การวิเคราะห์แบตเตอรี่ Tesla 4680

Tesla (Tesla) เป็นบริษัทรถยนต์ไฟฟ้าและพลังงานสัญชาติอเมริกัน มีสำนักงานใหญ่อยู่ที่เมือง Palo Alto โดยมีมูลค่าตลาด 1.03 ล้านล้านดอลลาร์ ผลิตและจำหน่ายยานยนต์ไฟฟ้า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ และอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 2546 มีการก่อตั้งร่วมกันโดย Martin Eberhard และ Mark Tarpenning ผู้ก่อตั้งตั้งชื่อบริษัทว่า “Tesla Motors” เพื่อเป็นเกียรติแก่ Nikola Tesla นักฟิสิกส์

แบตเตอรี่ Tesla 4680 เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าที่สุดในยุคปัจจุบัน ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในด้านยานยนต์ไฟฟ้าทำให้เป็นเทคโนโลยีหลักที่นำไปสู่การพัฒนาของอุตสาหกรรม นำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่ปฏิวัติวงการ ข้อดีหลายประการของแบตเตอรี่นี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการพัฒนายานยนต์ไฟฟ้าในอนาคต และมีส่วนสนับสนุนอย่างมากในการส่งเสริมและการใช้พลังงานที่ยั่งยืน แบตเตอรี่ 4680 คืออะไร มีความแตกต่างกับแบตเตอรี่ 18650 อย่างไร บทความต่อไปนี้จะแนะนำให้อย่างรายละเอียด

แบตเตอรี่ 4680 คืออะไร

แบตเตอรี่ Tesla 4680 เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่พัฒนาโดย Tesla และ “4680” ในชื่อแสดงถึงข้อกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบตเตอรี่ 4680 มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 46 มม. และสูง 80 มม. เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิมแล้ว แบตเตอรี่นี้จะมีปริมาตรมากกว่า ความจุสูงกว่า และความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า สามารถให้ระยะการวิ่งที่ไกลขึ้นและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

แบตเตอรี่ของ Tesla 4680 แตกต่างจากแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปตรงที่ออกแบบให้มีเซลล์เดียวแทนที่จะเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนที่ประกอบด้วยเซลล์ขนาดเล็กหลายร้อยเซลล์ การออกแบบนี้สามารถลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ได้มาก และปรับปรุงความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ แบตเตอรี่ Tesla 4680 ยังใช้วัสดุนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียม ซึ่งมีราคาต่ำกว่าและต้นทุนการผลิตต่ำกว่าวัสดุนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีสแบบดั้งเดิม

การถือกำเนิดของแบตเตอรี่ Tesla 4680 ถือเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า มันสามารถปรับปรุงช่วงและประสิทธิภาพของยานพาหนะไฟฟ้า ลดต้นทุนแบตเตอรี่ และส่งเสริมความนิยมและการใช้พลังงานหมุนเวียน Tesla วางแผนที่จะใช้แบตเตอรี่ 4680 ในรถยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานใหม่ ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาและความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า ในขณะเดียวกัน Tesla พัฒนาธุรกิจเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งมีเชื่อเสียงใน 10 อันดับ บริษัทผลิตเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าของจีน

ข้อดีของแบตเตอรี่ Tesla 4680

คุณสมบัติที่ใหญ่ที่สุดของแบตเตอรี่ Tesla 4680 คือขนาดที่ใหญ่ ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 46 มม. และความสูง 80 มม. แบตเตอรี่ 4680 จึงมีขนาดใหญ่กว่าแบตเตอรี่ EV ทั่วไปมาก ขนาดที่ใหญ่นี้ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ 4680 ดีขึ้นมาก ซึ่งหมายความว่าสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นในปริมาณและน้ำหนักเท่าเดิม

ในทางตรงกันข้าม ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ 18650 แบบดั้งเดิมและแบตเตอรี่ 21700 นั้นน้อยกว่าแบตเตอรี่ 4680 อย่างมาก ซึ่งจำกัดระยะทางการวิ่งของรถยนต์ไฟฟ้า ดังนั้น การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่ Tesla 4680 จึงช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้ามีระยะทางการวิ่งที่ไกลขึ้น จึงช่วยปรับปรุงการใช้งานจริงของรถยนต์ไฟฟ้า

โครงสร้างของแบตเตอรี่ Tesla 4680 ได้รับการปรับปรุงเช่นกัน ในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิม แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์ขนาดเล็กหลายร้อยเซลล์ที่ต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อน เช่น การบัดกรีเพื่อประกอบเป็นชุดแบตเตอรี่ กระบวนการประกอบดังกล่าวมีความซับซ้อนมากและปัญหาเช่นการสัมผัสที่ไม่ดีมักจะเกิดขึ้น

แบตเตอรี่ของ Tesla 4680 ใช้การออกแบบแบตเตอรี่แบบเดียว และชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดมีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่เพียงก้อนเดียว การออกแบบดังกล่าวไม่เพียงทำให้ขั้นตอนการประกอบง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดโอกาสการสัมผัสที่ไม่ดี ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของชุดแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ Tesla 4680 ยังใช้วัสดุอิเล็กโทรดใหม่ วัสดุแอโนดของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็นลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ซึ่งไม่เพียงแต่มีราคาแพง แต่ยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกของแบตเตอรี่ Tesla 4680 ใช้วัสดุนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียม (NCA) ซึ่งไม่เพียงแต่มีราคาถูกเท่านั้น แต่ยังสามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า ซึ่งจะช่วยปรับปรุงระยะทางการวิ่งของแบตเตอรี่ 4680 ให้ดียิ่งขึ้น

ผลกระทบของแบตเตอรี่ Tesla 4680 ต่ออุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าไม่ได้อยู่ที่ข้อได้เปรียบทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโอกาสทางธุรกิจด้วย Tesla วางแผนที่จะเปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ในอนาคต รุ่น Y ซึ่งจะใช้แบตเตอรี่ 4680 เพื่อระยะทางที่ไกลขึ้นและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น นอกจากนี้ Tesla ยังวางแผนที่จะใช้แบตเตอรี่ 4680 ก้อนกับระบบกักเก็บพลังงาน ซึ่งจะช่วยส่งเสริมความนิยมและการใช้พลังงานทดแทนต่อไป

46 มม. นำมาอะไรบ้าง

แบตเตอรี่ทรงกระบอกสามารถแบ่งออกเป็นรุ่นต่างๆ ตามขนาด เช่น รุ่นทั่วไป 18650 ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และสูง 65 มม. นอกจากนี้ยังมีรุ่นทั่วไป 21700 และ 4680 เมื่อขนาดใหญ่ขึ้น ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ทรงกระบอกก็จะเปลี่ยนไปด้วย:

ปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ทรงกระบอกรุ่น S 18650 เดิม แบตเตอรี่ทรงกระบอก 21700 ของ Tesla Model 3 มีความจุเพิ่มขึ้น 35% และความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นมากกว่า 20%

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการจัดกลุ่ม

เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ทรงกระบอกเพิ่มขึ้น แผ่นรองรับแบตเตอรี่และช่องเก็บกระแสไฟฟ้าจะมีขนาดใหญ่ขึ้น น้ำหนักที่สอดคล้องกันจะลดลง จำนวนเซลล์ในระบบแบตเตอรี่จะลดลง และจำนวนของ อุปกรณ์เสริมในการเชื่อมก็ลดลงเช่นกัน ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการใช้พื้นที่

ลดต้นทุนของระบบ

จาก 18650 เป็น 21700 ความจุเซลล์แบตเตอรี่เพิ่มขึ้น 35% ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น 20% และราคาของระบบลดลงประมาณ 9% จาก 21700 เป็น 4680 ตามข้อมูลของ Tesla พลังงาน ความหนาแน่นของแบตเตอรี่ 4680 เพิ่มขึ้น 5 เท่า กำลังการชาร์จและคายประจุเพิ่มขึ้น 6 เท่า ระยะการแล่นเพิ่มขึ้น 16% และต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงของระบบลดลงประมาณ 16%

เพื่อลดความยากของ BMS

แบตเตอรี่ทรงกระบอกความจุเดียวมีขนาดเล็ก ดังนั้น รถทั้งคันจึงต้องการแบตเตอรี่ทรงกระบอกจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น Tesla รุ่น Y ต้องการแบตเตอรี่ 7000+ สำหรับ 18650, 4000+ แบตเตอรี่สำหรับ 21700 และ แบตเตอรี่ 960 ก้อนสำหรับ 4680 ในขณะที่ลดจำนวนลง ยังลดความยากของ BMS อีกด้วย

โซลูชันขนาดที่เหมาะสมที่สุด

จากการวิจัย ทุกๆ 10% ที่เพิ่มขึ้นของความจุของแบตเตอรี่ วงจรชีวิตจะลดลงประมาณ 20% อัตราการชาร์จและคายประจุจะลดลง 30%-40% และแบตเตอรี่จะมี อุณหภูมิสูงขึ้นประมาณ 20% หากคุณยังคงเพิ่มขนาดแบตเตอรี่ คุณจะเสี่ยงต่อการสูญเสียความปลอดภัย เริ่มจากเส้นผ่านศูนย์กลาง 46 มม.

อายุการใช้งานแบตเตอรี่ของรถทั้งคันเริ่มลดลงและประโยชน์ส่วนเพิ่มของการลดต้นทุนจะค่อยๆ ช้าลง ดังนั้นจากมุมมองของประสิทธิภาพโดยรวมและราคาของแบตเตอรี่ เส้นผ่านศูนย์กลาง 46 มม. จึงเหมาะสมที่สุด โซลูชันภายใต้ระดับเทคโนโลยีการผลิตในปัจจุบัน

นวัตกรรมเทคโนโลยีของแบตเตอรี่ Tesla 4680

เทคโนโลยี full pole ear

นวัตกรรมที่ใหญ่ที่สุดของแบตเตอรี่ 4680 คือเทคโนโลยีใหม่แบบไม่มีแท็บ หรือที่เรียกว่าเทคโนโลยี full pole ear

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม การใช้ full pole ear สามารถลดเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้ 5%-20% และลดความต้านทานภายในลง 5-10 เท่า มันสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดออฟเซ็ตอิเล็กทรอนิกส์และปรากฏการณ์ที่มีศักยภาพสูงเกินไป และปรับปรุง อายุการใช้งานแบตเตอรี่ นำไฟฟ้า พื้นที่สัมผัสระหว่างสารเคลือบและกล่องแบตเตอรี่ถึง 100% ซึ่งกระจายพื้นที่ทำความร้อนและแก้ปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบ full pole ear ทำให้ระยะการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ในแบตเตอรี่สั้นลง แก้ปัญหาอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นระหว่างการชาร์จและการคายประจุด้วยอัตราสูง ช่วยเพิ่มความเร็วในการชาร์จอย่างมาก และแก้ปัญหาคอขวดของการชาร์จเร็ว

ทีมงานของ Hendrik Pegel จาก RWTH Aachen University ในเยอรมนี ดำเนินการสร้างแบบจำลองพารามิเตอร์บนแบตเตอรี่ทรงกระบอกขนาดใหญ่แบบแถบเต็มแท็บเชิงพาณิชย์จริงที่จัดทำโดย Bick Battery แบตเตอรี่แบบทรงกระบอกสามารถชาร์จอย่างรวดเร็วจาก 10% ถึง 80% SOC ภายใน 12 นาที และรวดเร็ว ประสิทธิภาพการชาร์จสูงกว่าแบตเตอรี่ขั้วเดียวทั่วไปถึงสามเท่า

โครงสร้างอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบด้านเดียวที่นำมาใช้โดยแบตเตอรี่เดี่ยวทรงกระบอกขนาดใหญ่เอื้อต่อการเชื่อมต่อไฟฟ้าในระดับระบบแบตเตอรี่ ในการออกแบบ full pole ear ของ Tesla มีเพียงขั้วที่อยู่ตรงกลางของเปลือกด้านบนเท่านั้นที่เป็นขั้วบวกและเปลือกผิวด้านล่างของขั้วคือขั้วลบ ขั้วบวก และขั้วลบของแบตเตอรี่จะอยู่ในทิศทางเดียวกัน 9 เซลล์คือ ต่อขนานกันเป็นกลุ่ม แต่ละกลุ่ม เซลล์ ขั้วบวกของก้อนแบตเตอรี่ต่อกับขั้วลบของเซลล์กลุ่มถัดไป

แตกต่างจากการเชื่อมลวดอะลูมิเนียมที่ใช้ในแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม เซลล์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ 4680 เชื่อมด้วยเลเซอร์ ซึ่งช่วยขจัดปัญหาความล้มเหลวของตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการต่อสายไฟ ลดจำนวนส่วนประกอบที่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า และลดความต้านทานของส่วนประกอบ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ ซึ่งเอื้อต่อการเพิ่มขนาดของแบตเตอรี่

เมื่อ Tesla ออกแบบแบตเตอรี่ 4680 นวัตกรรมดังกล่าวได้นำเสนอเทคโนโลยี Dry electrode กระบวนการเฉพาะคือการผสมสารยึดเกาะ PTFE แบบผงละเอียด 5%-8% กับผงอิเล็กโทรดบวก/ลบโดยตรงโดยไม่ใช้ตัวทำละลาย และสร้างอิเล็กโทรดบางๆ ผ่านเครื่องอัดรีด แถบวัสดุอิเล็กโทรดจากนั้นเคลือบแถบวัสดุอิเล็กโทรดบนตัวเก็บกระแสไฟฟ้าที่เป็นฟอยล์โลหะเพื่อสร้างอิเล็กโทรดสำเร็จรูป ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในกระบวนการเยื่อกระดาษ การอบแห้งเคลือบ และการกู้คืนตัวทำละลายในวิธีเปียก และปรับปรุงประสิทธิภาพของการเตรียมชิ้นขั้ว กระบวนการนี้ง่ายและได้มาตรฐานสูง และประหยัดต้นทุนการผลิต

ในปัจจุบัน ความหนาแน่นของพลังงานของ Dry electrode มีมากกว่า 300Wh/กก. และอาจสูงถึง 500Wh/กก. ในระยะยาว นอกจากนี้ โครงสร้างของแบตเตอรี่ 4680 ยังเหมาะสำหรับ “การเติมสารซิลิกอน” มากกว่า ประการแรก ลักษณะการม้วนของชิ้นขั้วของแบตเตอรี่ทรงกระบอกสามารถทำให้แรงขยายของแต่ละตำแหน่งของชิ้นขั้วมีความสม่ำเสมอมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ลดการเกิดความเสียหายและริ้วรอย มุม R มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายและริ้วรอยที่เกิดจากความเข้มข้นของความเครียด

นอกจากนี้ เปลือกสแตนเลสของแบตเตอรี่ 4680 ยังมีความแข็งแรงเชิงกลสูงและสามารถดูดซับแรงขยายของขั้วลบได้อย่างเต็มที่ ดังนั้น ตามทฤษฎีแล้ว ซิลิคอนสามารถเจือได้มากขึ้นในขั้วลบของแบตเตอรี่ 4680 ซึ่งคาดว่าจะมีมากกว่า 10% และความหนาแน่นของพลังงานจะดีขึ้นอย่างมาก

โดยสรุป การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่ Tesla 4680 ถือเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่นี้มีข้อได้เปรียบอย่างมาก ซึ่งสามารถปรับปรุงช่วงและประสิทธิภาพของยานพาหนะไฟฟ้า และยังลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตแบตเตอรี่และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของแบตเตอรี่ ด้วยการส่งเสริมอย่างต่อเนื่องของ Tesla และผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ารายอื่น คาดว่าแบตเตอรี่ 4680 จะกลายเป็นมาตรฐานใหม่ในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาและความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมทั้งหมด