Nouvelle technologie de batterie Li-ion

Nouvelle technologie des batteries Li-ion : focus sur les gros cylindres, les noyaux longs et d’autres opportunités d’innovation

1. Développement de la batterie : la charge ultra-rapide, la sécurité et d’autres performances sont la direction principale ; se concentrer sur les grands cylindres, les cellules longues et autres innovations structurelles

1.1 Tendances en matière de performances des batteries : disposition de l'usine de batteries à rapport énergétique élevé, charge et sécurité ultra-rapides et autres orientations techniques

Ningde Time, BYD et d'autres usines de batteries principales s'orientent vers des technologies à rapport énergétique élevé, de charge ultra rapide et de sécurité des batteries, et le chemin de réalisation comprend l'innovation structurelle, l'innovation matérielle, etc.

    Ningde Times, la principale usine de batteries, a défini six orientations telles qu'un rapport énergétique élevé, une charge ultra rapide et une véritable sécurité, et les types de technologies incluent l'innovation structurelle, l'innovation matérielle et l'innovation de gestion. Selon le site officiel du Ningde Times, nous pouvons voir que le Ningde Times a défini six directions d'innovation structurelle, d'innovation matérielle et d'innovation de gestion, à savoir une énergie spécifique élevée, une longue durée de vie, une charge ultra-rapide, une véritable sécurité, une auto-charge. contrôle de la température et gestion intelligente. Prenons l'exemple de la charge ultra rapide, la charge ultra rapide de Ningde Time fait référence à la charge la plus rapide de 5 minutes à 80 %, en termes de structure, la pièce polaire multi-gradients et la méthode multi-oreilles sont adoptées, en particulier :① pièce polaire multi-dégradés : en régulant la répartition du gradient de la structure poreuse de la pièce polaire, la couche supérieure de structure à haute porosité, la couche inférieure de structure à densité solide à haute pression, prenant parfaitement en compte le double noyau de haute densité énergétique et charge ultra rapide ;② multi-oreille : développement d'un espace multidimensionnel (2) Multicouche : développement d'une technologie de cosses spatiales multidimensionnelles, qui améliore considérablement la capacité portante actuelle de la pièce polaire et brise le goulot d'étranglement technique de l'élévation de température élevée de la batterie cellule pendant une charge directe de 500 A.

1.2 Nouveau type d'innovation en matière de batteries/structures : les grandes cellules cylindriques, longues, etc. sont des orientations d'implantation importantes pour les usines de batteries

Nous avons passé au peigne fin la forme des batteries, les progrès de la production de masse, l'indice de performance et les caractéristiques avantageuses des principales usines de batteries, qui développent activement de nouvelles formes de batteries telles que les grands cylindres et les cellules longues. Prenons l'exemple de Honeycomb Energy : la deuxième génération de sa cellule longue et mince laminée L600 a terminé son développement et devrait atteindre une production de masse en Q3 2022 ; en termes d'indice de performance, la capacité de la cellule unique L600 est passée à 196 Ah, la densité énergétique est supérieure à 185 Wh/kg et la densité énergétique volumique est supérieure à 430 Wh/L, ce qui présente des caractéristiques avantageuses telles qu'une compatibilité élevée, une adaptabilité élevée, une sécurité élevée. et longue vie.

(2) Grandes batteries cylindriques : Tesla, BAK, EVERLIGHT et d'autres usines de batteries fabriquent de grandes batteries cylindriques. Prenons Tesla comme exemple, la batterie 4680 adopte un matériau de cathode à haute teneur en nickel + cathode de silicium-carbone et une technologie de cosses sans électrode, avec une densité d'énergie de 300Wh/kg, la capacité de la batterie est 5 fois supérieure à celle de la solution 2170 actuelle et la puissance de sortie est 6 fois plus élevé. De plus, il présente des avantages en termes de densité énergétique, de puissance et d’efficacité de charge.

2. Grands cylindres : les applications laser devraient augmenter ; exigences élevées en matière de précision des équipements

2.1 Grande batterie cylindrique : Prenons l'exemple du Tesla 4680, les innovations techniques telles que l'électrode sèche et la cosse sans électrode méritent l'attention

Selon le document, la batterie cylindrique 4680 est une autre innovation structurelle de la batterie cylindrique de la plus petite batterie 1865 à 2170. Par rapport à la batterie 2170 précédemment utilisée, la batterie 4680 réduit considérablement la génération de chaleur et résout le problème de dissipation thermique de la densité énergétique élevée. cellules et augmente la puissance maximale de charge et de décharge, ce qui rend la batterie 4680 5 fois plus d'énergie et 6 fois plus de puissance que la batterie 2170, tout en réduisant le coût de 14 % et en augmentant l'autonomie de 16 %.

En termes d'innovation structurelle et de processus de fabrication, le 4680 présente trois innovations technologiques majeures par rapport aux batteries précédentes - le processus d'électrode sèche, sans cosses (toutes les cosses) et la technologie CTC - qui ont abouti à des coûts de production de cellules inférieurs et à de plus grandes améliorations des performances. Prenons l'exemple de la technologie sans cosses, la conception des cellules 4680 transforme l'ensemble du collecteur en cosses, le chemin conducteur ne dépend plus des cosses et la transmission du courant passe d'une transmission transversale le long des cosses à la plaque collectrice à une transmission longitudinale dans le collecteur, qui réduit la résistance à 2mΩ et la consommation de résistance interne de 2W à 0.2W.

2.2 Procédé d'électrode sèche : faible coût par rapport au procédé humide traditionnel, le cœur réside dans la formulation des électrodes et dans l'équipement d'extrusion de film

La technologie d'électrode sèche Maxwell convient à la chimie actuelle des batteries au lithium et aux nouveaux matériaux d'électrode avancés, aucun solvant n'est utilisé dans le processus de fabrication et elle peut être étendue à la production rouleau à rouleau, et la technologie de base est la formulation d'électrodes et la formation de film. équipement d'extrusion.

(1) Selon l'article "Dry Electrode Coating Technology" de Hieu Duong, Joon Shin et Yudi Yudi, la technologie des électrodes sèches de Maxwell comprend trois étapes : (i) le mélange de poudre sèche, (ii) le moulage de poudre en couche mince, (iii ) revêtement fin et pressage de collecte de fluide, les trois étapes sont sans solvant. Le processus d'électrode sèche de Maxwell est évolutif aux compositions chimiques actuelles des batteries lithium-ion et aux nouveaux matériaux avancés d'électrodes de batterie ; plus précisément, le procédé sec exclusif de Maxwell est utilisé pour mélanger la poudre afin de former un mélange final de poudres de matériaux actifs, de liants et d'additifs conducteurs, qui est extrudé et calandré pour former. Le mélange de poudre est extrudé et calandré pour former un mélange sec continu et autoportant. -film d'électrode enduit qui peut également être enroulé en rouleaux. Enfin, la fine couche d’électrode est pressée avec le fluide collecteur pour former l’électrode de batterie.

(2) En termes d'avantages, selon l'article "Dry Electrode Coating Technology" de Hieu Duong, Joon Shin et Yudi Yudi, le procédé d'électrode sèche Maxwell peut être appliqué aux matériaux de batterie classiques et avancés et peut être étendu aux bobines. -production de bobines par rapport aux électrodes humides traditionnelles. (3) En termes de technologie de base, selon Battery World Online, la technologie de base du processus d'électrode sèche de Maxwell est la formulation d'électrodes ainsi que la technologie et l'équipement d'extrusion filmogène.

De plus, les électrodes sèches peuvent être réalisées par diverses méthodes telles que le laser pulsé et le dépôt par pulvérisation cathodique, qui nécessitent un processus de recuit de film supplémentaire par rapport aux processus d'électrodes sèches et humides de Maxwell. Selon l'article « Fabrication sans solvant d'électrodes pour batteries lithium-ion » de Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang et Heng Pan, contrairement au processus de préparation d'électrodes humides, les électrodes sèches peuvent être fabriquées par dépôt laser pulsé. Le processus d'électrode sèche peut être réalisé par diverses méthodes telles que le laser pulsé et le dépôt par pulvérisation cathodique, qui ne nécessitent pas de séchage, mais nécessitent un recuit supplémentaire de couche mince en raison de la température élevée provoquée par le dépôt laser pulsé. Le processus de préparation des électrodes proposé dans cet article est le suivant.

(1) Processus de préparation des électrodes humides① Processus de coulée de pâte : les électrodes de batterie au lithium sont fabriquées en coulant une pâte (contenant un matériau actif dans un solvant, du carbone conducteur et un liant) sur un collecteur métallique. Le liant le plus courant est le PVDF (pré-dissous dans le solvant NMP), et la suspension résultante est mélangée et coulée sur le collecteur, qui doit être séchée pour évaporer le solvant afin de produire une électrode poreuse sèche. Le séchage prend beaucoup de temps, généralement 12-24 heures à 120degréC. De plus, comme la NMP est coûteuse et contaminante, un système de récupération doit être installé pour récupérer la NMP évaporée pendant le processus de séchage (ajoutant un investissement en capital important).

Dépôt par pulvérisation électrostatique à base de solvant : le matériau de l'électrode est appliqué sur le collecteur à l'aide d'un dépôt par pulvérisation électrostatique à base de solvant, c'est-à-dire que le matériau déposé est atomisé dans une buse et appliqué sur le collecteur ; Les électrodes construites de cette manière présentent des propriétés similaires à celles des électrodes coulées en suspension, avec le même inconvénient de nécessiter un processus de séchage intensif qui nécessite également du temps et de l'énergie (2 heures à 400 °C).degréC). Les batteries au lithium sont également produites à l'aide de la technique de pulvérisation, où chaque ensemble d'électrodes est pulvérisé sur la surface souhaitée à l'aide d'un revêtement à base de NMP, ce qui nécessite encore une évaporation du solvant.

(2) Le processus de préparation d'électrodes sèches est réalisé par diverses méthodes telles que le laser pulsé et le dépôt par pulvérisation cathodique. Le dépôt laser pulsé est réalisé en focalisant un laser sur une cible contenant le matériau à déposer, et une fois que le laser atteint la cible, le matériau se vaporise et se dépose sur le collecteur ; bien qu'aucun solvant ne soit utilisé, le film déposé doit résister à des températures de 650-800degréC, tandis que le dépôt par pulvérisation magnétron peut réduire la température de recuit requise à 350degréC. Cette méthode est représentative de la fabrication d’électrodes à cellules sèches, mais la vitesse de dépôt est lente et nécessite un recuit à haute température.

Le procédé à électrode sèche est moins coûteux que le procédé humide traditionnel, principalement en termes de coût de la main-d'œuvre, d'investissement en équipement et d'espace dans l'usine. Selon l'article "Solvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries" de Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan, par exemple, Battery Design Scenario 1 Par exemple, la production d'électrodes sèches est de 21,6 % , 14,2 % et 13,1 % de moins en main d'œuvre directe, en coût d'équipement et en superficie d'usine, respectivement, que la production d'électrodes humides, en supposant que 100 000 cellules sont produites par an.

2.3 Technologie Lugless (tout-cosse) : réduction de la résistance interne de la batterie, volume de soudage laser ascendant, exigences élevées en matière de précision de l'équipement

La technologie (toutes oreilles) peut réduire considérablement la résistance et la consommation de résistance interne de la batterie. Selon l'article de Yulong Zhao « Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan » : 1) Batterie cylindrique traditionnelle : une feuille de cuivre positive et négative et un diaphragme en feuille d'aluminium sont empilés et enroulés, et un fil de guidage (cosse) est soudé à chaque extrémité du cuivre. feuille d'aluminium et feuille d'aluminium afin de guider l'électrode. (2) Batterie 4680 : l'ensemble du collecteur est transformé en cosse, le chemin conducteur ne dépend plus de la cosse, le courant est transféré de la transmission transversale le long de la cosse jusqu'au collecteur à la transmission longitudinale du collecteur, l'ensemble conducteur la longueur passe de 800-1000 mm de la longueur de la feuille de cuivre 1860 ou 2170 à la longueur totale du conducteur passe de 800-1000 mm de la longueur de la feuille de cuivre 1860 ou 2170 à 80 mm (hauteur de la cellule), ce qui réduit la résistance à 2mΩ et la consommation de résistance interne de 2W à 0,2W, un ordre de grandeur inférieur.

Caractéristiques de conception structurelle : la surface de contact/conductrice de la cosse à une extrémité de la cellule est égale/supérieure à celle du collecteur. Selon le brevet « sans lugless » de Tesla cité par le numéro public WeChat officiel de GaoGong Lithium, il décrit au moins une électrode comme un support de batterie sans lugless, plus précisément : 1) Le niveau inférieur du noyau : l'extrémité du collecteur est laissée blanche et non recouverte. avec des matériaux positifs/négatifs, où la partie collecteur peut être comprise comme une cosse généralisée, Tesla La clé de la conception « sans cosse » est que la zone de conduction des cosses est exactement la même que celle du collecteur, ou même la zone de contact des cosses et la zone de conduction sont plus grands que la zone de conduction du collecteur grâce à la conception de la structure diversifiée du couvercle ; 2) le niveau supérieur du noyau : si une seule électrode sans solution de cosse est utilisée, l'extrémité supérieure est toujours la même que celle de la conception du noyau 18650, 21700. Selon l'analyse du brevet, une seule extrémité de la connexion sans pattes peut avoir pour effet de réduire la résistance interne de 5 fois.

(1) Processus de production : selon le numéro public officiel WeChat d'Automotive Materials Network, cité dans Automotive Home, il existe deux processus de production pour les cosses à induction, c'est-à-dire d'abord la découpe puis l'enroulement, et d'abord l'enroulement puis la découpe laser. découpe, plus précisément :① D'abord découpe puis enroulement : Grâce à un calcul précis, le matériau est découpé en plusieurs parties avant l'enroulement. Lorsque l'enroulement atteint l'énergie prédéfinie, le soudage est effectué. Découpe laser après enroulement : le matériau est enroulé directement quelles que soient la largeur et la taille, et la découpe laser est effectuée sur l'excédent de matériau après avoir atteint l'énergie prédéfinie, ce qui nécessite une haute précision.

(2) Exigences en matière d'équipement : selon le numéro public officiel WeChat d'Automotive Materials Network, citant les informations d'Auto House et du numéro public GaoGong Lithium WeChat, du point de vue de l'équipement de production, il y a des changements majeurs sous trois aspects sous la technologie de non -cosse polaire (cosse tout polaire), notamment :① processus de revêtement : la certaine forme incurvée de la cosse entièrement polaire entraîne des exigences plus élevées en matière de précision de l'équipement, et l'espace blanc sur la bague extérieure sera de plus en plus grand que l'espace blanc sur la bague intérieure ;② équipement de découpe : les exigences en matière de processus de découpe laser sont plus élevées. (2) équipement de découpe : exigences plus élevées en matière de processus de découpe au laser et lacunes dans l'ajustement des couches de matériau en raison d'arêtes de coupe inégales ; (3) soudage au laser : le nombre de joints soudés lors du soudage par points au laser de toutes les cosses est multiplié par plus de cinq par rapport à 21 700. Plus précisément, selon le processus de soudage, par exemple, selon l'article de Zhao Yulong "Power Battery 4680 full contenu "scan de technologie de cosse", la connexion complète de cosse et de plaque collectrice ou de coque, les exigences en matière de technologie de soudage au laser sont plus élevées, en particulier, du soudage par points traditionnel à deux cosses au soudage de surface de cosse complète, le processus de soudage et le volume de soudage sont devenus plus élevés, l'intensité du laser et la distance focale n'est pas facile à contrôler, facile à souder grâce à une brûlure à l'intérieur du noyau ou sans soudure ;. De plus, certaines entreprises proposent d'utiliser des brevets d'ajustement par pression plutôt que de soudage pour le collecteur de courant.

Nous prenons la technologie CTC de Tesla comme exemple et l'analysons comme suit : 1) Contrairement à la batterie 2170 qui se compose de quatre modules, la batterie 4680 adopte la technologie CTC et la batterie fait office de plaque de base du véhicule. Selon le site officiel d'InsideEV, d'après la vue transversale de la nouvelle batterie à structure modèle Y présentée lors de la visite de l'usine Giga Berlin en octobre 2021, la batterie 4680 élimine directement la conception du module et adopte la technologie CTC, qui est densément disposée en le châssis du véhicule, c'est-à-dire le bas du Model Y équipé du bloc batterie 4680, est évidé et le bloc batterie fait office de soubassement. La batterie sert de soubassement. En revanche, la batterie 2170 du modèle Y comporte quatre modules : deux modules courts et deux modules longs. Et notre société de lithium aérospatiale s'appuie également sur la maîtrise de la technologie des grandes batteries cylindriques et est également un leader lointain :http://www.optimum-china.com