本文主要根據網絡公開的拆解信息與資料,對比一下特斯拉Model 3采用的21700電池和Model Y采用的4680電池的一些技術細節。
Model3長里程版的續航里程能夠達到500公里,電池組容量達到了75kWh,使用了4416節2170電池,電池包由四個模塊組成,中間兩個模塊25串46并,每個模塊1150個電芯;兩邊的模塊23串46并,每個模塊1058個電芯。電池包技術還是CTM傳統的模組技術。
而使用4680電芯的Model Y電池包采用一體化底盤CTC技術,電芯直接集成在汽車底盤。并且將前排主副駕駛座椅、中央控制臺、后排空調出風口等組件直接安裝在電池包上蓋上;前后一體壓鑄式車身組件的壓鑄精度非常高,精度大大提高了效率,也降低了用工量;采用單根蛇形管對電芯的側面進行冷卻,沿車身寬度方向每兩排電芯間布置一冷卻管;電池整包灌膠,讓電芯、上、下殼體內的所有零部件粘固為一體,成為整車結構強度車身的一部分,承受部分剪切力。
21700電池的卷芯兩側放置正極、負極絕緣片,并將引出的極耳焊接到正極頂蓋和負極底蓋上,連接正極的頂蓋包含電流中斷裝置和泄壓裝置,當電池內部壓力過高時,金屬彈片彈開,斷開正極與底蓋的連接,使電池形成斷路。同時當電池內部壓力繼續升高時,泄壓裝置起作用,內部壓力釋放,防止電池爆炸。
而4680電池卷芯兩側焊接正負極集流盤,正極放置絕緣套,然后正極集流盤中間與殼體正極極柱焊接在一起。負極集流盤與負極頂蓋電接觸,負極頂蓋中間留注液口,負極極耳與整個殼體相連通。暫時沒有發現包含電流中斷裝置和泄壓裝置。
21700電池卷芯正負極卷繞后引出單個極耳,正極極耳尺寸為:長76mm*寬3.5mm*厚165μm,重量:110.8mg,在焊接極耳區域的極片兩側均貼了保護膠帶,膠帶尺寸為(66.5 + 66.5)mm*11 mm。
而4680電池卷芯兩側折疊箔材成為極耳,再焊接集流盤。負極集流盤是具有彈性元器件;注液口密封釘材質是銅;集流盤設計6個花瓣,每個花瓣3長2短共5條焊縫;正極集流盤花瓣與邊緣連接,厚度400um;負極集流盤
花瓣與中心連接厚度260um;正極絕緣片覆蓋整個電芯截面積。
21700電池正極極片的極耳焊接在極片中間區域,焊接極耳的未涂布區域尺寸為6mm,以焊接極耳區為界,卷芯內側的涂布極片長度為327mm,外側涂布長度為532mm,極片總長865mm,極片寬度63mm。負極極片極耳焊接在極片內側區域,焊接極耳的未涂布區域尺寸為15mm。極片一面涂布區域長度為865mm,另一面涂布長度比第一面多出61mm單面涂布區域,長度為926mm,極片外側未涂布區域總長22mm,極片總長963mm,極片寬度65mm。
而4680電池的極片采用全極耳設計,極片連續涂布,在集流體一側保留不涂布的區域,卷繞后折疊形成花瓣形極耳。正極極片長度約3300mm,負極長度約3400mm。
21700電池正極極片通過極片截面SEM形貌測量厚度為143μm,其中鋁箔厚度為15μm。極片包含電解液的濕涂層的面密度(不含箔)為50mg/cm2,干燥后面密度(不含箔)為48.4mg/cm2,未涂布的鋁箔面密度為4.1mg/cm2。根據面密度和極片尺寸,計算極片的重量,含電解液的濕電極29.3g,干燥后電極重28.4g。正極材料由類球形顆粒組成,二次顆粒內部包含很多一次顆粒,粒徑呈現三個峰值,分別為7μm、11μm和16μm。這種多粒徑分布形成了高壓實的極片涂層。極片內部可以觀察到碳黑導電劑顆粒。從SEM照片來看,碳黑導電劑含量很低。對正極極片進行能譜分析,顆粒內部沒有探測到碳黑導電劑和粘結劑成分,原子比NiAl=10.05≈0.90.5,即高鎳NCA材料。
21700電池負極極片通過極片截面SEM形貌測量厚度為174μm,其中銅箔厚度為8μm。兩面涂布極片包含電解液的濕涂層的面密度(含銅箔)為34.6mg/cm2,干燥后面密度(含銅箔)為32.9mg/cm2。單面涂布極片包含電解液的濕涂層的面密度(含銅箔)為20.7mg/cm2,干燥后面密度(含銅箔)為19.8mg/cm2。未涂布的銅箔面密度為6.77mg/cm2。根據面密度和極片尺寸,計算極片的重量,含電解液的濕電極20.44g,干燥后電極重19.45g。負極材料由非常致密的片狀石墨和少量硅顆粒組成,極片內可能還包括石墨烯導電劑。負極極片的壓實密度也很高,保證了高的體積能量密度。同樣通過圖像分析負極極片得到,石墨顆粒的粒徑D50為16μm,而硅顆粒粒徑為3μm。對負極極片進行能譜分析,硅顆粒的含量約為3.5wt%。
而4680電池正極使用了 NCM811 材料,EDS能譜分析材料中鎳含量為 81.6%,但似乎沒有鋁。由此推測正極使用了NCM 811 而不是 NCA 。負極材料中沒有硅,而就是石墨。SEM照片測量正極極片厚度180μm,其中鋁箔9-10微米。負極極片紐扣電池測試面容量為為5.5 mAh/cm2。
21700電池總重68.63g,其中,卷芯重49.40g,占71.97%,電解液6.13g,零部件13.10g。0.1C電流時的典型充放電曲線,8個電池測試結果,容量分布如下圖,平均容量為4.77Ah(標稱容量4.78Ah)。
而4680電池總重355g,電池容量為23.35Ah,總能量:86.5Wh,能量密度:244 Wh/kg。
不過4680電池目前采用了比較保守的設計,容量還有非常大的提升空間。以上個人總結,理解不對之處歡迎指正。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:解析4680電池 & 21700電池
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