Pin Li-ion công nghệ mới

Công nghệ mới pin Li-ion: tập trung vào xi lanh lớn, lõi dài và các cơ hội đổi mới khác

1. Phát triển pin: sạc cực nhanh, an toàn và hiệu suất khác là hướng chính; tập trung vào các hình trụ lớn, ô dài và sự đổi mới về cấu trúc khác

1.1 Xu hướng hiệu suất pin: bố trí nhà máy sản xuất pin với tỷ lệ năng lượng cao, sạc cực nhanh và an toàn cũng như các hướng kỹ thuật khác

Ningde Time, BYD và các nhà máy sản xuất pin lõi khác đang hướng tới tỷ lệ năng lượng cao, công nghệ sạc siêu nhanh và an toàn cho pin, và lộ trình hiện thực hóa bao gồm đổi mới cấu trúc, đổi mới vật liệu, v.v.

    Ningde Times, nhà máy sản xuất pin hàng đầu, đã đặt ra sáu hướng như tỷ lệ năng lượng cao, sạc siêu nhanh và an toàn thực sự, đồng thời các loại công nghệ bao gồm đổi mới cấu trúc, đổi mới vật liệu và đổi mới quản lý. Theo trang web chính thức của Ningde Times, chúng ta có thể thấy rằng Ningde Times đã đặt ra sáu hướng đổi mới cấu trúc, đổi mới vật liệu và đổi mới quản lý, đó là năng lượng riêng cao, tuổi thọ cao, sạc cực nhanh, an toàn thực sự, tự chủ kiểm soát nhiệt độ và quản lý thông minh. Lấy sạc siêu nhanh làm ví dụ, sạc siêu nhanh của Ningde Time đề cập đến mức sạc nhanh nhất từ ​​5 phút đến 80%, về mặt cấu trúc, miếng cực nhiều độ dốc và phương pháp nhiều tai được áp dụng, cụ thể:① mảnh cực nhiều độ dốc: bằng cách điều chỉnh sự phân bố gradient của cấu trúc xốp của mảnh cực, lớp trên có cấu trúc độ xốp cao, lớp dưới của cấu trúc mật độ rắn áp suất cao, có tính đến lõi kép có mật độ năng lượng cao và sạc siêu nhanh;② đa tai: phát triển không gian đa chiều (2) Đa lớp: phát triển công nghệ vấu không gian đa chiều, giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu lực dòng điện của mảnh cực và vượt qua nút thắt kỹ thuật do tăng nhiệt độ cao của pin tế bào trong quá trình sạc trực tiếp 500A.

1.2 Đổi mới cấu trúc/pin mới: hình trụ lớn, cell dài, v.v. là những hướng bố trí quan trọng cho các nhà máy sản xuất pin

Chúng tôi đã nghiên cứu về dạng pin, tiến độ sản xuất hàng loạt, chỉ số hiệu suất và các đặc điểm thuận lợi của các nhà máy sản xuất pin lớn đang tích cực sản xuất các dạng pin mới như xi lanh lớn và ô dài. Lấy Honeycomb Energy làm ví dụ, thế hệ thứ hai của tế bào mỏng dài nhiều lớp L600 đã hoàn tất quá trình phát triển và dự kiến ​​sẽ đạt được sản xuất hàng loạt vào Q3 2022; Về chỉ số hiệu suất, công suất của tế bào đơn L600 đã tăng lên 196Ah, mật độ năng lượng lớn hơn 185wh/kg và mật độ năng lượng thể tích lớn hơn 430wh/L, có các tính năng ưu việt như khả năng tương thích cao, khả năng thích ứng cao, độ an toàn cao và cuộc sống lâu dài.

(2) Hình trụ lớn: Tesla, BAK, EVERLIGHT và các nhà máy sản xuất pin khác đang sản xuất pin hình trụ lớn. Lấy Tesla làm ví dụ, pin 4680 sử dụng vật liệu catốt niken cao + cathode silicon carbon và công nghệ vấu không điện cực, với mật độ năng lượng 300Wh/kg, dung lượng pin cao gấp 5 lần so với giải pháp 2170 hiện tại và công suất đầu ra là cao hơn 6 lần. Ngoài ra, nó còn có lợi thế về mật độ năng lượng, năng lượng và hiệu quả sạc.

2. Hình trụ lớn: ứng dụng laser dự kiến ​​sẽ tăng lên; yêu cầu độ chính xác thiết bị cao

2.1 Pin hình trụ lớn: Lấy Tesla 4680 làm ví dụ, những cải tiến kỹ thuật như điện cực khô và vấu không điện cực rất đáng được quan tâm

Theo bài báo, pin hình trụ 4680 là một sự đổi mới về cấu trúc hơn nữa của pin hình trụ từ 1865 đến 2170 nhỏ hơn. So với pin 2170 đã sử dụng trước đây, pin 4680 giảm đáng kể sự sinh nhiệt, giải quyết vấn đề tản nhiệt ở mật độ năng lượng cao tế bào, đồng thời tăng công suất sạc và xả tối đa, cuối cùng làm cho pin 4680 có năng lượng gấp 5 lần và năng lượng gấp 6 lần so với pin 2170, đồng thời giảm chi phí 14% và tăng phạm vi hoạt động lên 16%.

Về mặt đổi mới cấu trúc và quy trình sản xuất, 4680 có ba cải tiến công nghệ lớn so với các loại pin trước đây - quy trình điện cực khô, không có vấu (tất cả vấu) và công nghệ CTC - giúp giảm chi phí sản xuất pin và cải thiện hiệu suất cao hơn. Lấy công nghệ không có vấu làm ví dụ, thiết kế ô 4680 biến toàn bộ bộ thu thành các vấu, đường dẫn điện không còn phụ thuộc vào các vấu và việc truyền dòng điện được thay đổi từ truyền ngang dọc theo vấu đến tấm thu sang truyền dọc trong bộ thu, làm giảm điện trở xuống 2mΩ và mức tiêu thụ điện trở trong từ 2W đến 0.2W.

2.2 Quy trình điện cực khô: chi phí thấp so với quy trình ướt truyền thống, cốt lõi nằm ở công thức điện cực và thiết bị ép đùn màng

Công nghệ điện cực khô Maxwell phù hợp với hóa học pin lithium hiện tại và vật liệu điện cực mới tiên tiến, không sử dụng dung môi trong quy trình sản xuất và có thể mở rộng sang sản xuất dạng cuộn và công nghệ cốt lõi là tạo công thức điện cực và tạo màng thiết bị đùn.

(1) Theo bài viết “Công nghệ phủ điện cực khô” của Hiếu Dương, Joon Shin & Yudi Yudi, công nghệ điện cực khô của Maxwell gồm 3 bước: (i) trộn bột khô, (ii) đúc bột thành lớp phủ mỏng, (iii) ) lớp phủ mỏng và ép thu chất lỏng, cả ba bước đều không có dung môi. Quy trình điện cực khô của Maxwell có thể mở rộng cho các ngành hóa học pin lithium-ion hiện tại và các vật liệu điện cực pin mới tiên tiến; Cụ thể, quy trình sấy khô độc quyền của Maxwell được sử dụng để trộn bột tạo thành hỗn hợp bột cuối cùng gồm các hoạt chất, chất kết dính và chất phụ gia dẫn điện, được ép đùn và cán thành hình. Hỗn hợp bột được ép đùn và cán thành hỗn hợp bột khô liên tục, tự hỗ trợ. -màng điện cực được phủ cũng có thể được cuộn thành cuộn. Cuối cùng, lớp điện cực mỏng được ép cùng với chất lỏng thu để tạo thành điện cực pin.

(2) Xét về ưu điểm, theo bài báo “Công nghệ phủ điện cực khô” của Hiếu Dương, Joon Shin & Yudi Yudi, quy trình điện cực khô Maxwell có thể áp dụng cho các vật liệu pin cổ điển, tiên tiến và có thể mở rộng sang reel-to -Sản xuất cuộn so với điện cực ướt truyền thống. (3) Về công nghệ cốt lõi, theo Battery World Online, công nghệ cốt lõi của quy trình điện cực khô của Maxwell là công thức và thiết bị điện cực và ép đùn tạo màng.

Ngoài ra, điện cực khô có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như laser xung và lắng đọng phún xạ, đòi hỏi quá trình ủ màng bổ sung so với quá trình điện cực ướt và khô Maxwell. Theo bài báo "Sản xuất điện cực không dung môi cho pin lithium-ion" của Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan, không giống như quy trình chuẩn bị điện cực ướt, điện cực khô có thể được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng xung laser. Quá trình điện cực khô có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau như laser xung và lắng đọng phún xạ, không cần sấy khô nhưng cần ủ màng mỏng bổ sung do nhiệt độ cao gây ra bởi sự lắng đọng xung laser. Quy trình chuẩn bị điện cực được đề xuất trong bài báo này như sau.

(1) Quy trình chuẩn bị điện cực ướt① Quá trình đúc dán: Các điện cực của pin lithium được chế tạo bằng cách đúc một hỗn hợp sệt (chứa vật liệu hoạt tính trong dung môi, carbon dẫn điện và chất kết dính) trên bộ thu kim loại. Chất kết dính phổ biến nhất là PVDF (hòa tan trước trong dung môi NMP), và hỗn hợp bùn thu được được trộn và đúc trên bộ thu, phải được làm khô để làm bay hơi dung môi nhằm tạo ra điện cực xốp khô. Quá trình sấy khô mất nhiều thời gian, thường là 12-24 giờ ở mức 120bằng cấpC. Ngoài ra, do NMP tốn kém và gây ô nhiễm nên phải lắp đặt hệ thống thu hồi để thu hồi NMP bay hơi trong quá trình sấy khô (thêm vốn đầu tư đáng kể).

Lắng đọng phun tĩnh điện dựa trên dung môi: Vật liệu điện cực được áp dụng cho bộ thu bằng cách sử dụng phương pháp lắng đọng phun tĩnh điện dựa trên dung môi, tức là vật liệu lắng đọng được nguyên tử hóa trong vòi phun và áp dụng cho bộ thu; các điện cực được chế tạo theo cách này thể hiện các đặc tính tương tự như các điện cực đúc bằng bùn, với nhược điểm tương tự là cần một quá trình sấy khô chuyên sâu cũng đòi hỏi thời gian và năng lượng (2 giờ ở 400bằng cấpC). Pin lithium cũng được sản xuất bằng kỹ thuật phun, trong đó mỗi cụm điện cực được phun lên bề mặt mong muốn bằng lớp phủ dựa trên NMP, lớp phủ này vẫn cần bay hơi dung môi.

(2) Quá trình chuẩn bị điện cực khô được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như xung laser và lắng đọng phún xạ. Sự lắng đọng xung laser đạt được bằng cách tập trung tia laser vào mục tiêu chứa vật liệu cần lắng đọng và khi tia laser chạm vào mục tiêu, vật liệu sẽ bay hơi và lắng đọng trên bộ thu; mặc dù không sử dụng dung môi nhưng màng lắng phải chịu được nhiệt độ 650-800bằng cấpC, trong khi lắng đọng phún xạ magnetron có thể giảm nhiệt độ ủ cần thiết xuống 350bằng cấpC. Phương pháp này là đại diện cho chế tạo điện cực tế bào khô, nhưng tốc độ lắng đọng chậm và yêu cầu ủ ở nhiệt độ cao.

Quá trình điện cực khô ít tốn kém hơn so với quy trình ướt truyền thống, chủ yếu về chi phí nhân công, đầu tư thiết bị và không gian nhà máy. Theo bài báo "Sản xuất điện cực không dung môi cho pin lithium-ion" của Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan, ví dụ, Kịch bản thiết kế pin 1 chẳng hạn, sản lượng điện cực khô là 21,6%. , lần lượt là 14,2% và 13,1% về lao động trực tiếp, chi phí thiết bị và diện tích nhà máy so với sản xuất điện cực ướt, giả sử rằng 100,{10}} tế bào được sản xuất mỗi năm.

2.3 Công nghệ Lugless (all-lug): giảm điện trở trong của pin, khối lượng hàn laser tăng lên, yêu cầu độ chính xác của thiết bị cao

Công nghệ (all-ear) có thể làm giảm đáng kể điện trở và mức tiêu thụ điện trở bên trong của pin. Theo bài báo "Quét công nghệ pin 4680 Full Lug" của Yulong Zhao: 1) Pin hình trụ truyền thống: lá đồng dương và âm và màng nhôm được xếp chồng lên nhau và quấn, và một dây dẫn hướng (vòng) được hàn ở mỗi đầu của đồng giấy bạc và lá nhôm để dẫn điện cực. (2) Pin 4680: toàn bộ bộ thu biến thành một vấu, đường dẫn không còn phụ thuộc vào vấu, dòng điện được truyền từ truyền ngang dọc theo vấu đến bộ thu sang đường truyền dọc của bộ thu, toàn bộ dây dẫn chiều dài được thay đổi từ 800-1000mm của chiều dài lá đồng 1860 hoặc 2170 thành Toàn bộ chiều dài dẫn điện được thay đổi từ 800-1000mm của chiều dài lá đồng 1860 hoặc 2170 thành 80mm (chiều cao ô), làm giảm điện trở đến 2mΩ và mức tiêu thụ điện trở trong từ 2W đến 0.2W, thấp hơn một bậc.

Đặc điểm thiết kế kết cấu: diện tích tiếp xúc/dẫn điện của vấu ở một đầu của tế bào bằng/lớn hơn bộ thu. Theo bằng sáng chế "không có ổ cắm" của Tesla được trích dẫn bởi số công khai WeChat chính thức của GaoGong Lithium, nó mô tả ít nhất một điện cực là giá đỡ pin không có ổ cắm, cụ thể: 1) Cấp độ thấp hơn của lõi: phần cuối của bộ thu được để lại màu trắng và không được phủ với các vật liệu dương/âm, trong đó bộ phận thu có thể được hiểu là một vấu tổng quát, Tesla Chìa khóa của thiết kế "không có tai" là vùng dẫn của vấu hoàn toàn giống với bộ thu, hoặc thậm chí là vùng tiếp xúc của vấu và vùng dẫn điện lớn hơn diện tích dẫn điện của bộ thu thông qua thiết kế cấu trúc đa dạng của vỏ bọc; 2) cấp trên của lõi: nếu chỉ sử dụng một điện cực không có giải pháp vấu thì phần trên vẫn giống như thiết kế lõi 18650, 21700. Theo phân tích bằng sáng chế, chỉ một đầu của kết nối không có vấu có thể đạt được hiệu quả giảm điện trở trong xuống 5 lần.

(1) Quy trình sản xuất: Theo số công khai chính thức của WeChat của Mạng Vật liệu Ô tô, được trích dẫn trong Trang chủ Ô tô, có hai quy trình sản xuất vấu cảm ứng, tức là cắt đầu tiên rồi cuộn dây, và cuộn dây đầu tiên rồi đến khuôn laser- cắt, cụ thể:① Đầu tiên cắt rồi quấn: Qua tính toán chính xác, vật liệu được cắt thành nhiều phần trước khi quấn. Khi cuộn dây đạt đến năng lượng đặt trước thì quá trình hàn được thực hiện. Cắt bế bằng laser sau khi quấn: vật liệu được quấn trực tiếp bất kể chiều rộng và kích thước, việc cắt khuôn bằng laser được thực hiện trên vật liệu dư thừa sau khi đạt năng lượng định trước, đòi hỏi độ chính xác cao.

(2) Yêu cầu về thiết bị: Theo số công khai WeChat chính thức của Mạng Vật liệu Ô tô, trích dẫn thông tin của số công khai Auto House và GaoGong Lithium WeChat, từ góc độ thiết bị sản xuất, có những thay đổi lớn về ba khía cạnh theo công nghệ không -vòng cực (vòng cực), cụ thể là:① quá trình phủ: hình dạng cong nhất định của vấu toàn cực gây ra yêu cầu cao hơn về độ chính xác của thiết bị và khoảng trắng ở vòng ngoài sẽ ngày càng nhiều hơn khoảng trắng ở vòng trong;② thiết bị cắt: yêu cầu đối với quá trình cắt khuôn bằng laser cao hơn. (2) thiết bị cắt: yêu cầu cao hơn đối với quy trình cắt khuôn bằng laser và các khoảng trống trong lớp vật liệu phù hợp do các cạnh cắt không đồng đều; (3) hàn laser: số lượng mối hàn trong hàn điểm laser của tất cả các vấu tăng hơn năm lần so với 21700. Cụ thể, theo quy trình hàn chẳng hạn, theo bài báo "Power Battery 4680 full" của Zhao Yulong nội dung quét công nghệ lug", toàn bộ lug và tấm thu hoặc kết nối vỏ, yêu cầu công nghệ hàn laser cao hơn, đặc biệt, từ hàn hai điểm lug truyền thống đến hàn toàn bộ bề mặt lug, quá trình hàn và khối lượng hàn đã trở nên nhiều hơn, cường độ laser và tiêu cự không dễ kiểm soát, dễ hàn xuyên qua đốt cháy vào bên trong lõi hoặc không hàn;. Ngoài ra, một số công ty đề xuất sử dụng bằng sáng chế lắp ép thay vì hàn cho bộ thu hiện tại.

Chúng tôi lấy công nghệ CTC của Tesla làm ví dụ và phân tích nó như sau: 1) Không giống như bộ pin 2170 bao gồm bốn mô-đun, bộ pin 4680 áp dụng công nghệ CTC và bộ pin đóng vai trò là tấm đế của xe. Theo trang web chính thức của InsideEV, từ góc nhìn mặt cắt của bộ pin cấu trúc Model Y mới được trưng bày tại chuyến tham quan nhà máy Giga Berlin vào tháng 10 năm 2021, bộ pin 4680 trực tiếp loại bỏ thiết kế mô-đun và áp dụng công nghệ CTC, được bố trí dày đặc trong gầm xe, tức là phần dưới của Model Y được trang bị bộ pin 4680 được khoét rỗng và bộ pin đóng vai trò như gầm xe. Bộ pin đóng vai trò là gầm xe. Ngược lại, pin 2170 trong Model Y có bốn mô-đun - hai mô-đun ngắn và hai mô-đun dài. Và công ty lithium hàng không vũ trụ của chúng tôi cũng dựa trên nền tảng làm chủ công nghệ pin hình trụ lớn cũng là công ty dẫn đầu ở khoảng cách xa:http://www.optimum-china.com