ما هي بطارية 4680؟

On يوم بطارية تسلا 2020، أطلقت تسلا بطارية ليثيوم أيون 4680 التي غيرت قواعد اللعبة، وبذلك احتلت المركز الأول في السباق لبناء بطاريات كبيرة. في الصورة أدناه، يمكنك رؤية الميزات الرئيسية لسيارة Tesla 4680 المعروضة على الشاشة خلف Elon Musk، أثناء الحدث. يشير الاسم 4680 إلى عامل الشكل الأسطواني الذي يبلغ قطره 46 ملم وطوله 80 ملم.

ما هي بطارية 4680

توفر بطارية Tesla 4680 طاقة 5 أضعاف وقوة 6 أضعاف سابقتها المباشرة في محفظة Tesla، بطارية 2170. مع 4680، تتوقع تسلا زيادة بنسبة 16٪ في نطاق السيارة. والأهم من ذلك كله، أن الطراز 4680 تم تصميمه كمكون هيكلي لحزمة البطارية. وهذا يعني أن مجموعة البطارية سوف تمتص بعض الأحمال الهيكلية للسيارة، وبالتالي تحقيق الوزن الخفيف الإجمالي.

إذًا كيف تمكنت تسلا من تحقيق مثل هذا التعزيز الضخم في الأداء؟ هل هذا هو مستقبل سيارات تسلا الكهربائية؟ ما هي تكلفة ذلك؟ من هم اللاعبون الآخرون في مساحة البطارية الكبيرة؟ للإجابة على هذه الأسئلة وأكثر، دعونا نتعمق أكثر في الجوانب الفنية للبطارية 4680.

الميزات الرئيسية لبطارية تسلا 4680

حجم كبير المزيد من القوة

أول شيء واضح يلاحظه المرء بشأن البطارية هو حجمها الكبير. حجم 4680 هو خمسة أضعاف ونصف حجم 2170. وهذا يسمح بحجم أكبر جيلي رول ليتم استيعابها. في لغة البطارية، جيلي رول عبارة عن لفة شطيرة أسطوانية متعددة الطبقات مكونة من هلام إلكتروليت يوضع بين صفائح الكاثود والفاصل والأنود. تعمل لفة الجيلي الأكبر حجمًا على زيادة كمية حاملات الشحنة النشطة ومساحات سطح القطب الكهربائي. وهذا يترجم إلى قدر أكبر من تخزين الطاقة وتسليمها من كل خلية. يوضح الشكل 2 مفهوم جيلي رول.

حجم كبير المزيد من القوة

بطارية الأجهزة اللوحية

يستخدم Tesla 4680 براءة اختراع تصميم الطاولاتمما يقلل بشكل كبير من المقاومة الكهربائية الداخلية. علامات التبويب عبارة عن قطع معدنية موصلة أو شرائح ملحومة بصفائح قطب الأنود والكاثود. يوضح الشكل 3 بطارية تحتوي على علامتي تبويب.

بطارية الأجهزة اللوحية

علامات التبويب هي الوصلات التي تتدفق فيها الإلكترونات بين الدائرة الخارجية وأقطاب البطارية. أثناء الشحن، تطلق ذرات الليثيوم المدمجة في جميع أنحاء صفيحة الكاثود المطوية إلكترونات. وبالمثل، أثناء تفريغ الخلية، تندمج ذرات الليثيوم في جميع أنحاء صفيحة الأنود في لفة الجيلي لتحرر الإلكترونات. في كلتا الحالتين، يجب أن تنتقل هذه الإلكترونات إلى علامات التبويب المعنية لدخول الدائرة الخارجية.

التحدي الذي تواجهه البطاريات الكبيرة هو أن المسار الأطول للإلكترونات يولد المزيد من الحرارة وانخفاض الجهد بسبب المقاومة الأومية. لقد جرب مصممو البطاريات عدة علامات تبويب متباعدة بشكل وثيق للتخفيف من هذه المشكلة. ومع ذلك، يصعب تصنيعها وتزيد من مخاطر تلف الأقطاب الكهربائية أثناء اللحام. لقد وجدت تسلا حلاً مبتكرًا لهذه المشكلة، من خلال التخلص من علامات التبويب تمامًا! بدلاً من ذلك، تحتوي البطارية 4680 على شرائح موصلة تمتد على طول حواف صفائح الأنود والكاثود، كما هو موضح في الشكل 4.

بهذه الطريقة، يمكن لحافة واحدة كاملة من صفائح الأنود والكاثود أن تؤدي نفس وظيفة علامات التبويب، مما يقلل بشكل كبير من المقاومة الكهربائية وتوليد الحرارة.

المقاومة الكهربائية وتوليد الحرارة.

الكيمياء الجديدة

أعلنت شركة تسلا أن بطارية 4680 سيكون لها كيميائي جديدy لتعزيز الأداء بشكل كبير وخفض التكاليف. في المستقبل، لن يستخدم الكاثود الوصفة المثبتة لأكسيد الليثيوم مع 80% نيكل و10% كوبالت و10% منجنيز (يسمى NMC-811). وبدلاً من ذلك، ستحتوي بطارياتها البالغ عددها 4680 على كاثودات تحتوي على نسبة أعلى بكثير من النيكل ومحتوى أقل من الكوبالت. تركيبة الكاثود المستهدفة هي NMC 955 والتي تتكون من 90% نيكل و5% كل من المنغنيز والكوبالت. يؤدي ارتفاع محتوى النيكل إلى تحسين كثافة الطاقة، على الرغم من أنه يسبب مشاكل تتعلق باستقرار القطب الكهربائي، والتي ربما يكون تسلا قد تغلب عليها. يعد تقليل محتوى الكوبالت ضروريًا لتقليل الاعتماد على منطقة الكونغو، التي توفر 70% من الكوبالت في العالم. كما أنه سيخفض تكاليف الكاثود.

تتضمن تحسينات تسلا في كيمياء الأنود استبدال الجرافيت بشكل كبير أو كامل بالسيليكون المعدني الخام. وبما أن السيليكون من الدرجة المطلوبة متوافر بكثرة في القشرة الأرضية ورخيص نسبيًا، فإن التحول إلى السيليكون سيقلل من تكلفة الأنودات. تكمن مشكلة أنودات السيليكون في تمدد حجمها عندما تدخل ذرات الليثيوم إلى الأنود أثناء دورات الشحن والتفريغ. يؤدي هذا في النهاية إلى تدمير القطب الكهربائي. ومع ذلك، وبالنظر إلى إعلاناتهم، يبدو أن شركة تسلا قد وجدت حلاً.

بشكل عام، تتوقع تسلا انخفاض تكاليف البطارية وزيادة المدى بسبب هذه الابتكارات الكيميائية.

حالة الصلب سمكا

استخدمت تسلا علبة فولاذية أكثر سمكًا لـ 4680 مقارنة بنظيرتها 2170. قد يكون هذا بسبب أنه سيتم تركيب هذه البطاريات في حزمة بطارية هيكلية ويجب أن تتحمل أحمالًا ميكانيكية أعلى. يمكن للمرء أيضًا أن ينظر إلى هذا على أنه حماية إضافية ضد الأضرار الناجمة عن الصدمات.

إيجابيات وسلبيات

في حين أن بعض إعلانات تيسلا قد تكون مجرد ضجيج تسويقي، تظل الحقيقة أنه بحلول يناير 2022 كانت قد أنتجت بالفعل سيارة mمليون خلية من البطارية 4680. وفي مكالمة أرباح العام الماضي بعد نتائج الربع الأول من عام 2023، أكدوا التقدم في بناء مصنع تكساس جيجا الذي سيقوم بتصنيع 4680 خلية من الجيل الثاني. وهذا ما يجعلهم الرائدين بوضوح في مجال صناعة البطاريات 4680.

كثير tيقوم مصنعو بطاريات op بتطوير تصميمات بطاريات بتنسيق 4680، ويمضي البعض قدمًا في استثمارات على نطاق الإنتاج. وبالتالي، فإن بطارية 4680 ستحدث ثورة في عالم السيارات الكهربائية قريبًا. ماذا يعني هذا بالنسبة للمستهلك "المتوسط"؟ وبناء على ما نعرفه في هذا الوقت، دعونا نلقي نظرة على الإيجابيات والسلبيات.

الايجابيات

  • تعد سيارة Tesla 4680 بتوفير عدد أكبر من الأميال وخفض التكاليف لكل كيلووات في الساعة بسبب زيادة كثافة الطاقة، وتحسين كيمياء البطارية، والوزن الخفيف للمركبة بشكل عام بسبب تصميم البطارية الهيكلية.
  • ومن المتوقع أن تستمر سيارة تيسلا 4680 لمسافة مليون ميل على الأقل، وهو أكثر بكثير مما سيقوده المستخدم العادي طوال عمر السيارة.
  • يتضمن تصميم البطارية ميزات أمان محسنة مثل تبديد الحرارة بشكل أفضل وتقليل مخاطر عيوب التصنيع بسبب تصميم Tables.
  • أنتجت تسلا بالفعل عدة ملايين من خلايا الجيل الأول 4680 واكتسبت خبرة تصنيع وتشغيل قيمة مع هذه البطارية الجديدة. وسيقدم مصنعهم العملاق في تكساس إصدارات محسنة من 4680. وقد بدأ تصميم البطارية في النضج، مما يقلل من مخاطر الملكية أو الاستثمار.

سلبيات

  • في الوقت الحاضر، تم تصميم 4680 فقط لطراز Tesla Model Y الجديد بسعر حوالي 60,000 ألف دولار. وهذا قد لا يكون في متناول الكثيرين.
  • لم يتم تنفيذ الادعاءات المتعلقة بكيمياء البطاريات الجديدة في الجيل الأول من البطاريات البالغ عددها 4680، والتي يبدو أنها NMC 811 وGraphite. قد يستغرق الأمر بعض الوقت حتى يتم إطلاق خلايا Tesla عالية النيكل والسيليكون 4680 في السوق.
  • قد يتوصل المنافسون إلى تصميمات أفضل لبطارية 4680 بالإضافة إلى خيارات أخرى بما في ذلك بطاريات أيون الصوديوم أو بطاريات الحالة الصلبة.

تطور خلية البطارية الأسطوانية

في محاضرة نوبل التي ألقاها أكيرا يوشيرو في عام 2019، يتتبع تطور تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون. شهدت التسعينيات ظهور الهواتف المحمولة، التي أصبحت مناسبة بشكل ممتاز لبطاريات الليثيوم أيون خفيفة الوزن وكثيفة الطاقة التي تم اختراعها حديثًا. كانت الأسواق الأولية تركز بالكامل على قطاع الإلكترونيات الشخصية، حتى عام 1990، عندما تم طرحها في سوق السيارات الكهربائية. ويوضح الشكل 2010، المذكور في محاضرته، نمو سوق بطاريات الليثيوم أيون منذ عام 5. ويمكنك أن ترى كيف من المتوقع أن تهيمن السيارات الكهربائية بشكل كبير على حصة السوق بحلول عام 2010.

تطور خلية البطارية الأسطوانية

أول سيارة كهربائية تم إطلاقها تجاريًا باستخدام بطاريات ليثيوم أيون كانت نيسان ليف. كان نموذج الجيل الأول قيد الإنتاج من عام 2010 إلى عام 2017. ويستخدم خلايا أيون الليثيوم المسطحة. في مصطلحات البطارية، هذا هو "تنسيق الحقيبة". تستمر أحدث سيارات نيسان ليف في استخدام البطاريات من نوع الحقيبة.

أشكال البطاريات الثلاثة المستخدمة حاليًا من قبل الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية هي الأنواع الحقيبة، والمنشورية، والأسطوانية. في عام 2020، كانت الحصة السوقية لكل نوع من البطاريات في فئة سيارات الركاب منشورية بنسبة 40%، وحقيبة الحقيبة بنسبة 35%، وأسطوانية بنسبة 15%. .

كان تسلا أول من استخدم خلية أيون الليثيوم الأسطوانية في سياراته الكهربائية. لقد بدأوا بـ Panasonic 18650 الرخيص نسبيًا، ولكن الذي أثبت كفاءته، ثم انتقلوا إلى عامل الشكل 2170. وهم الآن ينتقلون إلى الخلية الأكبر حجمًا 4680. كانت الشركات المصنعة الأخرى مثل BMW وCATL تتبنى لاحقًا البطاريات الأسطوانية. ومع ذلك، فإن محرك السوق هو تسلا، ويعكس تطور بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية تطور تسلا. يوضح الشكل 6 أمثلة على البطاريات الأسطوانية التي تدعم نمو شركة تسلا.

بطارية 4680 مقابل بطارية 18650

بالنسبة للمستهلكين، ما يهم في نهاية المطاف هو اقتصاديات ورفاهية الملكية. تعد شركة Tesla أكبر شركة مصنعة للسيارات الكهربائية في العالم، وقد شمل طريقها إلى النجاح استخدام بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية. لذلك دعونا نقارن بين الخلايا الأسطوانية الثلاث التي تشغل سيارات تيسلا، من وجهة نظر المستهلك.

بطارية 4680 مقابل بطارية 18650

كيف يمكن مقارنة أصغر وأكبر بطارية تسلا مع نظيراتها الأقدم والأصغر؟ للإجابة على ذلك دعونا نقارن بين البطاريات 4680 والبطاريات 18650:

معامل 4680 18650 ملاحظات
السعة (الحد الأقصى) 25000 mAh 3500 mAh نظرًا لارتفاع مستوى مللي أمبير في الساعة، سيستمر جهاز 4680 لفترة أطول بين عمليات إعادة الشحن
كثافة الطاقة (الخلية) 276 إلى 333 واط/كجم 250 واط/كجم 4680 يمكن أن يوفر المزيد من القوة.
المقاس 46 ملم ضياء. × 80 ملم HT. 18 ملم ضياء. × 65 ملم HT. نظرًا لحجمها الأكبر، تحتوي 4680 على جيلي رول أكبر ويمكنها تخزين المزيد من الطاقة
سمك جدار الهيكل الصلب 0.5-0.6 ملم 0.22 0.28 لملم يتمتع 4680 بقوة ميكانيكية أعلى لتحمل الصدمات
دورة الحياة 1000-2000 1500-4000 عمر دورة 4680 أقل من 18650 ولكنه سيتطلب شحنًا أقل تكرارًا
الوزن الصافي (الحد الأقصى) 355 GMS 50 GMS 4680 أثقل ومناسب للسيارات الأكبر حجمًا.

بطارية 4680 مقابل بطارية 2170

نظرًا لأن بطارية 2170 هي السلف المباشر لبطارية 4680 في تاريخ تيسلا التطوري، فيجب أن تكون المقارنة أدناه مثيرة للاهتمام:

معامل 4680 2170 ملاحظات
السعة (الحد الأقصى) 25000 mAh 5600 mAh نظرًا لارتفاع مستوى مللي أمبير في الساعة، سيستمر جهاز 4680 لفترة أطول بين عمليات إعادة الشحن
كثافة الطاقة (الخلية) 276 إلى 333 واط/كجم 276 إلى 300 واط/كجم الفرق ليس كثيرا.
المقاس 46 ملم ضياء. × 80 ملم HT. 21 ملم ضياء. × 70 ملم HT. نظرًا لحجمه الأكبر، يحتوي 4680 على جيلي رول أكبر ويمكنه تخزين المزيد من الطاقة
سمك جدار الهيكل الصلب 0.5-0.6 ملم 0.22 0.34 لملم يتمتع 4680 بقوة ميكانيكية أعلى لتحمل الصدمات
دورة الحياة 1000-2000 1500 دورة حياة مماثلة
الوزن الصافي (الحد الأقصى) 355 GMS 70 GMS 4680 أثقل ومناسب للسيارات الأكبر حجمًا.

وفي الختام

تعد بطارية 4680 الجديدة التي أطلقتها شركة Tesla بمثابة تغيير حقيقي لقواعد اللعبة نظرًا لقوتها ونطاقها المعزز. أصبحت ميزات الأمان الآن أفضل. سيكون العامل الرئيسي هو تكلفة البطارية، والتي تتوقف على الدمج الناجح لتكاليف أقل للكاثود والأنودات

انتقل إلى الأعلى