リチウムイオン電池の新技術

リチウムイオン電池の新技術: 大型シリンダー、ロングコア、その他のイノベーションの機会に焦点を当てる

1. バッテリー開発: 超高速充電、安全性、その他のパフォーマンスが主な方向性です。大型シリンダー、ロングセル、その他の構造革新に焦点を当てる

1.1 バッテリー性能の傾向: 高エネルギー比のバッテリー工場レイアウト、超高速充電、安全性およびその他の技術的方向性

寧徳時間、BYD、その他の中核電池工場は、高エネルギー比、超急速充電、電池安全技術の方向に向けてレイアウトを進めており、実現の道には構造革新、材料革新などが含まれている。

    大手電池工場の寧徳時報は、高エネルギー比、超急速充電、真の安全性など6つの方向性を掲げており、技術の種類には構造革新、材料革新、管理革新などがある。寧徳時報の公式ウェブサイトによると、寧徳時報は高比エネルギー、長寿命、超急速充電、真の安全性、自己充電、構造革新、材料革新、管理革新の6つの方向性を掲げていることがわかります。温度制御とインテリジェントな管理。超急速充電を例にとると、寧徳時間の超急速充電は、最速 5 分間で 80% 充電することを指します。構造の面では、マルチ勾配ポールピースとマルチイヤー方式が採用されており、具体的には次のとおりです。① マルチ勾配ポールピース：ポールピースの多孔質構造、高多孔性構造の上層、高圧固体密度構造の下層の勾配分布を調整することにより、高エネルギー密度と高エネルギー密度のデュアルコアを完全に考慮します。超急速充電;② マルチイヤー：多次元空間の開発 (2) マルチレイヤー：多次元空間ラグ技術の開発。これにより、ポールピースの電流支持能力が大幅に向上し、バッテリーの高温上昇の技術的ボトルネックを突破します。 500A直接充電中のセル。

1.2 新しいタイプの電池/構造の革新: 大きな円筒形、長いセルなどが電池工場の重要なレイアウトの方向性

大型シリンダーやロングセルなど新しい電池形状を積極的に展開している主要電池工場の電池形状、量産進捗状況、性能​​指数、優位性などを徹底的に調べた。 Honeycomb Energy を例にとると、その積層型細長いセル L600 の第 2 世代が開発を完了し、Q3 2022 に量産が達成される予定です。性能指数では、L600単セルの容量は196Ahに増加し、エネルギー密度は185wh/kg以上、体積エネルギー密度は430wh/L以上で、高い互換性、高い適応性、高い安全性などの有利な特徴を備えています。そして長寿命。

(2) 大型円筒型: Tesla、BAK、EVERLIGHT などの電池工場は大型の円筒型電池をレイアウトしています。テスラを例にとると、4680 バッテリーは高ニッケル正極 + シリコンカーボン正極材料と無電極ラグ技術を採用しており、エネルギー密度は 300Wh/kg、バッテリー容量は現在の 2170 ソリューションの 5 倍で、出力電力は6倍高い。さらに、エネルギー密度、出力、充電効率においても利点があります。

2. 大きな円筒形: レーザーの用途が増加すると予想されます。高い機器精度の要件

2.1 大型円筒型電池：Tesla 4680を例に、乾式電極や無電極ラグなどの技術革新が注目

同論文によると、4680円筒型電池は小型の1865型から2170型までの円筒型電池のさらなる構造革新である。以前に使用されていた2170型電池と比較して、4680型電池は発熱を大幅に低減し、高エネルギー密度による放熱の問題を解決した。セル数を増やし、充電と放電のピーク電力を増加させ、最終的に 4680 バッテリーは 2170 バッテリーの 5 倍のエネルギーと 6 倍の電力を実現しながら、コストを 14% 削減し、航続距離を 16% 延長します。

構造革新と製造プロセスの点で、4680 は従来のバッテリーと比較して、乾式電極プロセス、ラグレス (オールラグ)、および CTC テクノロジーという 3 つの主要な技術革新を備えており、その結果、セルの生産コストが削減され、性能が大幅に向上しました。ラグレス技術を例にとると、4680 セルの設計によりコレクタ全体がラグに変わり、導電経路がラグに依存しなくなり、電流伝送がラグに沿ってコレクタ プレートまでの横方向の伝送から縦方向の伝送に変更されます。コレクタにより抵抗が 2m に減少しますΩ 内部抵抗消費量は 2W から 0.2W です。

2.2 乾式電極プロセス: 従来の湿式プロセスと比較して低コスト、中核は電極の配合とフィルム押出装置にあります

Maxwell 乾式電極技術は、現在のリチウム電池の化学反応と高度な新しい電極材料に適しており、製造プロセスで溶媒を使用せず、ロールツーロール生産に拡張できます。コア技術は電極の配合とフィルム形成です。押出装置。

(1) Hieu Duong、Joon Shin、Yudi Yudi による論文「乾式電極コーティング技術」によると、マクスウェルの乾式電極技術は次の 3 つのステップで構成されています: (i) 乾式粉末の混合、(ii) 粉末から薄膜コーティングの成形、(iii) ) 薄膜コーティングと液体収集プレスの 3 つのステップすべてが溶剤を使用しません。マクスウェルの乾式電極プロセスは、現在のリチウムイオン電池の化学的性質や先進的な新しい電池電極材料に拡張可能です。具体的には、マクスウェル独自の乾式プロセスを使用して粉末を混合し、活物質、結合剤、導電性添加剤の最終粉末混合物を形成します。これを押し出し、カレンダー加工して成形します。粉末混合物を押し出し、カレンダー加工して、連続的な自立型乾燥体を形成します。 - ロール状に巻くこともできるコーティングされた電極フィルム。最後に、薄い電極層を集電液と一緒にプレスして電池電極を形成します。

(2) 利点の点では、Hieu Duong、Joon Shin、Yudi Yudi 著の論文「Dry Electrode Coating Technology」によれば、Maxwell 乾式電極プロセスは古典的および先進的な電池材料に適用でき、リールツーに拡張できます。 -従来の湿式電極と比較したリール生産。 (3) コア技術に関しては、Battery World Online によると、マクスウェルの乾式電極プロセスのコア技術は、電極配合とフィルム形成押出技術と装置です。

さらに、乾式電極はパルスレーザーやスパッタリング蒸着などのさまざまな方法で実現できますが、湿式およびマクスウェル乾式電極プロセスと比較して追加の膜アニーリングプロセスが必要です。 Brandon Ludwig、Zhangfeng Zheng、Wan Shou、Yan Wang、Heng Pan による論文「Solvent-Free Manufacturing ofElectrodes for Lithium-ion Batteries」によると、湿式電極の作製プロセスとは異なり、乾式電極はパルス レーザー蒸着によって製造できます。乾式電極プロセスは、パルスレーザーやスパッタリング蒸着などのさまざまな方法で実現できます。乾燥は必要ありませんが、パルスレーザー蒸着によって引き起こされる高温のため、追加の薄膜アニーリングが必要です。本論文で提案する電極作製プロセスは以下の通りである。

(1) 湿式電極作製プロセス① ペーストキャスティングプロセス: リチウム電池の電極は、金属集電体上にペースト (溶媒中の活物質、導電性カーボン、バインダーを含む) をキャスティングすることによって作成されます。最も一般的なバインダーは PVDF (溶媒 NMP にあらかじめ溶解されている) で、得られたスラリーを混合して集電体上にキャストします。乾燥した多孔質電極を製造するには、溶媒を蒸発させるために乾燥する必要があります。乾燥には長い時間がかかり、通常は 120 ℃で 12-24 時間かかります程度また、NMP は高価で汚染があるため、乾燥プロセス中に蒸発した NMP を回収するために回収システムを設置する必要があります (多額の設備投資が追加されます)。

溶媒ベースの静電スプレー堆積: 電極材料は、溶媒ベースの静電スプレー堆積を使用してコレクタに塗布されます。つまり、堆積した材料はノズル内で霧化され、コレクタに塗布されます。この方法で構築された電極は、スラリーキャスト電極と同様の特性を示しますが、時間とエネルギーも必要とする集中的な乾燥プロセスが必要であるという同様の欠点があります (400℃で 2 時間)。程度C)。リチウム電池もスプレー技術を使用して製造されます。この技術では、各電極アセンブリが NMP ベースのコーティングを使用して目的の表面にスプレーされますが、それでも溶媒の蒸発が必要です。

(2) 乾式電極作製プロセスは、パルスレーザーやスパッタリング蒸着などのさまざまな方法によって実現されます。パルスレーザー蒸着は、蒸着する材料を含むターゲットにレーザーの焦点を合わせることで実現され、レーザーがターゲットに当たると材料が蒸発してコレクタ上に蒸着されます。溶媒は使用されていませんが、堆積された膜は 650-800 の温度に耐える必要があります。程度マグネトロンスパッタリング蒸着では、必要なアニーリング温度を 350℃ に下げることができます。程度この方法は、乾電池電極製造の代表的な方法ですが、堆積速度が遅く、高温アニーリングが必要です。

乾式電極プロセスは、主に人件費、設備投資、工場スペースの点で、従来の湿式プロセスよりも安価です。 Brandon Ludwig、Zhangfeng Zheng、Wan Shou、Yan Wang、Heng Pan 著の論文「Solvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries」によると、たとえば、電池設計シナリオ 1 の場合、乾燥電極の生産量は 21.6% です。年間 100,000 セルが生産されると仮定すると、湿式電極の生産よりも直接労働力、設備コスト、工場面積がそれぞれ 14.2%、13.1% 少なくなります。

2.3 ラグレス (オールラグ) テクノロジー: バッテリーの内部抵抗の低減、レーザー溶接量の増加、高い装置精度要件

(全耳) テクノロジーにより、バッテリーの抵抗と内部抵抗の消費を大幅に削減できます。 Yulong Zhao 氏の論文「Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan」によると、 1) 従来の円筒形バッテリー: 正と負の銅箔とアルミ箔ダイヤフラムを重ねて巻き、銅の両端にガイド ワイヤ (ラグ) を溶接します。電極をリードするために箔とアルミ箔を使用します。 (2) 4680 バッテリー: コレクタ全体がラグになり、導電経路がラグに依存しなくなります。電流はラグに沿った横方向の伝達からコレクタへのコレクタの縦方向の伝達に伝達され、全体の導電性が高まります。長さが 1860 または 2170 銅箔の長さの 800-1000mm から 1860 または 2170 銅箔の長さの 800-1000mm から 80mm (セル高さ) に変更され、抵抗が減少します。 2mまでΩ 内部抵抗消費量は 2W から 0.2W となり、一桁低くなりました。

構造設計の特徴: セルの一端にあるラグの接触/導電面積はコレクタと同等かそれより大きい。 GaoGong Lithium の公式 WeChat 公開番号で引用された Tesla の「ラグレス」特許によると、少なくとも 1 つの電極がラグレス バッテリー マウントとして説明されており、具体的には次のとおりです。 1) コアの下位レベル: コレクターの端は白く残されており、コーティングされていません。正負の材料を使用した場合、コレクタ部分は一般化されたラグ、テスラとして理解できます。 「ラグレス」設計の鍵は、ラグの伝導面積がコレクタとまったく同じ、またはラグの接触面積と伝導面積さえもまったく同じであることです。カバーの多様化された構造設計により、コレクタ伝導領域よりも大きくなります。 2) コアの上部レベル: ラグ ソリューションのない 1 つの電極のみが使用される場合、上部端は 18650、21700 コアの設計と同じです。特許分析によると、ラグレス接続の片方の端だけで内部抵抗を5倍に低減する効果が得られます。

(1) 生産プロセス: Automotive Home で引用されている自動車材料ネットワークの公式 WeChat 公開番号によると、誘導ラグの生産プロセスは 2 つあります。つまり、最初に切断してから巻くプロセスと、最初に巻いてからレーザー金型を作ることです。切断、具体的には:① まずカットしてから巻く：緻密な計算により、素材を多くの部分にカットしてから巻きます。巻線が設定されたエネルギーに達すると、溶接が実行されます。巻き取り後のレーザーダイカット：幅やサイズに関わらず素材を直接巻き取り、設定エネルギーに達した後に余った素材をレーザーダイカットするため、高精度が要求されます。

(2) 設備要件: オートハウスと高公リチウムの情報を引用した自動車材料ネットワークの公式 WeChat 公開番号によると、生産設備の観点から見ると、非生産技術の下で 3 つの側面で大きな変更があります。 -極性ラグ (全極性ラグ)、具体的には:① コーティングプロセス: 全極ラグの特定の湾曲形状により、機器の精度に対する要求が高まり、外輪の空白スペースが内輪の空白スペースよりも多くなります。② 切断装置: レーザーダイカットプロセスの要件はさらに高くなります。 (2) 切断装置: レーザーダイカットプロセスの要求が高く、刃先が不均一であるため、材料層のフィットに隙間が生じます。 （3）レーザー溶接：すべてのラグのレーザースポット溶接における溶接継手の数は、21700と比較して5倍以上増加しています。具体的には、溶接プロセスによると、たとえば、Zhao Yulongの論文「Power Battery 4680 full」によると、ラグ技術スキャン」の内容、完全なラグとコレクタ プレートまたはシェルの接続、レーザー溶接技術の要件がより高く、具体的には、従来の 2 つのラグのスポット溶接から完全なラグの表面溶接に、溶接プロセスと溶接量が増加し、レーザーの強度が増加しました。焦点距離は制御が容易ではなく、コアの内側が焼けたり、溶接されなかったりするため、溶接が容易です。さらに、一部の企業は、集電体に溶接特許ではなく圧入を使用することを提案しています。

テスラの CTC テクノロジーを例として、次のように分析します。 1) 4 つのモジュールで構成される 2170 バッテリー パックとは異なり、4680 バッテリー パックは CTC テクノロジーを採用しており、バッテリー パックは車両のベース プレートとして機能します。 InsideEVs 公式ウェブサイトによると、2021 年 10 月のギガベルリン工場見学で披露された新しいモデル Y 構造のバッテリーパックの断面図から、4680 バッテリーパックはモジュール設計を直接排除し、CTC テクノロジーを採用しており、高密度に配置されています。車両のシャーシ、つまり 4680 バッテリー パックを装備したモデル Y の底部がくり抜かれており、バッテリー パックがアンダーボディとして機能します。バッテリーパックは足回りの役割を果たします。対照的に、モデル Y の 2170 バッテリーには 4 つのモジュール (短いモジュール 2 つと長いモジュール 2 つ) があります。そして、当社の航空宇宙用リチウム会社も、大型円筒形バッテリー技術に基づいており、優れたリーダーでもあります。http://www.optimum-china.com