Кафедра производственной инженерии компонентов электромобилей (PEM) Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена разобрала тяговые батареи Tesla и ведущего китайского производителя электромобилей BYD. Сравниваются конструкция, материалы, производительность и технологический процесс призматической ячейки BYD Blade и цилиндрической ячейки Tesla 4680.
Механическое проектирование и производственный процесс
Основное различие между ячейкой Tesla 4680 и ячейками BYD Blade заключается в их форматах. Ячейка Tesla 4680 представляет собой цилиндрическую ячейку диаметром 46 мм и высотой 80 мм, используемую в моделях класса Model Y 2022 года. Ячейка BYD Blade представляет собой призматическую ячейку с размерами 90 мм в высоту, 965 мм в длину и 14 мм в толщину.
Ячейка BYD имеет резьбовые боковые клеммы, что позволяет легко разъединять соединения ячеек. Призматический формат является единственным форматом, который допускает такие соединения. Кроме того, он включает штифты с обеих сторон, вероятно, для механического позиционирования в конфигурации пакета. Алюминиевый корпус ячейки BYD изолирован клейкой полиэтилентерефталатной (ПЭТ) фольгой, тогда как (предположительно) никелированная стальная банка ячейки Tesla 4680 не имеет прямой изоляции на уровне корпуса ячейки.
Ячейка Tesla 4680 использует химию NMC811, а ячейка BYD Blade использует химию LFP.
Емкости ячеек и номинальные напряжения измерялись при циклах зарядки и разрядки постоянным током и постоянным напряжением (CCCV) C/10 с отсечкой CV при токе C/20, усредняя зарядные и разрядные емкости ячеек. Окно напряжения основывалось на пределах LFP и NMC811 с химией ячейки с графитовым анодом. Сравнивая ячейки на уровне ячеек, плотность энергии ячейки Tesla 4680 превосходит плотность энергии ячейки BYD Blade с запасом в 1,5× гравиметрически и в 1,8× объемно.
Экспериментально достигнутые плотности энергии на уровне материала для применяемых катодных материалов (CAM) составляют 720 Вт·ч/кг для NMC811 и 528 Вт·ч/кг для LFP. При делении плотностей энергии на уровне элемента на эти плотности энергии на уровне материала коэффициенты использования CAM составляют 33,45% для элемента Tesla 4680 и 30,3% для элемента BYD Blade. Таким образом, обе ячейки имеют относительно близкое весовое использование CAM. Это важно, поскольку более крупный элемент обычно обеспечивает улучшенное использование из-за уменьшенной доли пассивных компонентов. Емкость поверхности катода рассчитывалась путем деления номинальной емкости элемента на общую площадь покрытия катода. В таблице обобщены основные параметры на уровне элемента.
| Ячейка Tesla 4680 | Ячейка BYD Blade | |
|---|---|---|
| Номинальная емкость, А·ч | 23,125 | 135 |
| Номинальная энергия, Вт·ч | 85,56 | 432 |
| Номинальное напряжение, В | 3,7 | 3,2 |
| Окно напряжения, В | 2,5-4,3 | 2,6-3,65 |
| Масса | 355 г | 2,7 ± 0,3 кг |
| Объем, мл | 133 | 1,216 |
| Плотность энергии (гравиметрическая), Вт·ч/кг | 241,01 | 160 |
| Плотность энергии (объемная), Вт·ч/л | 643,3 | 355,263 |
| Поверхностная емкость катода (расчетная), мАч/см2 | 4,99 | 2,393 |
| Диаметр/длина, мм | 46 | 965 |
| Высота, мм | 80 | 90 |
| Толщина, мм | – | 14 |
| Толщина стенки банки (стороны), мм | 0,4 | 0,3 |
| Сепаратор, мкм | 10 | 12 |
| Толщина анодного покрытия, мкм | 125 | 65 |
| Толщина медной фольги подложки, мкм | 10 | 10 |
| Толщина катодного покрытия, мкм | 75 | 70 |
| Толщина алюминиевой фольги подложки, мкм | 20 | 20 |
| Количество слоев разделителя | 2 | 78 |
| Количество катодных листов (покрытие с двух сторон) | 1 | 38 |
| Количество анодных листов (покрытие с двух сторон) | 1 | 39 |
Корпус ячейки
Упрощенный эскиз механических узлов обеих ячеек.
Ячейка Tesla 4680 имеет вентиляцию по направлению к нижней части ячейки, а ячейка BYD Blade – в сторону. Банка ячейки Tesla 4680 имеет анодный потенциал и выполняет функцию отрицательной клеммы. Обе полярности изолированы от банки для ячейки BYD blade – банка находится на своем собственном уровне потенциала.
Отверстие для заливки электролита закрыто медной глухой заклепкой для ячейки Tesla 4680 и заварено для ячейки BYD Blade. Крышка/положительная клемма элемента Tesla 4680 изолированы уплотнительным кольцом, а клеммы элемента BYD Blade изолированы пластиковыми держателями и резиновым уплотнительным кольцом.
Конфигурация электрода ячейки
Ячейка BYD Blade имеет один Z-образный электродный стек с 38 двухслойными катодными листами, 39 двухслойными анодными листами и 79 слоями сепаратора (из одного непрерывно сложенного разделительного листа). Выступ сепаратора ламинирован, так что даже открытые стороны Z-образных сепараторных складок на длинных верхних и нижних сторонах стека закрыты, предположительно, для фиксации каждого катодного и анодного листа. Сверху ламинированного края стека пластиковая рейка закреплена с помощью клейкой ленты. Контактные узлы на обоих концах также закреплены на стеке с помощью клейкой ленты. Затем весь стек и пластиковые держатели контактных узлов обернуты в прозрачный изоляционный пакет.
Ячейка Tesla 4680 имеет конфигурацию рулона, обернутого в сепаратор, а затем закрепленного с помощью двух полосок клейкой ленты сверху и снизу. Центральная часть рулона остается пустой и, предположительно, необходима для соединения катодного вывода с клеммой элемента с помощью инструмента точечной сварки, который пропускается через эту центральную полость во время производства.
Контактирование рулона/стопки
Электроды ячеек BYD Blade имеют типичные контактные флаги, выступающие из стопки. С обеих сторон они приварены к шине, которая, в свою очередь, соединена с внешним выводом. Контактирование осуществляется с помощью двух технологий сварки: во-первых, контактные флаги слоев электродов соединяются и уплотняются с помощью ультразвуковой сварки, а на другом этапе предварительно соединенные флаги привариваются к шине с помощью лазерной сварки. Преимущество этого подхода заключается в том, что для лазерной сварки требуется доступ к шине только с одной стороны, а ультразвуковые сварные швы обеспечивают контакт слоя к слою при подготовке к лазерной сварке. Это позволяет создать очень компактную конструкцию контакта, где само контактирование занимает только пространство одного сгиба стопки фольги электрода.
Края электрода/контактной фольги ячейки Tesla 4680 (анод и катод) разрезаются под углом, а затем складываются на другой, создавая контактную поверхность для выступов. Эта так называемая конструкция таблиц представлена в патентной заявке Tesla на ячейку таблиц. Выступы приварены к рулону с помощью лазерной сварки на шести контактных поверхностях треугольной формы. Катодный выступ приварен точечной сваркой к клемме, а анодный выступ приварен лазерной сваркой к корпусу ячейки.
Электроды
Толщина фольги электродов и катодные покрытия для обеих ячеек имеют одинаковую толщину. Со стороны анодного покрытия покрытие для ячейки Tesla 4680 почти в два раза толще, чем для ячейки BYD Blade из-за более высокой удельной энергии катода ячейки. Обе ячейки имеют слой покрытия по краям токосъемных флажков – предположительно, изолирующий слой покрытия для защиты краев электродов от коротких замыканий. Путь тока через фольгу электрода в электродах батареи BYD Blade значительно длиннее, чем в электродах ячейки Tesla 4680. Выступ сепаратора над анодом составляет 2 мм для ячейки Tesla 4680 и ячейки BYD Blade. Выступы анода над катодом составляют 1 мм для ячейки Tesla 4680 и 1 мм для ячейки BYD Blade.
Технологический процесс производства
Основные различия включают процессы сборки рулона/стопки (намотка против Z-складывания), контактирование флагов электродов и технологии закрытия ячеек. Ячейка Tesla 4680 герметизируется с помощью процесса гибки кромок, тогда как ячейка BYD Blade требует нескольких этапов лазерной сварки. В целом, призматическая ячейка требует на два этапа сборки больше. Тем не менее, содержание энергии на собранную единицу примерно в пять раз выше, что означает, что для достижения той же производительности в кВт·ч при производстве ячеек BYD Blade необходимо собрать только одну пятую единиц.
Материалы и затраты
Стальной корпус ячейки Tesla 4680 составляет значительно большую долю от общего веса ячейки по сравнению с алюминиевым корпусом BYD. Однако это преимущество в весе компенсируется высокими долями веса фольги подложки ячейки BYD Blade, что приводит к схожим долям веса активного материала, составляющим приблизительно 60% для обеих ячеек.
Стоимость активного материала катода (CAM) определялась путем суммирования стоимости отдельных компонентов (никеля, марганца, кобальта и лития для NMC811 и оксида железа, фосфорной кислоты и лития для LFP) в пропорциях, рассчитанных для ячеек. Для активного материала анода (AAM) предполагалось 100% содержание графита. Затем стоимость материала на ячейку делилась на энергию ячейки для получения конкретных сопоставимых цен в евро/кВт·ч.
CAM на основе NMC значительно влияют на дифференциацию затрат из-за высоких цен на никель и кобальт по сравнению с ценами на оксид железа и фосфорную кислоту. Следовательно, при текущем уровне цен цена в евро/кВт·ч более крупной ячейки BYD Blade на 10 евро/кВт·ч дешевле, что подчеркивает преимущество батарей LFP.
В частности, стоимость AAM за кВт·ч для ячейки BYD Blade выше, чем у ячейки Tesla 4680. Причина этого становится очевидной, когда вычисляется количество материала AAM на кВт·ч. Ячейка BYD Blade относительно AAM весит 1,35 кг/кВт·ч, а ячейка Tesla 4680 относительно AAM весит 1,03 кг/кВт·ч. Это означает, что ячейка Tesla использует материал AAM с более высокой плотностью энергии или более низкое отношение емкости анода к емкости катода (отношение NP).
Тепловая эффективность ячейки
Сравнивая удельный нагрев на единицу объема, ячейка Tesla 4680 при нагрузке 1C генерирует в 2 раза больше тепла чем ячейка BYD Blade, которое должно быть рассеяно. Поэтому конструкция электрода LFP более благоприятна для проектирования стратегии охлаждения для быстрой зарядки.
Оригинальная статья в журнале Cell Reports Physical Science
