Press "Enter" to skip to content

День аккумулятора Tesla — вывод электромобилей на новый уровень

Производители электромобилей ждали возрождения аккумуляторных технологий, по-видимому, дольше, чем народы Европы ждали культурного, художественного, политического и экономического возрождения в эпоху средневековья. Но в связи с тем, что поставщики аккумуляторов добиваются лишь постепенных достижений в области разработки, химии, производительности и производства элементов, Tesla берет дело в свои руки.

Это не означает, что компания отказывается от сотрудничества со своими партнерами по производству аккумуляторов — Panasonic, LG и CATL. Но, как Дрю Баглино, старший вице-президент подразделения Powertrain and Energy Engineering, так и генеральный директор Илон Маск заявил на мероприятии Battery Day, Tesla планирует самостоятельно обновить практически все аспекты производительности и производства аккумуляторов.

Ключевые моменты: Tesla начнет собственное производство аккумуляторных элементов. Новые ячейки имеют обозначение 4860 и выше, чем то, что компания использовала раньше; у них будет ширококонтактный (tabless) дизайн; и они будут использовать сухой электрод, в основном на никеле. Ячейки также будут интегрированы в автомобиль как полностью структурный компонент. Более того, Tesla планирует вдвое снизить стоимость производимых аккумуляторных батарей за киловатт-час.

В целом, ожидается, что серия запланированных усовершенствований приведет к увеличению запаса хода на 54%, к снижению затрат на киловатт-час на уровне аккумуляторной батареи на 56% и к снижению капитальных вложений на требуемый гигаватт-час на 69% при изготовлении.

Тесле понадобится от года до полтора, чтобы начать осознавать эти преимущества. И, по словам Дрю Баглино и Илона Маска, чтобы полностью реализовать эти преимущества, вероятно, потребуется «около трех лет».

План Tesla не основан на единственном нововведении. Скорее, он распространяется на все аспекты того, что превращает элемент в аккумуляторную батарею, от сырья до готового продукта. Давайте посмотрим на эти технологии по очереди.

Ячейка становится больше

Ячейка 4680 большего размера представляет собой новую широкополосную конструкцию с контактами, проходящими по длине анодного и катодного листов. Он будет удерживать в пять раз больше энергии, генерировать в шесть раз больше мощности и обеспечивать дополнительный 16% запас энергии.

В процессе работы ионы лития в аккумуляторной батарее перемещаются от анода к катоду. А затем происходит обратное, когда элемент заряжается, литий перемещается от катода к аноду через сепаратор. Это основа литий-ионных аккумуляторов независимо от форм-фактора.

Ячейки литий ионных аккумуляторов

Но в то время как большинство электромобилей было построено с плоским пакетом или призматическими ячейками, Tesla использует цилиндрическую ячейку. В цилиндрической ячейке есть крышка и банка — отрицательный и положительный выводы ячейки, где аноды, сепараторы и катоды представляют собой свернутые листы, упакованные в цилиндрический корпус.

Когда вы открываете эту ячейку, к клеммам присоединяется язычок — то, что Тесла называет рулетом желе, — то есть намотанные на внутренней стороне электроды. В размотанном состоянии он составляет более метра в типичном элементе Tesla 2170 в его модели 3. В номенклатуре аккумуляторов Tesla первые две цифры номера элемента относятся к диаметру элемента (в данном случае 21 мм), а вторые две цифры относятся к длине (70 мм), так что это довольно долгий процесс наматывания.

Диапазон увеличивается, если вы изменяете внешний диаметр ячейки. Тесла говорит, что золотая середина составляет около 46 мм. Но дело не только в увеличении форм-фактора, поскольку при увеличении размеров ячеек возникают проблемы. Фактически, быстрый «наддув» и тепловые соображения становятся проблематичными для более крупных ячеек.

Решение Tesla состояло в том, чтобы разработать архитектуру без подложек, которая «устраняет тепловую проблему из уравнения и позволяет нам перейти на самый дешевый форм-фактор и самый простой производственный процесс», — сказал Баглино.

Архитектура широкополосных контактов берет существующую фольгу, формирует ее с помощью лазера и обеспечивает множество соединений в активный материал по спирали. Это приводит к более простому производству, меньшему количеству деталей и, что важно, к длине пути электрического тока 50 мм по сравнению с 250 мм, что обеспечивает тепловые преимущества. Тесла отметила, что длина пути в большой ячейке таблицы меньше, чем в меньшей ячейке с ушками, а соотношение мощности к весу на самом деле лучше, чем в меньшей ячейке с ушками.

Как Tesla планирует сделать ячейку без широкополосных подключений и подключить ее к верхней крышке? «Мы храним здесь небольшой секрет, о котором никому не говорим, — сказал Маск.

Избавление от вкладок также значительно упрощает намотку и кодирование, потому что, когда ячейка проходит через систему, она должна останавливаться на каждой вкладке. «Таким образом, вы не можете производить непрерывное движение, если у вас есть вкладки», — сказал Маск.

Новая ячейка 4680 длиной 8 мм, как ожидается, будет давать в пять раз больше энергии при шестикратной мощности, в дополнение к увеличению дальности действия на 16% и снижению стоимости киловатт-часа на 14%.

Tesla начинает наращивать производство этих элементов на экспериментальном производственном предприятии мощностью 10 гигаватт-часов. По словам Маска, для выхода на мощность в 10 гигаватт-часов потребуется около года. По словам компании, фактические производственные мощности будут порядка 200 гигаватт-часов.

Поскольку батареи твердотельные, Tesla может фактически использовать стальной корпус батареи для передачи физических нагрузок с верхней и нижней лицевой панели. Это делает конструкцию невероятно жесткой, даже более жесткой, чем у обычного (бензинового) автомобиля.

Катод: стабильная «книжная полка»

Простое описание катода — это книжная полка, достаточно устойчивая, чтобы книги (ионы) двигались вперед и назад. Металл — никель, кобальт, марганец или алюминий — это полка, а литий — это книга. Что отличает эти разные металлы, так это количество литиевых книг, которые они могут уместить на полках, и прочность полок.

Катодный процесс — большая цель для Tesla: 35% «катодного доллара» за киловатт-час просто переводятся в его окончательную форму. Фактически, вы начинаете с металла из шахты, который превращается в сульфат металла, «потому что это было то, что химики хотели давным-давно», — сказал Баглино. «А затем, когда вы делаете катод, вам нужно взять этот промежуточный продукт, называемый сульфатом металла, добавить химикаты, добавить воды, и в конце вы получите этот маленький кусочек катода и много отходов производства, а также другие побочные продукты».

Производство литий ионных аккумуляторов по старой технологии уже не может удовлетворить спрос на них

Tesla хочет избавиться от промежуточных этапов и вообще избавиться от сточных вод. Маск сказал: «И если обобщить все это, то можно увидеть снижение капитальных вложений на 66%, снижение производственных затрат на 76% и отсутствие отходов — гораздо более масштабируемое решение».

Хотя никель может быть самым дешевым материалом для катодов с самой высокой плотностью энергии, часто используется кобальт, потому что это «очень стабильная книжная полка». И задача перехода на чистый никель состоит в том, чтобы стабилизировать эту книжную полку, используя только никель, «и это то, над чем мы работали, разрабатывая катод с высоким содержанием никеля, в котором не содержится кобальта», — сказал Баглино. По его словам, за счет использования новых покрытий «мы можем получить сокращение стоимости катода за киловатт-час на 50%».

Маск сказал, что Tesla начнет производить катоды в Америке, сократив расстояние, которое проходят эти материалы, на 80 процентов, что очень дорого с точки зрения затрат. Компания также будет использовать процесс интеграции лития без сульфатов, что на треть снизит стоимость лития.

В качестве промежуточного шага Tesla планирует использовать никель-марганец. Баглино отметил, что относительно просто сделать катод, состоящий на две трети из никеля и на одну треть из марганца, «что тогда позволит нам увеличить объем ячейки на 50% с тем же количеством никеля».

Производство катодов будет частью завода по производству аккумуляторных ячеек Тесла. «Теперь, когда у нас есть этот процесс, мы, очевидно, собираемся начать строительство собственного катодного производства в Северной Америке и задействовать все ресурсы Северной Америки, которые существуют для производства никеля и лития», — сказал Маск.

Литий попадает в элемент через катод. Очевидно, руководители сказали, что затем Tesla также должна провести конверсию лития на месте, что они и собираются делать, используя новый бессульфатный процесс. Опять же, пропустите промежуточные этапы, что приведет к снижению стоимости лития на 33% на установке, расположенной вместе с катодной установкой.

Инженеры Tesla задались вопросом: «Какой самый разумный способ извлекать руду и извлекать литий экологически безопасным способом?» Маск сказал: «Мы действительно обнаружили, снова глядя на основные принципы, что вместо традиционного способа, мы можем использовать поваренную соль, хлорид натрия, чтобы извлечь литий из руды. Насколько мне известно, этого раньше никто не делал. Все элементы можно использовать повторно. Это очень экологичный способ получения лития. И у нас фактически есть права на более чем 10 000 акров залежей литиевой глины в Неваде. Просто смешайте глину с солью, опустите ее в воду, и соль выйдет вместе с литием. Профит».

Анод: использование неочищенного кремния

Литий-ионная батарея представляет собой систему интеркаляции, в которой и катод, и анод имеют структуры, которые позволяют обратимое введение и извлечение лития Li +. Необработанный кремний хранит в девять раз больше лития, чем графит, который сегодня является типичным анодным материалом в литий-ионных батареях. Так почему же не все его используют? Основная причина заключается в том, что кремний расширяется в четыре раза при полной зарядке литием, что может повредить элемент. Tesla будет использовать неочищенный кремний, а затем добавит специальное покрытие, которое будет допускать расширение.

При полном заряде анода из неочищенного кремния он расширяется что может повредить аккумуляторную ячейку

Что Tesla хочет сделать, так это начать с неочищенного кремния, а затем стабилизировать поверхность с помощью эластичного полимерного покрытия с ионной проводимостью, которое наносится с помощью, по их словам, очень масштабируемого подхода. Химическое осаждение из паровой фазы не будет использоваться. И, в конце концов, за счет использования этого кремния в его потенциале, запас хода транспортных средств будет увеличен на дополнительные 10%, а также на 5% снижение стоимости анода за киловатт-час на уровне аккумуляторной батареи.

Покрытие электрода: от влажного до сухого

Одним из важнейших процессов является влажный процесс нанесения электродного покрытия. Сначала порошки смешиваются либо с водой, либо с растворителем (для катода). Затем эта смесь отправляется в сушильный шкаф, где суспензия наносится на фольгу и сушится, а затем растворитель необходимо регенерировать. Наконец, фольга с нанесенным покрытием прессуется до ее окончательной плотности.

Tesla планирует пропустить стадию растворителя и сразу перейти к сухой смеси для покрытия — буквально «втирать» порошок в пленку. Маск отметил, что Tesla приобрела компанию по хранению энергии Maxwell Technologies чуть больше года назад, и у них было то, что Маск назвал «подтверждением концепции». С момента приобретения Tesla увеличила мощность машины, которая выполняет нанесение сухого покрытия в четыре раза, и «мы еще не достигли максимума», — сказал он. «Это близко, но еще в работе. Справедливости ради стоит сказать, что, вероятно, это действительно работает, но с невысокой высокой продуктивностью».

Маск добавил: «К тому времени, когда мы начнем крупносерийное производство, мы, вероятно, будем на шестой или седьмой версии машины. Скорость, с которой автомобили совершенствуются, чрезвычайно высока. Буквально каждые три-четыре месяца выходит новое усовершенствование».

Делаем Tesla дешевле?

В других новостях Маск рассказал об автомобиле Tesla за 25000 долларов, у которого еще нет названия, и он появится через три года. Еще одним ярким событием Battery Day стал Илон Маск, представивший новую трехмоторную AWD Plaid Model S с дальностью более 520 миль (840 км), 1100 лошадиными силами (не опечатка), скоростью 200 миль в час (320 км / ч), ускорением от 0 до 100 км /ч менее чем за две секунды, и высокий ценник в 139000 долларов.

В долгосрочной перспективе Маск хочет попытаться заменить не менее 1% всего автомобильного парка на Земле, что составляет около двух миллиардов автомобилей. «В долгосрочной перспективе мы хотим стараться производить около 20 миллионов автомобилей в год», — сказал он.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *