Malzemeyi bilmek | Pilin başarısı aynı zamanda pilin arızalanmasıdır, Tesla nihayet yardım edemez
Tesla'nın benzinli arabaları değiştirme hayali yakında olabilir.
27 Şubat'ta Tesla'da "makine imalatı için makineler" (tek başına üretim ekipmanı) stratejisi ile daha ucuz piller üretmeyi hedefleyen Roadrunner adlı gizli bir proje ortaya çıktı. Bu proje Tesla'nın son pil araştırma başarılarını birleştiriyor. Elektrikli araç medya electrek'e göre amacı, güç pillerinin maliyetini ABD'deki benzinin maliyetinden daha düşük olan 100 $ / kWh'ye düşürmek.
Amerikan medyası, "Seri üretimle birleştirilirse, elektrikli araçların popülerleştirilmesi için" Kutsal Kase "dir." Bir Tesla pil üretim mühendisi heyecanla: "Gelin ve lityum iyon pil üretim teknolojisini yeniden şekillendirmek için bize katılın!"
Tesla'nın bu başarıyı nasıl elde edeceği 20 Nisan'daki Pil Günü'nde açıklanacak. "Hiçbir kobalt, lityum demir fosfat olması gerektiği anlamına gelmez." Tesla daha önce açıklamıştı. Bunun yüksek nikel katot + silikon anot + kuru pil elektrot hazırlığı + süper kapasitör güç geri kazanımı kullanan bir pil çözümü olduğuna inanmak için nedenler var.
3 Şubat'ta Tesla, yerli Model 3'te ucuz lityum demir fosfat piller kullanmak için güç pil lideri Ningde Times ile işbirliğini duyurdu. Bu, telafi ettikten sonra Çin pazarının kapısını açtı.
Tesla'nın geliştirme süreci, üretim teknolojisi ve pil teknolojisinde neredeyse iki ayaklıdır: 18650 lityum kobalt oksit pillerin kullanımına öncülük etmekten, NCA üçlü lityum pilleri tercih etmenin yeni bir yoluna ve fiyatları düşürmek için lityum demir fosfat pilleri kullanmaya kadar. Ayrıca yüksek nikel ve kobalt içermeyen pil teknolojisini keşfedin.
4WD aküyü spor arabaya koyun
1980 yılında Goodenough, katot olarak lityum kobalt oksit (LixCoO2) içeren bir lityum iyon pil icat etti. Bu pil icat edildikten sonra, Sony aktif olarak zeytin dalını genişletene kadar endüstri tarafından tanınmadı. 1991 yılında Sony ilk ticari lityum iyon pili 18650'yi piyasaya sürdü.
18650, pil özelliklerini ifade eder: çap 18 mm, uzunluk 65 mm, 0, silindirik anlamına gelir. Lityum kobalt oksit pillerin, lityum demir fosfat pillerin ve NCA üçlü pillerin adlarının tümü katot malzemelerine atıfta bulunmaktadır.
Çığır açtığını anlamak için önce pilin prensibi hakkında konuşmalıyız. Pil katodunda lityum elektron kaybeder ve daha yüksek fiyatlı lityum iyonlarına dönüştürülür ve elektrolite girer, ardından diyaframdan geçer ve anoda aktarılır. Lityum iyonları elektrolit ve diyaframdan geçebilse de elektronlar geçemez, sadece dış devreden anoda koşabilir ve harici olarak iş yapabilirler. Bu, pilin deşarj işlemidir.
Lityum kobalt oksit pil ilkesi, kaynak: Görsel Kapitalist
Lityumun avantajı, daha fazla elektron sağlayabilmesidir. Sadece atomun dış elektronları transfer edip işe katılabildiğinden, atom ağırlığı ne kadar küçükse, enerji yoğunluğu o kadar büyük olur. 3 numaralı element olarak lityum, doğada iki izotoptan oluşur ve bağıl atom ağırlığı yalnızca 6,9'dur. Ek olarak, lityum iyonlarının küçük yarıçapı, elektrolit içinde hareket etmeyi kolaylaştırarak, şarj ve deşarjı daha hızlı ve daha verimli hale getirir.
18650 lityum kobalt oksit pil icat edildikten sonra küçük boyutu ve yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle elektronik ürünlere hızla uygulandı. Ama aynı zamanda bir kusuru da var: Lityum kobalt oksit, voltaj 4,6V'den yüksek olduğunda bir faz değişikliğine uğrayacak ve daha yavaş lityum iyon difüzyonuna, katot materyali üzerinde gerilmeye ve kristal yapının çökmesine neden olacaktır.
Bu nedenle 1997 yılında Goodenough, şu anda Tesla ve CATL tarafından üretilen bir pil olan lityum demir fosfat pili icat etti. Bu pil daha kararlıdır, yüksek voltaj altında ısı üretmez ve pahalı kobalt içermez. Ancak daha düşük enerji yoğunluğuna ve daha düşük güce sahiptir. Bu tür bir pilin benimsenmesi, aslında maliyet için en iyiyi arayan bir tür yöntemdir.
Birkaç büyük lityum iyon pil, metal bileşenler ve lityum dışındaki kullanımlar, kaynak: Görsel Kapitalist
2003 sonbaharında Elon Musk'ın çılgın bir fikri vardı: Elektrikli bir arabaya güç sağlamak için 10.00018650 lityum kobalt oksit pili seri olarak bağlamak. Bir pil uzmanıyla tanıştı ve Musk'tan J. B. Straubel'e hayran kaldı. Onların vizyonuna göre, bu 25 milyon ABD doları bütçeli basit bir proje: sadece birkaç mühendis ve benzinli arabayı yeniden donatmak.
2005 yılında, ilk Tesla Roadster prototipi yola çıktı. Ancak kısa süre sonra ilk engelle karşılaştılar.
2007'deki Amerikan Bağımsızlık Günü'nde festivale katılan Tesla mühendisleri bir karnaval için birbirine bağlanmış 20 pil yaktı. Bu piller bir roket gibi uçtu. Tesla çalışanları soğuk ter içinde patlak verdi: Roadster zenginler için yapıldı Zengin bir adam bu arabada oturup alevler içinde ölse ne olur?
Pilin voltajını ve akımını kontrol etmek ve daha iyi ısı dağılımı sağlamak için yeni bir teknoloji bulmaları gerekir.
Şu anda Tesla'nın kurucularından Mark Tarpening işe yaradı. Tesla pillerini kontrol etmek için ağ sunucusu yönetimi yöntemini kullandı ve hiyerarşik bir yönetim şeması geliştirdi: 6918650 pil, bir pil tuğlası oluşturmak için paralel olarak kapsüllenir; 9 pil tuğlası, bir pil dilimi oluşturmak için seri olarak bağlanır; 11 Pil dilimleri, toplam 6831 bölümden oluşan bir pil paketi oluşturur.
Tek bir hücre (Hücre), bir pil modülü (Modül) ve ardından bakım sırasında kolayca değiştirilebilen bir pil paketi (Paket) oluşturur. Bu üç seviye aynı zamanda bağımsız akü izleme sistemlerine sahiptir ve sigortalarla donatılmıştır Akım çok büyük olduğunda veya akü aşırı ısındığında, sigortalanacak ve gücü kesecektir.
Bu pil kontrol sistemi Tesla'nın temel varlığı haline geldi.İlk piyasaya sürüldüğünde 20.000 ABD dolarından fazlaya mal olduğu söyleniyor ve sektör uzmanları tarafından eleştirildi. Ancak birbiri ardına yangın kazası geçiren diğer elektrikli araçlar Chevrolet Volt ve Fisker Karma ile Tesla Roadster güvenliğini kanıtlamış ve tüketiciler tarafından kademeli olarak kabul görmüştür. Relecura'ya göre Tesla'nın patentlerinin çoğu Pil, Şarj ve Elektrik Motoru ile ilgilidir.
Tesla patentlerinin dağılım istatistikleri, kaynak: Relecura
Tesla 2007 yılında Roadster pil sisteminin teknik ayrıntılarını açıkladı ve neden 18650'yi desteklediğini açıkladı: yeterince küçük, bu nedenle arızanın etkisi büyük boyutlu pil hücrelerinden daha az. Yüzey alanı / hacmi de iyi bir ısı dağılımı sağlayacak kadar büyüktür. En önemlisi tüketici pazarında yaygın olarak kullanılması, maliyetler düşerken enerji yoğunluğunu ve gücü arttırmasıdır.
500'den fazla tedarikçiyi denedikten sonra Tesla, 18650 lityum kobalt oksit pil üretmek için Roadster'da Panasonic'i seçti. O zamanlar, pil maliyeti 600-800 ABD doları / kWh idi, bu ABD benzininin yaklaşık 3-4 katı idi. Bu Roadster, zenginler için bir darboğaz değil, ancak elektrikli araçları popüler hale getirmek için hala çok pahalı. ABD Çevre Koruma Ajansı'nın verilerine göre Roadster'ın NEDC'si 393 kilometre seyir menziline sahip. Benzinli otomobil pazarını ele geçirmek için hala artmaya devam etmesi gerekiyor.
Daha ucuz piller arıyor
Tesla, Model S'yi üretirken gözünü üçlü lityum pillere dikti. Güç pili alanında genellikle iki tür pil vardır: NCA811 (nikel kobalt alüminyum lityum pil) veya NCM811 (nikel kobalt manganez lityum pil). 811, üç malzemenin oranını temsil eder. Tesla eskisini kullanıyor.
Üçlü bir lityum pilin avantajı, katodunun tek bir malzemeden daha yüksek bir enerji yoğunluğu elde edebilen üç malzemeden oluşmasıdır. NCA811 pil için enerji yoğunluğu 250Wh / kg'a ulaşabilir. Tesla'nın Roadster'da kullandığı 18650 lityum kobalt oksit pilin enerji yoğunluğu 211 Wh / kg'dır.
Bir lityum pilin anot grafitinin lityum iyon kapasitesi katodunkini çok aştığından, enerji yoğunluğunun iyileştirilmesi esas olarak katot üzerinde yapılır. Üçlü lityum pillerde, kobaltın nikele oranını artırmak, termal stabiliteyi ve enerji yoğunluğunu artırabilir. Bu aynı zamanda pilleri küresel olarak iyileştirmenin ana yoludur. Visual Capitalist'in istatistiklerine göre, 2020'de küresel pillerin yaklaşık% 75'i belirli miktarda kobalt içeriyor.
Ancak kobaltla ilgili sorun, çok pahalı olmasıdır. Nikel dünya çapında yaygın olarak dağıtılır ve yer kabuğunun içeriği oksijen, silikon, alüminyum, demir ve magnezyumdan sonra ikinci sıradadır. Ve küresel kobalt üretiminin% 60'ı Kongo'dan geliyor. Bu bölge silahlı çatışmalar ve çocuk işçiliğiyle yakından ilgileniyor. Arzın büyüme oranı talebin çok altında. 2015'ten önceki yirmi yılda, kobalt fiyatı altı kat artarak 20.000 ABD $ / tondan 120.000 ABD $ / tona yükseldi.
Kobalt fiyatı yılla yükseldi
NCA pilinde kobalt içeriği% 5'tir (NCM% 10'dur). Bu, Model S'nin yaklaşık 240 $ / kWh olan pil maliyetlerini düşürmeye devam etmesini sağlar.
Tabii ki, NCA pilinin katodu NCM'den daha dengesizdir ve 250-300 Santigrat derecede ayrışacaktır.Elektrikli bir araç bir darbe aldığında, pil diyaframı kırılır ve kısa devreye neden olur, bu da pil sıcaklığının kolayca 300 santigrat dereceyi aşmasına neden olabilir. Bu, Tesla'nın pil yönetimi ve ısı dağılımı üzerinde daha yüksek bir test getirir. Ancak toplam araç maliyetinin% 40'ını oluşturan aküler karşısında fiyat öncelikli meseledir.
Çin'in Ningde dönemi gibi, Panasonic de Tesla Express'i aldı ve üretim kapasitesi de ileriye doğru sıçradı. Ekim 2013'te Panasonic ve Tesla, önümüzdeki dört yıl içinde Model S için 1,8 milyar pil tedarik etmek için bir anlaşma imzaladı. Eylül 2014'te, iki taraf Nevada'da bir lityum iyon pil fabrikası olan Gigafactory 1'i kuracaklarını açıkladı.
Panasonic'in başkan yardımcısı Yoshihiko Yamada bir keresinde şöyle demişti: "Bugünün pil üretim kapasitesi öncekinin üç katı. Neden? Bu, Tesla ve Panasonic çalışanlarının birlikte çalışmasının bir sonucudur." Panasonicin müşteri yapısı son derece basittir ve ana müşteri Tesla'dır. Sırada Toyota var. Yamada Yoshihiko'nun sözleriyle, iki taraf arasındaki ilişki "yakın ve benzersiz".
Ancak, Panasonic'in üretim kapasitesi kademeli olarak Tesla'yı ağırlamaya başladı. 13 Nisan 2019'da Musk, Süper fabrikanın hücre kapasitesi yalnızca 24GWh. Temmuz'dan bu yana Model 3'ün kapasitesi sınırlı. Kapasite 35GWh'ye ulaşana kadar Tesla artık para yatırmayacak. "
Panasonic, tam tersine, Model 3'ün seri üretimine ayak uydurmak için Gigafactory 1'e yatırım yapıyor. 2018'in sonunda yayınlanan altı aylık rapor, pil işinin dörtte iki zarara uğradığını gösteriyor. Nikkei, 2019'da ayrıca iki tarafın 2020'de fabrika üretim kapasitesini 35GWh'den 54GWh'ye çıkarmayı planladığını bildirdi.
Ağustos 2019'da bazı medya kuruluşları, Tesla'nın Çin'de üretime giren elektrikli araçlar için daha fazla pil satın almak için LG Chem ile işbirliği yapmayı planladığını keşfetti. Aralık 2019'da, Çin Halk Cumhuriyeti Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı, yerli Model 3'ün sırasıyla Panasonic ve LG Chem pilleri kullanan iki tip pil olduğunu ve NEDC seyir menzilinin (gerçek yol koşullarına yakın) 445 olduğunu gösteren "Yeni Enerji Araçlarının Tanıtımı ve Uygulaması için Önerilen Modeller" i yayınladı. Km ve 455 km, enerji yoğunluğu sırasıyla 145 Wh / kg ve 153 Wh / kg'dır.
Eylül ayında, Panasonic Başkanı Tsuga Kazuhiro medyadan az önce kustu: "Elon birçok kez satın alma fiyatını düşürmek istedi ve ben ona yanıt verdiğimde. Bu devam ederse, tüm süper fabrikayı kaldırmayı düşünmeliyiz. Panasonic çalışanları ve ekipmanları. "Tesla Gigafactory'ye yatırım yapmaktan pişman olup olmadığı sorulduğunda," Evet, tabii ki "diye yanıtladı.
Tesla'nın empatisi ve sevgisi henüz bitmedi. 3 Şubat 2020'de CATL, Çin'in kurulu güç bataryası kapasitesinin% 50'sinden fazlasının lideri olarak Tesla'ya lityum iyon piller sağlayacağını duyurdu. Bu bir lityum demir fosfat (LiFePO4) pildir.Kobalt içermemesine rağmen düşük enerji yoğunluğuna sahiptir.160 Wh / kg enerji yoğunluğu elde etmek için CTP (Cell to Pack, yani pil paketine doğrudan entegre edilmiştir) teknolojisine bağlıdır ve düşük sıcaklıklarda çalışır Ayrıca NCA'dan daha düşük.
Ama avantajı ucuz olması.Çin Kimya ve Fiziksel Güç Endüstrisi Birliği'nin verilerine göre lityum demir fosfat pillerin fiyatı 0,7 yuan / Wh'nin altına düşebilirken, üçlü lityum piller genellikle 0,9 yuan / Wh'dir. Orient Securities'den bir analiste göre, 50kWh modelini örnek alarak, üçlü lityum pilden lityum demir fosfat pile geçmek sübvansiyonu yaklaşık 2.000 yuan azaltacak, ancak pil maliyeti 12.000 yuan azaltılabilir.
İnsanların sıklıkla söylediği "kobalt içermeyen pil" in daha düşük enerji yoğunluğuna sahip lityum demir fosfat piller kullanmak yerine üçlü lityum pillerdeki kobalt miktarını azaltmayı ifade ettiğini belirtmek gerekir. Yerli Model 3'te lityum demir fosfat pillerin kullanımı, Tesla tarafından fiyatı düşürmek için kullanılan bir geçici önlem olabilir.
"Kaderinizin Efendisi" olun
Tesla 21 Şubat'ta resmi hesabından yaptığı açıklamada, "Kobalt yok, lityum demir fosfat olması gerektiği anlamına gelmiyor." Ayrıca Nisan ayında bir pil konferansı yapacağını da söyledi. Tesla'nın kendi kobalt içermeyen pilinin ilerlemesini duyurması muhtemel.
Ping An Securities'e göre Tesla'nın, yüksek nikel katot + silikon karbon anot (lityum katkılı) + kuru elektrot + süper kapasitörden oluşan bir teknoloji kombinasyonunu benimsemesi bekleniyor.
Bu yargı, sektör algılarıyla çok tutarlıdır. Yüksek nikel katotlar enerji yoğunluğunu artırabilir, ancak termal kararlılığı azaltacaktır ve kuru elektrotlar bu sorunu çözebilir. Silikon katkılı negatif elektrot, lityum iyon kapasitesini artırabilir ve negatif elektrotun bir darboğaz haline gelmemesini sağlayabilir. Süper kapasitörler, araçları çalıştırırken ve durdururken boşa harcanan enerjiyi geri kazanabilir.
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde Tesla bu ana hazırlandı:
-
2019 yılında, temel teknolojisi süper kapasitörler ve kuru elektrotlar olan bir süper kapasitör üreticisi olan Maxwell'i satın aldı.
Bunların arasında süper kapasitör, elektrikli aracın hızlanması, yavaşlaması, çalıştırılması ve durdurulması ile boşa harcanan enerjiyi geri kazanabilir ve ana güç olarak lityum pil ile birlikte kullanılabilir. (Veri depolamayı karşılaştırırsanız, lityum piller sabit disklere eşdeğerdir ve süper kapasitörler belleğe eşdeğerdir.) Maxwell, 2017'de hibrit platform için süper kapasitör + lityum pil çözümü için bir patent başvurusunda bulundu.
Kuru elektrot teknolojisi, elektrot yapılırken bağlayıcı ve pozitif elektrot tozunun doğrudan karıştırılması, elektrot malzeme levhasının ekstrüzyonu ve ardından metal folyo üzerine bastırılması anlamına gelir. Üçlü lityum pilin yüksek nikel elektrotunun zayıf termal kararlılığının üstesinden gelebilir, böylece pil enerji yoğunluğu 300 Wh / kg'dan daha büyük olabilir ve 500 Wh / kg'a ulaşmak için uygun bir yol vardır.
-
2019 yılında lityum pil ekipmanı üreticisi Hibar'ı satın aldı. Bu, pil üretim ekipmanı alanında lider şirkettir ve hassas ölçüm pompaları, sıvı enjeksiyon sistemleri ve pil üretim sistemleri ile tanınır.
-
Electrek raporlarına göre 2020 yılında Tesla, Fremont'ta bir pilot pil üretim hattı inşa ediyor ve pil üretmek için kendi ekipmanını kullanmayı planlıyor. Bundan önce, Haziran 2019'da Tesla'nın Fremont'taki "Skunkworks Lab" adlı pil tasarım ve üretim laboratuvarı açığa çıktı.
-
2020'de bazı analistler Tesla'nın SilLion'u satın aldığını iddia etti. Bu şirket, ticari silindirik piller için silikon anotlar, yüksek nikel NCM katotları ve yanıcı olmayan iyonik elektrolitler geliştirmektedir. Bu, anot performansını artırabilen birkaç patentten biridir. 6 karbon atomu başına 1 lityum iyonu depolayan grafit anotlara kıyasla silikon anotlar, silikon atomu başına 4.4 lityum iyonu depolayabilir.
Tesla'nın kendi geliştirdiği piller üzerinde NCM rotasını keşfedebileceğini belirtmekte fayda var. Tesla 2016'da NCM pil uzmanı olan 3M'den pil araştırma ortağı Jeff Dahn'ı işe aldı. 2017'de bir teknoloji gösterdi: pilin 480.000 kilometre sonra çalışmasına izin vermek için belirli bir NCM pil bileşimini iyileştirmek. Fabrika kapasitesinin hala% 95'i var. Eylül 2019'da yazısında 1,6 milyon kilometreden fazla elektrikli araçlarda kullanılabilen bir bataryayı anlattı. Tesla'nın yakın zamanda satın aldığı SilLion, NCM alanında patentlere sahip. Son zamanlarda, yerli Model 3, LG Chem'in NCM pilini kullandı.
2019 hissedarlar toplantısında, Tesla'nın emektarlarından JB Straubel (Tesla pil uzmanı ve CTO idi): "Büyük ölçekli pil üretim çözümlerine ihtiyacımız var." Tesla teknoloji başkan yardımcısı Drew. · Baglino, "Umarım Tesla pil alanında 'kendi kaderlerinin efendisi' olabilir." Tesla'nın intihar ettiği ve piller alanına girdiği düşünülebilir.
Referans malzemeleri:
"Tesla'nın Pil Gücü Rüyası", Ping An Research
"Pil Teknolojisinin Geleceği", Jeff Desjardins
"Tesla ve Panasonic" Savaşı ", Lu Sanjin
"Musk: Şimdi ne yapacağım, bil bakalım ne oldu" Sun Mingyuan
"Lityum kobalt oksit pilleri otomobillere ilk uygulayan, Tesla neden yaptı? ", Ren Haining
