应用于磷酸铁锂、锰酸锂等电池。JIXednc

(2)封装工艺:机械滚槽与卷边封口,多应用于10AH以下电池;激光焊接,各类电池均有应用。JIXednc

(3)壳体带电与结构形式:外壳带电,主要包括平底+凸帽、平底+平帽、平底+螺母等形式;外壳不带电,主要包括两端螺母、两端螺柱、两端平帽等形式。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

据不完全统计,国内全极耳圆柱电池或无极耳圆柱电池专利主要自2006年开始出现,其中主要以全极耳专利为主、少量无极耳专利,两者专利保护内容的设计理念基本一致。从专利分布来看,国轩高科、格力电器、安靠电源、银隆新能源及装备企业逸飞激光等圆柱全极耳/无极耳专利申报数量较为靠前,宁德时代近期也有相关专利申报。JIXednc

特斯拉无极耳大圆柱“饼干盒”,极耳去哪了?JIXednc

据动力电池应用分会数据显示,2019中国市场圆柱动力电池装机电量约4.13GWh,占比6.65%,以18650、21700为主的圆柱电池装机量大幅下滑41%,但是主打32135圆柱全极耳电池的国轩高科装机电量约1201.93MWh,同比增长60.55%,由2018年的排名第3上升至2019年第1。JIXednc

行业数据显示,2020年上半年两轮车圆柱电池价格已接近0.4元~0.5元/Wh的目标价。国内排名靠前的动力电池企业已有多家开始布局圆柱全极耳电池,力神电池、比克电池、远东电池、天能、鹏辉能源等均已相继获得两轮车圆柱电池订单,宁德时代也成立了圆柱电池团队,并规划了多条圆柱产线大举进入共享两轮车市场。JIXednc

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