Quali sono le tendenze di sviluppo delle batterie?

Le batterie al litio ternarie, note anche come "batterie al litio polimeriche ternarie", sono batterie al litio che utilizzano materiali catodici ternari come ossido di litio nichel cobalto manganese (NCM) o ossido di litio nichel cobalto alluminio (NCA). Il cobalto, utilizzato principalmente per stabilizzare la struttura a strati del materiale e migliorare le prestazioni di ciclo e velocità, è un metallo prezioso indispensabile nelle batterie ternarie.

Il costo è sempre stato un ostacolo allo sviluppo del mercato dei nuovi veicoli energetici. In quanto componente principale dei costi, la "batteria elettrica" ​​è sempre stata al centro della speranza di riduzione dei costi. Ridurre la percentuale e il contenuto di cobalto nelle batterie al litio ternarie ridurrà corrispondentemente il costo complessivo del veicolo, indebolendo l’impatto delle fluttuazioni del prezzo del cobalto sulle aziende. Ciò consentirà alle aziende di passare da un approccio proattivo a uno reattivo, il che andrà a beneficio dello sviluppo del mercato dei nuovi veicoli energetici.

Le batterie-allo stato solido sono un tipo di tecnologia delle batterie. A differenza delle batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio- comunemente utilizzate, le batterie allo stato solido- utilizzano elettrodi solidi ed elettroliti solidi.

Poiché la comunità scientifica ritiene che le batterie agli ioni di litio- abbiano raggiunto i loro limiti, le batterie allo stato solido- sono state recentemente viste come un potenziale successore delle batterie agli ioni di litio-. La tecnologia delle batterie al litio-allo stato solido utilizza un composto di vetro composto da litio e sodio come materiale conduttivo, sostituendo l'elettrolita delle tradizionali batterie al litio e migliorando significativamente la densità energetica delle batterie al litio.

Gli elettroliti a stato solido-hanno un'elevata finestra di stabilità elettrochimica che ne consente l'utilizzo con materiali per elettrodi ad alta-tensione per aumentare ulteriormente la densità energetica della batteria. Gli elettroliti a stato solido-possiedono inoltre un'elevata resistenza meccanica, sopprimendo efficacemente la penetrazione dei dendriti del litio durante il ciclo della batteria, rendendo possibile l'utilizzo del litio metallico, che ha un'elevata densità di energia teorica, come materiale dell'elettrodo negativo. Uno svantaggio degli elettroliti allo stato solido- (un'attuale sfida di sviluppo) è la resistenza estremamente elevata del contatto solido-solido tra l'elettrodo e l'elettrolita.

La batteria blade è un concetto di design completamente nuovo che utilizza celle lunghe eliminando lo stadio del modulo intermedio, integrando direttamente le celle nel sistema batteria. Ciò riduce efficacemente peso e costi, in modo simile alla tecnologia CTP (Cell-to-Pack) di CATL. Nel frattempo, il design della struttura della batteria di BYD prende in prestito il principio delle piastre di alluminio a nido d'ape, utilizzando adesivo strutturale per fissare la cella della batteria tra due strati di piastre di alluminio, consentendo alla cella stessa di agire come componente strutturale per aumentare la resistenza complessiva del sistema.

(Batterie quadrate tradizionali VS batterie Blade)

Il prodotto dell'azienda C è lungo 148 mm, spesso 79 mm e alto 97 mm, con una struttura interna a spirale, simile a un mattone. La cella della batteria a lama è lunga 960 mm, spessa 13,5 mm e alta 90 mm, con una struttura interna impilata. La sua forma lunga e sottile ricorda una lama, da qui il nome "batteria a lama".

Il processo di impilamento prevede il taglio degli elettrodi positivo e negativo in piccoli pezzi, l'impilamento con un separatore per formare piccole celle della batteria, quindi l'impilamento e il collegamento di queste piccole celle in parallelo per formare una grande cella della batteria. Questo è un processo di produzione delle celle della batteria agli ioni di litio.

Ad esempio, le batterie al litio con custodia si basano sullo "impilamento", ad esempio a forma di "Z"-. Innanzitutto, i materiali degli elettrodi positivo e negativo vengono tagliati in fogli rettangolari della stessa dimensione, quindi impilati su un separatore. Il separatore corre a forma di "Z" tra gli elettrodi, separandoli e, infine, è avvolto in un imballaggio di plastica e alluminio-.

ACEY-SSM-CMacchina impilatrice per batterieè un dispositivo che può essere applicato al processo di impilamento delle espansioni polari delle batterie agli ioni di litio-. Il processo di caricamento manuale della pellicola, la successiva correzione della posizione dell'espansione polare e la laminazione vengono completati automaticamente, il che ha le caratteristiche di elevata efficienza di laminazione ed elevata precisione.

Il processo di impilamento è complesso, principalmente a causa del taglio dei fogli di elettrodi e del separatore. Tuttavia, la resa del taglio del foglio dell'elettrodo è bassa ed è difficile mantenere un'elevata uniformità di qualità (sezione trasversale, bave e così via) e la precisione dell'allineamento è insufficiente. Ciò pone requisiti elevati in termini di qualità del processo di produzione. Questo è il motivo principale per cui le batterie impilate non si sono diffuse.

La tecnologia CTP, abbreviazione di Cell To Pack, elimina la progettazione del modulo, integrando direttamente le celle in un pacco batteria, che viene poi integrato nel pavimento del veicolo come parte dei componenti strutturali complessivi.

Questo approccio riduce la quantità di materiale utilizzato nel modulo stesso, come piastre laterali, piastre terminali (componenti strutturali del modulo) e travi (strutture di supporto del pacco batteria) originariamente utilizzate per separare e collegare i moduli. Ciò semplifica notevolmente la struttura complessiva della batteria, libera spazio, consente una maggiore capacità del pacco batteria a parità di dimensioni e riduce il peso del pacco batteria, aumentando così la densità energetica della batteria e riducendo i costi.

La tecnologia CTP ha attualmente due approcci diversi. Esistono due approcci principali: in primo luogo, la completa eliminazione dei moduli, esemplificata dalla Blade Battery di BYD; e in secondo luogo, l'integrazione di piccoli moduli in moduli grandi, rappresentata dalla tecnologia CTP di CATL.

Batteria BYD Blade rispetto a CATL CTP

La tecnologia CTC, abbreviazione di Cell to Chassis, è stata descritta da Zeng Yuqun, presidente di CATL, al China Automotive Blue Book Forum come segue: "Questa tecnologia integra insieme la cella della batteria e il telaio e integra ulteriormente il motore, il sistema di controllo elettronico e i componenti ad alta-tensione del veicolo come convertitori CC/CC e OBC attraverso un'architettura innovativa. Inoltre, ottimizza la distribuzione dell'energia e riduce il consumo di energia attraverso un controller di dominio di potenza intelligente. CTC consentirà ai veicoli a nuova energia di competere direttamente con i veicoli a benzina in termini di costo, fornire più spazio ai passeggeri e migliorare la passabilità del telaio."

In un certo senso, la CTC può essere intesa come un’ulteriore estensione della CTP. Il suo fulcro sta nell'eliminazione del modulo e del processo di imballaggio, integrando direttamente la cella della batteria nel telaio del veicolo, ottenendo un grado di integrazione più elevato.

Tecnologia tradizionale vs. CTP vs. CTC

L'avvento del CTC supera i limiti del PACK (pack technology) e coinvolge direttamente il telaio del veicolo, il componente centrale più critico dell'intero veicolo. Rappresenta un vantaggio fondamentale accumulato dagli OEM attraverso lo sviluppo a lungo-termine ed è qualcosa che le aziende produttrici di batterie/aziende specializzate in PACK trovano difficile sviluppare in modo indipendente. Pertanto, alcuni fornitori di batterie stanno ora pianificando lo sviluppo del telaio.

All'evento Giga Fest tenutosi presso lo stabilimento di Berlino lo scorso anno, Tesla ha presentato la sua soluzione 4680 Structural Battery (CTC)-la batteria 4680 elimina il design del modulo, con celle densamente disposte nel telaio del veicolo. Il coperchio della batteria svolge la doppia funzione di sigillare la batteria e il pavimento del veicolo, mentre i sedili possono essere montati direttamente sul pacco batteria.

Dalle batterie-allo stato solido-senza cobalto alle batterie a lama, ai processi di impilamento e ora alle tecnologie integrate come CTP/CTC, l'attuale sviluppo della tecnologia delle batterie presenta un tema principale chiaro: perseguire la massima densità energetica, costi inferiori e maggiore efficienza di integrazione garantendo al tempo stesso la sicurezza.

Queste tecnologie non esistono isolatamente ma sono intrecciate e si evolvono insieme. Ad esempio, la tecnologia priva di cobalto- mira a risolvere il problema del collo di bottiglia rappresentato dai costi delle materie prime; le batterie-allo stato solido sono viste come la soluzione di prossima-generazione per superare i colli di bottiglia legati alla densità energetica e alla sicurezza; le batterie a lame e i processi di impilamento innovano dal punto di vista della struttura e della produzione delle celle; La tecnologia CTP/CTC ridefinisce il rapporto tra batterie e veicoli dal punto di vista dell'integrazione del sistema e rappresenta un passo rivoluzionario per migliorare l'efficienza del pacco e ottimizzare la progettazione del veicolo.

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