Li-ion batterij nieuwe technologie

Li-ion batterij nieuwe technologie: focus op grote cilinders, lange kernen en andere innovatiemogelijkheden

1. Batterijontwikkeling: ultrasnel opladen, veiligheid en andere prestaties zijn de hoofdrichting; focus op grote cilinders, lange cellen en andere structurele innovaties

1.1 Trends in batterijprestaties: indeling van de batterijfabriek met een hoge energieverhouding, ultrasnel opladen en veiligheid en andere technische richtingen

Ningde Time, BYD en andere kernbatterijfabrieken richten zich op technologieën met een hoge energieverhouding, supersnel opladen en batterijveiligheid, en het realisatietraject omvat structurele innovatie, materiaalinnovatie, enz.

    Ningde Times, de toonaangevende batterijfabriek, heeft zes richtingen uiteengezet, zoals een hoge energieverhouding, supersnel opladen en echte veiligheid, en de soorten technologieën omvatten structurele innovatie, materiaalinnovatie en managementinnovatie. Volgens de officiële website van Ningde Times kunnen we zien dat Ningde Times zes richtingen van structurele innovatie, materiaalinnovatie en managementinnovatie heeft uiteengezet, namelijk hoge specifieke energie, lange levensduur, ultrasnel opladen, echte veiligheid, zelf- controletemperatuur en intelligent beheer. Neem supersnel opladen als voorbeeld, het supersnel opladen van Ningde Time verwijst naar de snelste 5 minuten tot 80% opladen, in termen van structuur, multi-gradient poolstuk en multi-ear-methode worden gebruikt, met name:① multi-gradiënt poolstuk: door de gradiëntverdeling van de poreuze structuur van het poolstuk te reguleren, de bovenste laag met een hoge porositeitsstructuur, de onderste laag met een hogedruk-vastedichtheidsstructuur, perfect rekening houdend met de dubbele kern met hoge energiedichtheid en supersnel opladen;② multi-ear: ontwikkeling van multidimensionale ruimte (2) Multi-layer: de ontwikkeling van multidimensionale space lug-technologie, die het huidige draagvermogen van het poolstuk aanzienlijk verbetert en het technische knelpunt van hoge temperatuurstijging van de batterij doorbreekt cel tijdens direct opladen van 500A.

1.2 Nieuw type batterij-/structuurinnovatie: grote cilindrische, lange cellen, enz. zijn belangrijke lay-outrichtingen voor batterijfabrieken

We hebben de batterijvorm, de voortgang van de massaproductie, de prestatie-index en de gunstige kenmerken van grote batterijfabrieken doorgenomen, die actief nieuwe batterijvormen ontwikkelen, zoals grote cilinders en lange cellen. Neem Honeycomb Energy als voorbeeld: de tweede generatie van de gelamineerde L600 met lange dunne cellen heeft de ontwikkeling voltooid en zal naar verwachting in Q3 2022 massaproductie bereiken; in termen van prestatie-index is de capaciteit van de L600 enkele cel toegenomen tot 196 Ah, de energiedichtheid is meer dan 185 Wh/kg en de volume-energiedichtheid is meer dan 430 Wh/L, wat voordelige kenmerken heeft zoals hoge compatibiliteit, hoog aanpassingsvermogen, hoge veiligheid en een lange levensduur.

(2) Grote cilindrische batterijen: Tesla, BAK, EVERLIGHT en andere batterijfabrieken produceren grote cilindrische batterijen. Neem Tesla als voorbeeld: de 4680-batterij gebruikt kathodemateriaal met een hoog nikkel- en silicium-koolstofgehalte en elektrodeloze nokkentechnologie, met een energiedichtheid van 300 Wh/kg, de batterijcapaciteit is 5 keer hoger dan die van de huidige 2170-oplossing en het uitgangsvermogen is 6 keer hoger. Bovendien heeft het voordelen op het gebied van energiedichtheid, vermogen en laadefficiëntie.

2. Groot cilindrisch: er wordt verwacht dat lasertoepassingen zullen toenemen; hoge precisie-eisen voor apparatuur

2.1 Grote cilindrische batterij: Neem Tesla 4680 als voorbeeld, technische innovaties zoals droge elektrode en elektrodeloze lug verdienen de aandacht

Volgens het artikel is de 4680 cilindrische batterij een verdere structurele innovatie van de cilindrische batterij van de kleinere 1865 tot 2170. Vergeleken met de eerder gebruikte 2170 batterij vermindert de 4680 batterij de warmteontwikkeling aanzienlijk en lost het het warmtedissipatieprobleem van hoge energiedichtheid op. cellen, en verhoogt het piekvermogen bij het opladen en ontladen, waardoor de 4680-batterij uiteindelijk 5 keer meer energie en 6 keer meer vermogen krijgt dan de 2170-batterij, terwijl de kosten met 14% worden verlaagd en het bereik met 16% wordt vergroot.

In termen van structurele innovatie en productieproces heeft de 4680 drie belangrijke technologische innovaties vergeleken met eerdere batterijen: droge-elektrodeproces, lugless (all lug) en CTC-technologie, die hebben geresulteerd in lagere celproductiekosten en grotere prestatieverbeteringen. Neem als voorbeeld de lugless-technologie: het 4680-celontwerp verandert de hele collector in lugs, het geleidingspad is niet langer afhankelijk van de lugs en de stroomoverdracht wordt gewijzigd van dwarstransmissie langs de lugs naar de collectorplaat naar longitudinale transmissie in de collector, waardoor de weerstand tot 2 meter wordt verminderdΩ en het interne weerstandsverbruik van 2W naar 0.2W.

2.2 Droog elektrodeproces: lage kosten vergeleken met traditioneel nat proces, de kern ligt in de elektrodeformulering en filmextrusieapparatuur

De droge-elektrodetechnologie van Maxwell is geschikt voor de huidige chemie van lithiumbatterijen en geavanceerde nieuwe elektrodematerialen, er wordt geen oplosmiddel gebruikt in het productieproces en kan worden uitgebreid tot roll-to-roll-productie, en de kerntechnologie is elektrodeformulering en filmvorming extrusie apparatuur.

(1) Volgens het artikel "Dry Electrode Coating Technology" van Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi bestaat de droge elektrodetechnologie van Maxwell uit drie stappen: (i) mengen van droog poeder, (ii) vormen van poeder tot dunne coating, (iii) ) dunne coating en vloeistofopvangpersen, alle drie de stappen zijn oplosmiddelvrij. Het droge-elektrodeproces van Maxwell is schaalbaar voor de huidige lithium-ionbatterijchemie en geavanceerde nieuwe batterijelektrodematerialen; specifiek wordt het eigen droge proces van Maxwell gebruikt om het poeder te mengen om een ​​uiteindelijk poedermengsel van actieve materialen, bindmiddelen en geleidende additieven te vormen, dat wordt geëxtrudeerd en gekalanderd om te vormen. Het poedermengsel wordt geëxtrudeerd en gekalanderd om een ​​continu, zelfdragend droog mengsel te vormen. -gecoate elektrodefilm die ook op rollen kan worden gewikkeld. Tenslotte wordt de dunne elektrodelaag samen met de collectorvloeistof samengedrukt om de batterij-elektrode te vormen.

(2) In termen van voordelen kan het droge-elektrodeproces van Maxwell volgens het artikel "Dry Electrode Coating Technology" van Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi worden toegepast op klassieke en geavanceerde batterijmaterialen en worden uitgebreid tot reel-to-batterijmaterialen. -rolproductie vergeleken met traditionele natte elektroden. (3) Wat de kerntechnologie betreft, is de kerntechnologie van het droge-elektrodeproces van Maxwell volgens Battery World Online de elektrodeformulering en de filmvormende extrusietechnologie en -apparatuur.

Bovendien kunnen droge elektroden worden gerealiseerd met verschillende methoden, zoals gepulseerde laser en sputterdepositie, die een extra filmuitgloeiproces vereisen in vergelijking met natte en Maxwell droge elektrodeprocessen. Volgens het artikel "Solvent-Free Manufacturing ofElectrodes for Lithium-ion Batteries" van Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan kunnen droge elektroden, in tegenstelling tot het voorbereidingsproces voor natte elektroden, worden vervaardigd door middel van gepulseerde laserafzetting. Het droge elektrodeproces kan worden bereikt met verschillende methoden, zoals gepulseerde laser- en sputterdepositie, waarbij geen droging vereist is, maar extra uitgloeien van de dunne film vereist vanwege de hoge temperatuur die wordt veroorzaakt door gepulseerde laserdepositie. Het in dit artikel voorgestelde elektrodevoorbereidingsproces is als volgt.

(1) Voorbereidingsproces voor natte elektrodes① Pasta-gietproces: Lithiumbatterij-elektroden worden gemaakt door een pasta (die actief materiaal bevat in oplosmiddel, geleidende koolstof en bindmiddel) op een metalen collector te gieten. Het meest voorkomende bindmiddel is PVDF (vooraf opgelost in het oplosmiddel NMP), en de resulterende slurry wordt gemengd en op de collector gegoten, die moet worden gedroogd om het oplosmiddel te verdampen om een ​​droge poreuze elektrode te produceren. Het drogen duurt lang, doorgaans 12-24 uur bij 120°CrangC. Omdat NMP kostbaar en vervuilend is, moet er bovendien een terugwinningssysteem worden geïnstalleerd om het verdampte NMP tijdens het droogproces terug te winnen (wat een aanzienlijke kapitaalinvestering met zich meebrengt).

Op oplosmiddel gebaseerde elektrostatische sproei-afzetting: Elektrodemateriaal wordt op de collector aangebracht met behulp van op oplosmiddel gebaseerde elektrostatische sproei-afzetting, dwz het afgezette materiaal wordt in een mondstuk verneveld en op de collector aangebracht; Op deze manier geconstrueerde elektroden vertonen vergelijkbare eigenschappen als slurry-cast-elektroden, met het soortgelijke nadeel dat ze een intensief droogproces vereisen dat ook tijd en energie vergt (2 uur bij 400°C).rangC). Lithiumbatterijen worden ook geproduceerd met behulp van de spuittechniek, waarbij elk elektrodesamenstel op het gewenste oppervlak wordt gespoten met behulp van een op NMP gebaseerde coating, waarbij nog steeds verdamping van het oplosmiddel nodig is.

(2) Het voorbereidingsproces voor droge elektroden wordt bereikt door verschillende methoden, zoals gepulseerde laser en sputterafzetting. Gepulseerde laserafzetting wordt bereikt door een laser te focusseren op een doel dat het af te zetten materiaal bevat, en zodra de laser het doel raakt, verdampt het materiaal en wordt het op de collector afgezet; hoewel er geen oplosmiddel wordt gebruikt, moet de afgezette film bestand zijn tegen temperaturen van 650-800rangC, terwijl magnetronsputterafzetting de vereiste gloeitemperatuur tot 350°C kan verlagenrangC. Deze methode is representatief voor de vervaardiging van droge celelektroden, maar de afzettingssnelheid is laag en vereist uitgloeien bij hoge temperatuur.

Het droge elektrodeproces is goedkoper dan het traditionele natte proces, vooral in termen van arbeidskosten, investeringen in apparatuur en fabrieksruimte. Volgens het artikel "Solvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries" van Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan, bijvoorbeeld Battery Design Scenario 1, bedraagt ​​de productie van droge elektroden bijvoorbeeld 21,6% , respectievelijk 14,2% en 13,1% minder in directe arbeidskosten, apparatuurkosten en fabrieksoppervlakte dan de productie van natte elektroden, ervan uitgaande dat er 100.000 cellen per jaar worden geproduceerd.

2.3 Lugless (all-lug) technologie: verminder de interne weerstand van de batterij, laserlasvolume naar boven, hoge precisie-eisen voor apparatuur

(all-ear) technologie kan de weerstand en het interne weerstandsverbruik van de batterij aanzienlijk verminderen. Volgens het artikel van Yulong Zhao "Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan": 1) Traditionele cilindrische batterij: positieve en negatieve koperfolie en aluminiumfolie-diafragma worden gestapeld en gewikkeld, en een geleidingsdraad (lip) wordt aan elk uiteinde van het koper gelast folie en aluminiumfolie om de elektrode te geleiden. (2) 4680 batterij: de gehele collector wordt in een nok veranderd, het geleidingspad is niet langer afhankelijk van de nok, de stroom wordt overgedragen van de transversale transmissie langs de nok naar de collector naar de longitudinale transmissie van de collector, de gehele geleidende de lengte wordt gewijzigd van 800-1000mm van de lengte van 1860 of 2170 koperfolie naar De gehele geleidende lengte wordt gewijzigd van 800-1000mm van de lengte van 1860 of 2170 koperfolie naar 80 mm (celhoogte), waardoor de weerstand wordt verminderd tot 2mΩ en het interne weerstandsverbruik van 2W naar 0.2W, een orde van grootte lager.

Structurele ontwerpkenmerken: het contact-/geleidende oppervlak van de nok aan het ene uiteinde van de cel is gelijk aan/groter dan dat van de collector. Volgens Tesla's "lugless" patent, geciteerd door het officiële WeChat-nummer van GaoGong Lithium, beschrijft het ten minste één elektrode als een batterijhouder zonder nokken, met name: 1) Het lagere niveau van de kern: het uiteinde van de collector is wit gelaten en niet gecoat met positieve/negatieve materialen, waarbij het collectorgedeelte kan worden opgevat als een algemene nok, Tesla. De sleutel tot het "lugloze" ontwerp is dat het geleidingsgebied van de nokken precies hetzelfde is als dat van de collector, of zelfs het contactgebied en het geleidingsgebied van de nokken zijn groter dan het collectorgeleidingsgebied door het gediversifieerde structuurontwerp van de afdekking; 2) het bovenste niveau van de kern: als er slechts één elektrode zonder nokkenoplossing wordt gebruikt, is het bovenste uiteinde nog steeds hetzelfde als het kernontwerp van de 18650, 21700. Volgens de patentanalyse kan slechts één uiteinde van de nokloze verbinding het effect bereiken van een vijfvoudige vermindering van de interne weerstand.

(1) Productieproces: Volgens het officiële openbare WeChat-nummer van Automotive Materials Network, dat wordt geciteerd in Automotive Home, zijn er twee productieprocessen voor inductiekabelschoenen, namelijk eerst snijden en vervolgens opwikkelen, en eerst opwikkelen en vervolgens laserstansen. snijden, specifiek:① Eerst snijden en dan wikkelen: Door nauwkeurige berekening wordt het materiaal in vele delen gesneden voordat het wordt gewikkeld. Wanneer de wikkeling de vooraf ingestelde energie bereikt, wordt er gelast. Laserstansen na het wikkelen: het materiaal wordt direct opgewikkeld, ongeacht de breedte en grootte, en het laserstansen wordt uitgevoerd op het overtollige materiaal nadat de vooraf ingestelde energie is bereikt, wat een hoge precisie vereist.

(2) Apparatuurvereisten: Volgens het officiële openbare WeChat-nummer van Automotive Materials Network, onder verwijzing naar de informatie van Auto House en het openbare nummer GaoGong Lithium WeChat, zijn er vanuit het perspectief van productieapparatuur grote veranderingen in drie aspecten onder de technologie van niet -polaire nok (volledig polaire nok), specifiek:① coatingproces: de bepaalde gebogen vorm van de volledig polaire nok veroorzaakt hogere eisen aan de nauwkeurigheid van de apparatuur, en de witte ruimte op de buitenring zal steeds groter zijn dan de witte ruimte op de binnenring;② snijapparatuur: de eisen voor het laserstansen zijn hoger. (2) snijapparatuur: hogere eisen aan het laserstansproces en gaten in de materiaallaag als gevolg van ongelijkmatige snijranden; (3) laserlassen: het aantal lasverbindingen bij laserpuntlassen van alle nokken is meer dan vijf keer toegenomen in vergelijking met 21700. Specifiek, afhankelijk van het lasproces, bijvoorbeeld volgens het artikel van Zhao Yulong "Power Battery 4680 full lug technology scan" inhoud, de volledige lug- en collectorplaat- of schaalverbinding, de vereisten voor de laserlastechnologie zijn hoger, met name van het traditionele puntlassen met twee nokken tot het lassen van het volledige nokkenoppervlak, het lasproces en het lasvolume zijn meer geworden, de laserintensiteit en de brandpuntsafstand is niet gemakkelijk te controleren, gemakkelijk te lassen door gebrand aan de binnenkant van de kern of geen laswerk; Bovendien stellen sommige bedrijven voor om voor de huidige collector perspassing te gebruiken in plaats van lasoctrooien.

We nemen de CTC-technologie van Tesla als voorbeeld en analyseren deze als volgt: 1) In tegenstelling tot het 2170-batterijpakket dat uit vier modules bestaat, maakt het 4680-batterijpakket gebruik van CTC-technologie en fungeert het batterijpakket als de basisplaat van het voertuig. Volgens de officiële website van InsideEV elimineert het 4680-batterijpakket, uit de dwarsdoorsnede van het nieuwe batterijpakket met de Model Y-structuur, getoond tijdens de fabrieksrondleiding van Giga Berlin in oktober 2021, direct het moduleontwerp en maakt het gebruik van CTC-technologie, die dicht op elkaar is gerangschikt. het voertuigchassis, dwz de onderkant van het Model Y uitgerust met het 4680-batterijpakket, is uitgehold en het batterijpakket fungeert als onderkant. Het accupakket dient als bodemplaat. De 2170-batterij in Model Y heeft daarentegen vier modules: twee korte modules en twee lange modules. En ons lithiumbedrijf voor de ruimtevaart is ook gebaseerd op het meesterschap van de grote cilindrische batterijtechnologie en is ook een verre leider:http://www.optimum-china.com