Dari baterai blade BYD, hingga baterai bebas kobalt Honeycomb Energy, dan kemudian baterai natrium-ion era CATL, industri baterai daya telah mengalami inovasi berkelanjutan.23 September 2020 - Hari Baterai Tesla, CEO Tesla Elon Musk menunjukkan kepada dunia baterai baru – baterai 4680.
Sebelumnya, ukuran baterai lithium silinder sebagian besar adalah 18650 dan 21700, dan 21700 memiliki energi 50% lebih banyak daripada 18650.Baterai 4680 memiliki kapasitas sel lima kali lipat dari baterai 21700, dan baterai baru dapat mengurangi biaya per kilowatt-jam sekitar 14% dan meningkatkan jangkauan jelajah sebesar 16%.
Musk dengan blak-blakan menyatakan bahwa baterai ini akan memungkinkan mobil listrik seharga $25.000.
Jadi, dari mana asal baterai yang mengancam ini?Selanjutnya kita analisa satu per satu.
1. Apa itu baterai 4680?
Cara Tesla memberi nama baterai listrik sangat sederhana dan lugas.Baterai 4680, seperti namanya, merupakan baterai berbentuk silinder dengan diameter sel tunggal 46mm dan tinggi 80mm.
Tiga ukuran baterai silinder lithium-ion yang berbeda
Terlihat dari gambar, dibandingkan dengan baterai 18650 dan baterai 21700 asli Tesla, baterai 4680 terlihat seperti pria yang tinggi dan kuat.
Namun baterai 4680 bukan sekedar perubahan ukuran, Tesla telah memasukkan banyak teknologi baru untuk meningkatkan kinerja.
Kedua, teknologi baru baterai 4680
1. Desain telinga tanpa elektroda
Secara intuitif, perasaan terbesar dari 4680 adalah ukurannya yang lebih besar.Jadi mengapa produsen lain tidak membuat baterainya lebih besar di masa lalu.Hal ini karena semakin besar volume dan semakin tinggi energinya, panas semakin sulit dikendalikan dan semakin besar pula ancaman keselamatan akibat pembakaran dan ledakan.
Tesla rupanya telah mempertimbangkan hal ini juga.
Dibandingkan dengan baterai silinder sebelumnya, inovasi struktural terbesar dari baterai 4680 adalah lug tanpa elektroda, yang juga dikenal sebagai lug penuh.Dalam baterai silinder tradisional, foil tembaga positif dan negatif serta pemisah aluminium foil ditumpuk dan digulung.Untuk menarik keluar elektroda, kawat timah yang disebut tab dilas ke kedua ujung kertas tembaga dan aluminium foil.
Panjang belitan baterai tradisional tahun 1860 adalah 800mm.Mengambil contoh foil tembaga dengan konduktivitas yang lebih baik, panjang tab untuk mengalirkan listrik dari foil tembaga adalah 800mm, yang setara dengan arus yang melewati kawat sepanjang 800mm.
Berdasarkan perhitungan, resistansinya sekitar 20mΩ, panjang belitan baterai 2170 sekitar 1000mm, dan resistansinya sekitar 23mΩ.Dapat dengan mudah diubah bahwa film dengan ketebalan yang sama perlu digulung menjadi baterai 4680, dan panjang belitan sekitar 3800mm.
Ada banyak kerugian dalam menambah panjang belitan.Elektron perlu menempuh jarak yang lebih jauh untuk mencapai tab di kedua ujung baterai, hambatannya akan meningkat, dan baterai akan lebih rentan terhadap panas.Kinerja baterai akan menurun dan bahkan menimbulkan masalah keamanan.Untuk memperpendek jarak tempuh elektron, baterai 4680 menggunakan teknologi telinga tanpa elektroda.
Tab tanpa elektroda tidak memiliki tab, tetapi mengubah seluruh pengumpul arus menjadi tab, jalur konduktif tidak lagi bergantung pada tab, dan arus ditransfer dari transmisi lateral sepanjang tab ke pelat kolektor ke transmisi longitudinal kolektor saat ini.
Seluruh panjang konduktif telah berubah dari 800 menjadi 1000mm dari panjang foil tembaga 1860 atau 2170 menjadi 80mm (tinggi baterai).Resistansi dikurangi menjadi 2mΩ, dan konsumsi resistansi internal berkurang dari 2W menjadi 0,2W, yang secara langsung dikurangi dengan urutan besarnya.
Desain ini sangat mengurangi impedansi baterai dan memecahkan masalah pemanasan baterai silinder.
Di satu sisi, teknologi telinga tanpa elektroda meningkatkan area konduksi arus, memperpendek jarak konduksi arus, dan sangat mengurangi resistansi internal baterai;pengurangan resistansi internal dapat mengurangi fenomena offset arus dan memperpanjang masa pakai baterai;pengurangan resistansi juga dapat mengurangi timbulnya panas, dan lapisan konduktif elektroda Area kontak efektif antara lapisan dan tutup ujung baterai dapat mencapai 100%, yang dapat meningkatkan kapasitas pembuangan panas.
Baterai 4680 mengadopsi teknologi telinga tanpa elektroda jenis baru dalam hal struktur sel, yang dapat mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi.Di sisi lain, proses pengelasan tab dihilangkan, efisiensi produksi ditingkatkan, dan tingkat cacat yang disebabkan oleh pengelasan dapat dikurangi pada saat yang bersamaan.
Diagram skema struktur monopole dan full-pole
2. Dikombinasikan dengan teknologi CTC
Secara umum, semakin besar ukuran baterai, semakin sedikit baterai yang perlu dipasang pada kendaraan yang sama.Dengan 18650 sel, sebuah Tesla membutuhkan 7100 sel.Jika menggunakan baterai 4680, Anda hanya membutuhkan 900 baterai.
Semakin sedikit baterainya, semakin cepat perakitannya, semakin tinggi efisiensinya, semakin kecil kemungkinan terjadinya masalah pada sambungan perantara, dan semakin murah harganya.Menurut Tesla, 4680 yang besar dapat menurunkan harga produksi baterai sebesar 14%.
Untuk meningkatkan kepadatan energi paket baterai, baterai 4680 akan dikombinasikan dengan teknologi CTC (Cell to Chassis).Ini untuk mengintegrasikan sel baterai langsung ke sasis.Dengan melepas seluruh modul dan paket baterai, sel baterai menjadi lebih kompak, jumlah komponen baterai akan sangat berkurang, dan pemanfaatan ruang pada sasis juga akan sangat meningkat.
CTC memiliki persyaratan tertentu mengenai kekuatan struktural baterai.Baterainya sendiri harus menanggung banyak kekuatan mekanis.Dibandingkan dengan baterai 18650 dan 2170, baterai tunggal 4680 memiliki kekuatan struktural yang lebih besar dan kekuatan struktural yang lebih tinggi, dan baterai cangkang persegi umumnya adalah cangkang aluminium.Cangkang 4680 terbuat dari baja tahan karat, dan kekuatan struktural bawaannya terjamin.
Dibandingkan dengan baterai cangkang persegi, tata letak baterai silinder akan lebih fleksibel, dapat beradaptasi dengan berbagai sasis yang berbeda, dan dapat digabungkan dengan lebih baik dengan lokasi.
Menurut penelitian dan penilaian “EMF”, teknologi CTC adalah tuyere kendaraan energi baru pada tahun 2022, dan juga merupakan persimpangan jalan.
Integrasi baterai ke dalam bodi dapat membuat perawatan kendaraan menjadi sangat rumit, dan baterai sulit diganti secara mandiri.Harga layanan purna jual akan meningkat dan biaya tersebut akan langsung dibebankan kepada konsumen, seperti biaya asuransi.Meskipun Musk mengklaim bahwa mereka telah merancang rel perbaikan yang dapat dipotong dan diganti, perlu waktu untuk melihat seberapa baik kinerjanya.
Banyak perusahaan mobil yang mengusulkan solusi teknis CTC mereka sendiri, karena tidak hanya menata ulang baterai, tetapi juga perlu mengubah struktur bodi.Hal ini terkait dengan adanya kembali pembagian kerja pada rantai pasok industri terkait.
CTC hanyalah jalur teknis.Ini adalah bodi baterai yang terintegrasi, pembongkaran tidak berubah.Ada teknologi lain di baliknya – pertukaran baterai.Teknologi pertukaran baterai mudah untuk dibongkar, namun baterai memberikan kontribusi yang besar terhadap kekuatan baterai.Cara memilih kedua rute ini adalah permainan antara pemasok baterai dan OEM.
Teknologi CTC dipadukan dengan baterai 4680
3. Inovasi dalam proses produksi baterai, bahan katoda dan anoda
Tesla akan menggunakan proses elektroda baterai kering, alih-alih menggunakan pelarut, sejumlah kecil (sekitar 5-8%) pengikat PTFE bubuk halus dicampur dengan bubuk elektroda positif/negatif, dilewatkan melalui ekstruder untuk membentuk strip tipis bahan elektroda, dan kemudian Sepotong bahan elektroda dilaminasi ke pengumpul arus foil logam untuk membentuk elektroda jadi.
Baterai yang diproduksi dengan cara ini lebih ramah lingkungan.Dan proses ini akan meningkatkan kepadatan energi baterai dan mengurangi konsumsi energi produksi sebanyak 10 kali lipat.Teknologi elektroda kering kemungkinan besar akan menjadi tolok ukur teknologi generasi berikutnya.
Teknologi elektroda kering baterai Tesla 4680
Dari segi material katoda, Tesla juga mengatakan akan menghilangkan unsur kobalt pada katoda.Cobalt mahal dan langka.Mineral ini hanya dapat ditambang di sedikit negara di dunia, atau di negara-negara Afrika yang tidak stabil seperti Kongo.Jika baterai benar-benar dapat menghilangkan unsur kobalt, maka dapat dikatakan sebagai inovasi teknologi yang besar.
Kobalt
Dalam hal bahan anoda, Tesla akan memulai dengan bahan silikon dan menggunakan lebih banyak silikon untuk menggantikan grafit yang digunakan saat ini.Kapasitas spesifik teoritis elektroda negatif berbasis silikon mencapai 4200mAh/g, sepuluh kali lebih tinggi dibandingkan elektroda negatif grafit.Namun, elektroda negatif berbasis silikon juga memiliki masalah seperti perluasan volume silikon yang mudah, konduktivitas listrik yang buruk, dan kehilangan muatan-pengosongan awal yang besar.
Oleh karena itu, peningkatan kinerja material sebenarnya untuk menemukan keseimbangan antara kepadatan energi dan stabilitas, dan produk anoda berbasis silikon saat ini diolah dengan silikon dan grafit untuk penggunaan komposit.
Tesla berencana untuk secara mendasar mengubah kelenturan permukaan silikon agar tidak mudah rusak, sebuah teknologi yang tidak hanya memungkinkan baterai terisi lebih cepat, namun juga meningkatkan masa pakai baterai sebesar 20 persen.Tesla menamai material barunya “Tesla Silicon”, dan biayanya $1,2/KWh, yang hanya sepersepuluh dari proses silikon terstruktur yang ada.
Anoda berbasis silikon dianggap sebagai bahan anoda baterai litium generasi berikutnya.
Beberapa model di pasaran sudah mulai menggunakan bahan anoda berbahan silikon.Model seperti Tesla Model 3 sudah memasukkan sejumlah kecil silikon ke dalam elektroda negatif.Baru-baru ini, model GAC AION LX Plus diluncurkan.Versi Qianli dilengkapi dengan teknologi baterai chip anoda silikon spons, yang mampu mencapai masa pakai baterai hingga 1.000 kilometer.
Anoda silikon baterai 4680
Kesimpulannya, keunggulan teknologi baterai 4680 adalah dapat meningkatkan kinerja sekaligus mengurangi biaya.
3. Dampak luas dari 4680 baterai
Baterai 4680 bukanlah revolusi teknologi subversif, bukan terobosan dalam kepadatan energi, namun lebih merupakan inovasi dalam teknologi proses.
Namun didorong oleh Tesla, untuk pola pasar energi baru saat ini, produksi 4680 baterai akan mengubah pola baterai yang ada.Industri ini pasti akan memicu gelombang baterai silinder bervolume besar.
Menurut laporan, Panasonic berencana memulai produksi massal 4.680 baterai berkapasitas besar untuk Tesla pada awal tahun 2023.Investasi baru ini akan mencapai 80 miliar yen (sekitar US$704 juta).Samsung SDI dan LG Energy juga bergabung dalam pengembangan baterai 4680.
Di dalam negeri, Yiwei Lithium Energy mengumumkan bahwa anak perusahaannya Yiwei Power berencana membangun lini produksi baterai silinder besar berkapasitas 20GWh untuk kendaraan penumpang di Zona Teknologi Tinggi Jingmen.Baterai BAK dan Honeycomb Energy juga akan memasuki bidang baterai silinder besar.BMW dan CATL juga aktif menggunakan baterai silinder besar, dan pola dasarnya telah ditentukan.
Tata Letak Baterai Silinder Produsen Baterai
Keempat, gaya gerak listrik mempunyai maksud tertentu
Inovasi struktural baterai silinder besar tidak diragukan lagi akan mendorong perkembangan industri baterai listrik.Tidak sesederhana sekedar mengupgrade dari baterai ke-5 ke baterai ke-1.Tubuhnya yang gemuk mempunyai pertanyaan-pertanyaan besar.
Biaya baterai mendekati 40% dari biaya keseluruhan kendaraan.Pentingnya baterai sebagai “jantung” sudah terbukti dengan sendirinya.Namun, dengan popularitas kendaraan energi baru, permintaan baterai meningkat dari hari ke hari, dan harga bahan pun meningkat.Inovasi baterai telah menjadi cara penting bagi perusahaan mobil untuk berkembang.
Dengan berkembangnya teknologi terkait baterai, kendaraan listrik yang terjangkau kini semakin dekat!
Waktu posting: 13 Juni 2022