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?特斯拉電池日前瞻(一):電池尺寸

2020-09-21 00:10 作者:PureCosmos  | 我要投稿

尺寸估計

從四天前泄漏出來的特斯拉新電池的照片來看,基本可以確認的是直徑增加到54mm,高度可能比21700略高也可能保持基本不變。(Now you know和TeslaDaily 都給出了75mm的估計,同時TeslaDaily也后續(xù)認為直徑可能只有45mm。)

從Eletreck流出的新電池外觀泄密圖
BCCooper指出的細節(jié)(X54)和最早的尺寸估計
Tesla Daily做的仿制模型,仿拍對比

綜合各種尺寸估計,新電池的體積大概會是21700電池的五到七倍。另外,似乎有應用了五月份特斯拉申請的“無極耳電芯”(Tabless Electron)專利,但不能完全確定。

假定直徑45mm,長度75mm,和2170系列作對比


大尺寸有什么好處?(無關能量密度?。?/strong>

  1. 生產(chǎn)成本,尤其是在電池封裝上的成本節(jié)約。更大的單元體積意味著相同容量的電池模塊只需要更少的電池單元。那么電池單元封裝的一系列相關工序,包括卷繞、注入電解液、焊接,及組裝電池模塊的操作量也相應地大為減少。此外,單純的工藝成本降低外,還以為這生產(chǎn)線占地空間的縮小,和潛在的生產(chǎn)線流速加大。

  2. 電池功率密度的提升。這點從18650到21700系列的變化里就看到過。電池的最大輸入/出的電流增長快于體積的增長,因此更大的電池意味著單位質(zhì)量的能量輸入/出的能力的提升。類比之前21700升級時的功率提升,新尺寸可以大概預估三倍到五倍的功率密度提升。(這個預估未必準確,僅作參考。)而最大功率密度的大幅提升,對于電車來說意味著的潛在性能提升,剎車能量回收中的大電流應對瓶頸的解決,和更快的充電速度。

什么制約著電池的尺寸?(為啥之前不做這么大的電池)

主要來說是電池的熱管理。尺寸越大,表面積/體積比越小,散熱則越困難。此外對于圓柱型的封裝+側(cè)面散熱的設計來說,還有中心散熱隨直徑變大變得更為困難的問題。此外,電芯材料還對電池的進出電流有著上限制約,加大直徑增大電流產(chǎn)生能力但進出不了沒有意義。


什么使得這個大尺寸變得可行?(為啥現(xiàn)在能做這么大的電池)

  1. 從 Maxcell 合并中獲得的干電極技術。該技術據(jù)稱應能大幅減小電芯的內(nèi)阻,且能大幅提高進入電流的上限。(其實兩者都得益于材料的更強的導電性能。)減小內(nèi)阻即意味著從根源上減少發(fā)熱,除了減輕熱管理制約外,還有略微提升能量使用效率的好處。

  2. 無極耳專利的應用,或許新的模塊散熱設計?老馬曾在推特上說 無極耳專利 看似不起眼,其實非常重要,這里可窺見其一角。極耳是什么意思?下圖上為一般電芯展開的一部分,突起部分則為極耳,電芯圈起或折疊起后,極耳也需要焊到一起作為電流進出的橋梁。圖下則為新的無耳極設計,電芯邊緣直接承擔進出的橋梁。(電芯本身其實很簡單,難點在于開放兩段的封裝接口。)

電芯展開局部示意圖,上帶極耳,下不帶極耳

極耳的存在伴隨著一些小問題,首先電流在內(nèi)部需要走過額外的路徑(下圖),這意味著額外的電芯內(nèi)阻和發(fā)熱,且還是造成一定程度的發(fā)熱不均勻。

而無極耳,直接使用邊緣進出電流,使得電流的內(nèi)部路徑得以優(yōu)化(下圖),能夠一定程度上減少內(nèi)阻和發(fā)熱,并規(guī)避掉發(fā)熱不均勻的問題。

除了從源頭上減少發(fā)熱外,去極耳使得另一種模塊散熱方式變得更有吸引力,即兩段散熱(或平板散熱的叫法)。

左圖為用電池兩端連接散熱系統(tǒng),右圖為電池側(cè)面包裹散熱系統(tǒng)

其實電芯材料本身就是很好的導熱材料,而其中的絕緣膜則不是。采用側(cè)面散熱雖然一般來說有更大表面積,而熱量必須通過層層絕緣膜的阻隔。去掉極耳后電池兩段和電芯的連接更直接,而縱向的直接用電芯邊緣散熱,雖然表面積可能更小,但像是“高速熱通道”,效率更高,這點已經(jīng)有相關的實驗支持。且這樣一來可以規(guī)避掉電池徑向散熱不均的問題,即中心部分散熱更困難。另外,兩段的表面積雖直徑呈平方關系,所以電池的直徑大小對這種散熱方案沒有影響。增大電池直徑,原則上不影響這種散熱方案的散熱效率。特斯拉既然大幅增大了電池直徑,且有了無極耳這么一個額外手牌,采用這種散熱方案的概率非常高。

除了以上提到的作用外,無極耳設計還有略微縮小電池體積,幾乎完全去除封裝過程的焊接需要等有點。你明白老馬說的這專利意義重大了么~

以上為電池日前瞻和泄漏出來的電池尺寸相關的內(nèi)容,另外的我可能整理,包括電池分級戰(zhàn)略,無鈷和低鈷電池,百萬英里壽命電池,電池回收,新舊電池應用戰(zhàn)略等等。不過從時間角度看,咕的可能性更高。不管怎樣,電池日那天一些都會揭曉~

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