تكنولوجيا جديدة لبطارية ليثيوم أيون

تقنية جديدة لبطارية Li-ion: التركيز على الأسطوانات الكبيرة والنوى الطويلة وفرص الابتكار الأخرى

1. تطوير البطارية: الشحن فائق السرعة والسلامة والأداء الآخر هو الاتجاه الرئيسي؛ التركيز على الأسطوانات الكبيرة والخلايا الطويلة والابتكارات الهيكلية الأخرى

1.1 اتجاهات أداء البطارية: تخطيط مصنع البطاريات لنسبة الطاقة العالية والشحن فائق السرعة والسلامة والاتجاهات الفنية الأخرى

تعمل Ningde Time وBYD ومصانع البطاريات الأساسية الأخرى على التخطيط في اتجاه نسبة الطاقة العالية والشحن فائق السرعة وتقنيات سلامة البطارية، ويتضمن مسار التنفيذ الابتكار الهيكلي وابتكار المواد وما إلى ذلك.

    وقد حدد مصنع البطاريات الرائد في نينغده تايمز ستة اتجاهات مثل نسبة الطاقة العالية والشحن فائق السرعة والسلامة الحقيقية، وتشمل أنواع التقنيات الابتكار الهيكلي وابتكار المواد والابتكار الإداري. وفقًا للموقع الرسمي لـ Ningde Times، يمكننا أن نرى أن Ningde Times قد وضعت في ستة اتجاهات للابتكار الهيكلي، وابتكار المواد، والابتكار الإداري، وهي الطاقة النوعية العالية، والعمر الطويل، والشحن فائق السرعة، والسلامة الحقيقية، والذاتية. التحكم في درجة الحرارة والإدارة الذكية. خذ الشحن فائق السرعة كمثال، يشير الشحن فائق السرعة في Ningde Time إلى أسرع 5 دقائق إلى 80٪ من الشحن، من حيث الهيكل، تم اعتماد قطعة عمود متعددة التدرج وطريقة متعددة الأذن، على وجه التحديد:① قطعة عمود متعددة التدرج: من خلال تنظيم التوزيع المتدرج للهيكل المسامي لقطعة القطب، والطبقة العليا من هيكل المسامية العالية، والطبقة السفلية من هيكل الكثافة الصلبة عالية الضغط، مع الأخذ في الاعتبار تمامًا النواة المزدوجة لكثافة الطاقة العالية و شحن فائق السرعة؛② الأذن المتعددة: تطوير مساحة متعددة الأبعاد (2) متعدد الطبقات: تطوير تقنية العروة الفضائية متعددة الأبعاد، والتي تعمل على تحسين قدرة التحمل الحالية لقطعة القطب بشكل كبير وتكسر عنق الزجاجة الفني لارتفاع درجة حرارة البطارية العالية الخلية أثناء الشحن المباشر 500A.

1.2 نوع جديد من ابتكار البطاريات/الهيكل: تعتبر الخلايا الأسطوانية الكبيرة والطويلة وما إلى ذلك من التوجيهات التخطيطية المهمة لمصانع البطاريات

لقد قمنا بتمشيط شكل البطارية، وتقدم الإنتاج الضخم، ومؤشر الأداء والخصائص المفيدة لمصانع البطاريات الكبرى، التي تعمل بنشاط على تصميم أشكال جديدة من البطاريات مثل الأسطوانات الكبيرة والخلايا الطويلة. لنأخذ شركة Honeycomb Energy كمثال، فقد اكتمل تطوير الجيل الثاني من الخلية الرقيقة الطويلة الصفائحية L600 ومن المتوقع أن يحقق إنتاجًا ضخمًا في Q3 2022; من حيث مؤشر الأداء، زادت قدرة الخلية المفردة L600 إلى 196Ah، وكثافة الطاقة أكثر من 185wh/kg وكثافة الطاقة الحجمية أكثر من 430wh/L، والتي تتميز بميزات مفيدة مثل التوافق العالي، والقدرة على التكيف العالية، والسلامة العالية وحياة طويلة.

(2) أسطوانية كبيرة: تقوم مصانع البطاريات Tesla وBAK وEVERLIGHT وغيرها بتصنيع بطاريات أسطوانية كبيرة. لنأخذ Tesla كمثال، تعتمد بطارية 4680 على كاثود النيكل العالي + مادة كاثود كربون السيليكون وتقنية العروة بدون إلكترود، مع كثافة طاقة تبلغ 300 وات/كجم، وسعة البطارية أعلى 5 مرات من حل 2170 الحالي، وطاقة الخرج هي 6 مرات أعلى. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتمتع بمزايا في كثافة الطاقة والطاقة وكفاءة الشحن.

2. أسطواني كبير: من المتوقع أن تزداد تطبيقات الليزر؛ متطلبات دقة المعدات العالية

2.1 بطارية أسطوانية كبيرة: خذ Tesla 4680 كمثال، الابتكارات التقنية مثل القطب الجاف والعروة الخالية من الإلكترود تستحق الاهتمام

وفقًا للورقة البحثية، تعد البطارية الأسطوانية 4680 ابتكارًا هيكليًا إضافيًا للبطارية الأسطوانية من الأصغر من 1865 إلى 2170. وبالمقارنة مع بطارية 2170 المستخدمة سابقًا، تقلل بطارية 4680 بشكل كبير من توليد الحرارة، وتحل مشكلة تبديد الحرارة لكثافة الطاقة العالية. الخلايا، ويزيد من الطاقة القصوى للشحن والتفريغ، مما يجعل بطارية 4680 في النهاية طاقة أكثر 5 مرات و6 أضعاف طاقة بطارية 2170، مع تقليل التكلفة بنسبة 14% وزيادة النطاق بنسبة 16%.

فيما يتعلق بالابتكار الهيكلي وعملية التصنيع، يتمتع الطراز 4680 بثلاثة ابتكارات تكنولوجية رئيسية مقارنة بالبطاريات السابقة - عملية القطب الجاف، وتقنية Lugless (كل العروة)، وتقنية CTC - والتي أدت إلى انخفاض تكاليف إنتاج الخلايا وتحسينات أكبر في الأداء. خذ تقنية Lugless كمثال، حيث يحول تصميم الخلية 4680 المجمع بأكمله إلى العروات، ولم يعد المسار الموصل يعتمد على العروات، ويتم تغيير ناقل الحركة الحالي من ناقل الحركة العرضي على طول العروات إلى لوحة المجمع إلى ناقل الحركة الطولي في المجمع، مما يقلل من المقاومة إلى 2MΩ واستهلاك المقاومة الداخلية من 2W إلى 0.2W.

2.2 عملية القطب الكهربائي الجاف: تكلفة منخفضة مقارنة بالعملية الرطبة التقليدية، ويكمن جوهرها في صياغة القطب ومعدات بثق الفيلم

تعد تقنية Maxwell للإلكترود الجاف مناسبة لكيمياء بطارية الليثيوم الحالية ومواد الأقطاب الكهربائية الجديدة المتقدمة، ولا يتم استخدام أي مذيب في عملية التصنيع، ويمكن توسيعها لتشمل إنتاج اللفائف، والتكنولوجيا الأساسية هي صياغة الأقطاب الكهربائية وتشكيل الأفلام معدات البثق.

(1) وفقًا للورقة البحثية "تقنية الطلاء الكهربائي الجاف" التي أعدها هيو دونج وجون شين ويودي يودي، تتكون تقنية ماكسويل للإلكترود الجاف من ثلاث خطوات: (1) خلط المسحوق الجاف، (2) صب المسحوق إلى الطلاء الرقيق، (3) ) طلاء رقيق وضغط جمع السوائل، جميع الخطوات الثلاث خالية من المذيبات. عملية ماكسويل للإلكترود الجاف قابلة للتطوير لتتوافق مع كيمياء بطارية الليثيوم أيون الحالية ومواد أقطاب البطارية الجديدة المتقدمة؛ على وجه التحديد، يتم استخدام عملية التجفيف الخاصة بشركة Maxwell لخلط المسحوق لتكوين مزيج مسحوق نهائي من المواد النشطة والمواد الرابطة والمواد المضافة الموصلة، والتي يتم بثقها وتقويمها لتشكيل خليط المسحوق يتم بثقه وتقويمه لتشكيل جاف مستمر ذاتي الدعم. - فيلم قطب كهربائي مطلي يمكن أيضًا لفه على شكل لفات. وأخيرًا، يتم ضغط طبقة القطب الرقيقة مع سائل المجمع لتشكيل قطب البطارية.

(2) فيما يتعلق بالمزايا، وفقًا للورقة البحثية "تقنية طلاء القطب الكهربائي الجاف" التي أعدها هيو دونج وجون شين ويودي يودي، يمكن تطبيق عملية القطب الكهربائي الجاف من ماكسويل على مواد البطاريات الكلاسيكية والمتقدمة ويمكن تمديدها إلى البكرة - إنتاج البكرة مقارنة بالأقطاب الكهربائية الرطبة التقليدية. (3) فيما يتعلق بالتكنولوجيا الأساسية، وفقًا لموقع Battery World Online، فإن التكنولوجيا الأساسية لعملية ماكسويل للإلكترود الجاف هي صياغة الإلكترود وتكنولوجيا ومعدات بثق تشكيل الفيلم.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق الأقطاب الكهربائية الجافة بطرق مختلفة مثل الليزر النبضي والترسيب المتخرق، والتي تتطلب عملية تلدين إضافية للفيلم مقارنة بعمليات القطب الكهربائي الرطب وماكسويل الجاف. وفقًا لورقة "التصنيع الخالي من المذيبات للأقطاب الكهربائية لبطاريات الليثيوم أيون" التي أعدها براندون لودفيج وتشانغفنغ تشنغ ووان شو ويان وانغ وهينغ بان، على عكس عملية تحضير القطب الرطب، يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية الجافة عن طريق ترسيب الليزر النبضي. يمكن تحقيق عملية القطب الجاف بطرق مختلفة مثل الليزر النبضي والترسيب المتخرق، والتي لا تتطلب التجفيف، ولكنها تتطلب تلدينًا إضافيًا للأغشية الرقيقة بسبب ارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن ترسيب الليزر النبضي. عملية إعداد القطب المقترح في هذه الورقة هي كما يلي.

(1) عملية إعداد القطب الرطب① عملية صب العجينة: يتم تصنيع أقطاب بطارية الليثيوم عن طريق صب عجينة (تحتوي على مادة نشطة في المذيبات والكربون الموصل والموثق) على مجمع المعادن. المادة الرابطة الأكثر شيوعًا هي PVDF (المذاب مسبقًا في المذيب NMP)، ويتم خلط الملاط الناتج وصبه على المجمع، والذي يجب تجفيفه لتبخير المذيب لإنتاج قطب كهربائي مسامي جاف. يستغرق التجفيف وقتًا طويلاً، عادةً 12-24 ساعة عند درجة حرارة 120درجةج. أيضًا، نظرًا لأن NMP مكلف وملوث، يجب تركيب نظام استرداد لاستعادة NMP المتبخر أثناء عملية التجفيف (إضافة استثمار رأسمالي كبير).

ترسيب الرذاذ الكهروستاتيكي القائم على المذيبات: يتم تطبيق مادة الإلكترود على المجمع باستخدام ترسيب الرذاذ الكهروستاتيكي القائم على المذيبات، أي يتم ذر المادة المودعة في فوهة وتطبيقها على المجمع؛ تظهر الأقطاب الكهربائية المصنعة بهذه الطريقة خصائص مشابهة للأقطاب الكهربائية المصبوبة بالملاط، مع عيب مماثل يتمثل في الحاجة إلى عملية تجفيف مكثفة تتطلب أيضًا الوقت والطاقة (ساعتان عند 400 درجة مئوية).درجةج). يتم إنتاج بطاريات الليثيوم أيضًا باستخدام تقنية الرش، حيث يتم رش كل مجموعة قطب كهربائي على السطح المطلوب باستخدام طلاء قائم على NMP، والذي لا يزال يتطلب التبخر بالمذيبات.

(2) يتم تحقيق عملية تحضير القطب الجاف بطرق مختلفة مثل الليزر النبضي والترسيب الاخرق. يتم تحقيق ترسيب الليزر النبضي من خلال تركيز الليزر على هدف يحتوي على المادة المراد ترسيبها، وبمجرد وصول الليزر إلى الهدف، تتبخر المادة ويتم ترسيبها على المجمع؛ على الرغم من عدم استخدام أي مذيب، إلا أن الفيلم المترسب يجب أن يتحمل درجات حرارة 650-800درجةC، في حين أن ترسيب المغنطرون الاخرق يمكن أن يقلل من درجة حرارة التلدين المطلوبة إلى 350درجةجيم - هذا الأسلوب ممثل لتصنيع القطب الكهربائي للخلايا الجافة، ولكن معدل الترسيب بطيء ويتطلب التلدين بدرجة حرارة عالية.

تعد عملية القطب الجاف أقل تكلفة من العملية الرطبة التقليدية، وذلك بشكل رئيسي من حيث تكلفة العمالة، والاستثمار في المعدات، ومساحة المصنع. وفقًا للورقة البحثية "التصنيع الخالي من المذيبات للأقطاب الكهربائية لبطاريات الليثيوم أيون" التي أعدها براندون لودفيج وتشانغفنغ تشنغ ووان شو ويان وانغ وهينغ بان، على سبيل المثال، سيناريو تصميم البطارية 1 على سبيل المثال، يبلغ إنتاج القطب الجاف 21.6% ، 14.2%، و13.1% أقل في العمالة المباشرة، وتكلفة المعدات، ومساحة المصنع، على التوالي، من إنتاج القطب الرطب، بافتراض أنه يتم إنتاج 100,000 خلية سنويًا.

2.3 تقنية Lugless (العروة الكاملة): تقليل المقاومة الداخلية للبطارية، وحجم اللحام بالليزر لأعلى، ومتطلبات دقة المعدات العالية

يمكن لتقنية (All-ear) أن تقلل بشكل كبير من المقاومة واستهلاك المقاومة الداخلية للبطارية. وفقًا لورقة Yulong Zhao "فحص تقنية Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan": 1) البطارية الأسطوانية التقليدية: يتم تكديس وجرح رقائق النحاس الإيجابية والسلبية وأغشية رقائق الألومنيوم، ويتم لحام سلك توجيه (عروة) في كل طرف من طرفي النحاس احباط ورقائق الألومنيوم من أجل قيادة القطب. (2) بطارية 4680: يتم تحويل المجمع بالكامل إلى العروة، ولم يعد المسار الموصل يعتمد على العروة، ويتم نقل التيار من ناقل الحركة العرضي على طول العروة إلى المجمع إلى النقل الطولي للمجمع، الموصل بالكامل تم تغيير الطول من 800-1000 مم من طول رقائق النحاس 1860 أو 2170 إلى تم تغيير طول الموصل بالكامل من 800-1000 مم من طول رقائق النحاس 1860 أو 2170 إلى 80 مم (ارتفاع الخلية)، مما يقلل من المقاومة إلى 2 مΩ واستهلاك المقاومة الداخلية من 2W إلى 0.2W، وهو ترتيب أقل من حيث الحجم.

ميزات التصميم الهيكلي: منطقة التلامس/التوصيل للعروة في أحد طرفي الخلية تساوي/أكبر من المجمع. وفقًا لبراءة اختراع تسلا "بدون العروة" التي استشهد بها الرقم العام الرسمي لـ GaoGong Lithium على WeChat، فإنها تصف قطبًا كهربائيًا واحدًا على الأقل كتركيب بطارية عديمة العروة، على وجه التحديد: 1) المستوى الأدنى من النواة: يتم ترك نهاية المجمع باللون الأبيض وغير مطلي مع المواد الإيجابية/السلبية، حيث يمكن فهم جزء المجمع على أنه عروة عامة، مفتاح Tesla للتصميم "بدون عروة" هو أن منطقة توصيل العروة هي نفسها تمامًا مثل المجمع، أو حتى منطقة اتصال العروة ومنطقة التوصيل أكبر من منطقة توصيل المجمع من خلال تصميم هيكل الغطاء المتنوع؛ 2) المستوى العلوي للنواة: إذا تم استخدام قطب كهربائي واحد فقط بدون محلول العروة، فإن الطرف العلوي يظل كما هو في التصميم الأساسي 18650، 21700. وفقًا لتحليل براءة الاختراع، يمكن لطرف واحد فقط من الوصلة الخالية من العروة تحقيق تأثير تقليل المقاومة الداخلية بمقدار 5 مرات.

(1) عملية الإنتاج: وفقًا للرقم العام الرسمي لشبكة مواد السيارات في WeChat، والذي تم الاستشهاد به في Automotive Home، هناك عمليتان لإنتاج العروات الحثية، أي القطع الأول ثم اللف، واللف الأول ثم القالب بالليزر. القطع، وتحديداً:① أولًا القطع ثم اللف: من خلال الحساب الدقيق، يتم تقطيع المادة إلى أجزاء عديدة قبل اللف. عندما يصل الملف إلى الطاقة المحددة مسبقًا، يتم إجراء اللحام. القطع بالليزر بعد اللف: يتم لف المادة مباشرة بغض النظر عن العرض والحجم، ويتم إجراء القطع بالليزر على المواد الزائدة بعد الوصول إلى الطاقة المحددة مسبقًا، الأمر الذي يتطلب دقة عالية.

(2) متطلبات المعدات: وفقًا للرقم العام الرسمي لـ WeChat لشبكة مواد السيارات، نقلاً عن معلومات الرقم العام لـ Auto House و GaoGong Lithium WeChat، من منظور معدات الإنتاج، هناك تغييرات كبيرة في ثلاثة جوانب في ظل التكنولوجيا غير -العروة القطبية (العروة القطبية الكلية)، وتحديداً:① عملية الطلاء: الشكل المنحني المعين للعروة القطبية بالكامل يسبب متطلبات أعلى لدقة المعدات، وستكون المساحة البيضاء على الحلقة الخارجية أكثر فأكثر من المساحة البيضاء على الحلقة الداخلية؛② معدات القطع: متطلبات عملية القطع بالليزر أعلى. (2) معدات القطع: متطلبات أعلى لعملية القطع بالليزر، وتناسب الفجوات في طبقة المواد بسبب حواف القطع غير المستوية؛ (3) اللحام بالليزر: يتم زيادة عدد الوصلات الملحومة في اللحام النقطي بالليزر لجميع العروات بأكثر من خمس مرات مقارنة بـ 21700. على وجه التحديد، وفقًا لعملية اللحام، على سبيل المثال، وفقًا لورقة تشاو يولونغ "Power Battery 4680 full" محتوى مسح تكنولوجيا العروة، لوحة العروة والمجمع الكاملة أو اتصال القشرة، متطلبات تكنولوجيا اللحام بالليزر أعلى، على وجه التحديد، من اللحام التقليدي ذو البقعتين إلى اللحام السطحي الكامل للعروة، أصبحت عملية اللحام وحجم اللحام أكثر، وكثافة الليزر وليس من السهل التحكم في الطول البؤري، وسهل اللحام من خلال الحرق إلى داخل القلب أو بدون لحام؛ بالإضافة إلى ذلك، تقترح بعض الشركات استخدام براءات اختراع الضغط بدلاً من اللحام للمجمع الحالي.

نأخذ تقنية CTC من Tesla كمثال ونحللها على النحو التالي: 1) على عكس حزمة البطارية 2170 التي تتكون من أربع وحدات، تعتمد حزمة البطارية 4680 تقنية CTC وتعمل حزمة البطارية كلوحة أساسية للمركبة. وفقًا لموقع InsideEV الرسمي، من العرض المقطعي لحزمة بطارية هيكل الطراز Y الجديدة التي تم عرضها في جولة مصنع Giga Berlin في أكتوبر 2021، فإن حزمة البطارية 4680 تلغي بشكل مباشر تصميم الوحدة وتعتمد تقنية CTC، التي تم ترتيبها بكثافة في هيكل السيارة، أي الجزء السفلي من الطراز Y المجهز بحزمة بطارية 4680 مجوف وتعمل حزمة البطارية بمثابة الجزء السفلي من الجسم. تعمل حزمة البطارية بمثابة الجزء السفلي. في المقابل، تحتوي بطارية 2170 في الطراز Y على أربع وحدات - وحدتان قصيرتان ووحدتان طويلتان. وتعتمد شركة الليثيوم الفضائية الخاصة بنا أيضًا على إتقان تكنولوجيا البطاريات الأسطوانية الكبيرة وهي أيضًا رائدة بعيدة:http://www.optimum-china.com