리튬이온 배터리 신기술

리튬이온 배터리 신기술: 대형 실린더, 긴 코어 및 기타 혁신 기회에 중점

1. 배터리 개발: 초고속 충전, 안전 및 기타 성능이 주요 방향입니다. 대형 실린더, 긴 셀 및 기타 구조적 혁신에 중점

1.1 배터리 성능 동향: 높은 에너지 비율, 초고속 충전 및 안전성을 갖춘 배터리 공장 레이아웃 및 기타 기술 방향

Ningde Time, BYD 등 핵심 배터리 공장은 고에너지 비율, 초고속 충전 및 배터리 안전 기술 방향으로 배치되고 있으며 실현 경로에는 구조 혁신, 재료 혁신 등이 포함됩니다.

    선도적인 배터리 공장인 닝더타임스는 높은 에너지 비율, 초고속 충전, 진정한 안전성 등 6가지 방향을 제시했으며, 기술 유형에는 구조 혁신, 소재 혁신, 경영 혁신이 포함된다. 닝더타임스 공식 홈페이지에 따르면 닝더타임스는 구조혁신, 소재혁신, 경영혁신 등 6가지 방향으로 고비에너지, 장수명, 초고속 충전, 진정한 안전, 자가 충전 등을 내세운 것을 알 수 있다. 온도 및 지능형 관리를 제어합니다. 초고속 충전을 예로 들면, Ningde Time의 초고속 충전은 가장 빠른 5분에서 80% 충전을 의미하며, 구조 측면에서 다중 구배 폴 피스 및 다중 이어 방식이 채택됩니다. 구체적으로 다음과 같습니다.① 다중 구배 폴 피스: 폴 피스의 다공성 구조, 고다공성 구조의 상층, 고압 고체 밀도 구조의 하층의 기울기 분포를 조절하여 고에너지 밀도의 듀얼 코어와 초고속 충전;② 다중 귀: 다차원 공간 개발 (2) 다층: 다차원 공간 러그 기술 개발로 폴 피스의 현재 지지력을 크게 향상시키고 배터리 고온 상승의 기술적 병목 현상을 돌파합니다. 500A 직접 충전 중 셀.

1.2 새로운 유형의 배터리/구조 혁신: 대형 원통형, 긴 셀 등은 배터리 공장의 중요한 레이아웃 방향입니다.

대형 실린더, 롱셀 등 새로운 배터리 형태를 적극적으로 내놓고 있는 주요 배터리 공장의 배터리 형태, 양산 진행 상황, 성능 지표, 장점 등을 짚어봤다. Honeycomb Energy를 예로 들면, 2세대 적층형 길고 얇은 셀 L600이 개발을 완료했으며 Q3 2022에 대량 생산을 달성할 것으로 예상됩니다. 성능지수 측면에서는 L600 단일셀의 용량이 196Ah로 늘었고, 에너지밀도는 185wh/kg 이상, 체적에너지밀도는 430wh/L 이상으로 높은 호환성, 높은 적응성, 높은 안전성 등의 장점을 갖고 있다. 그리고 장수.

(2) 대형 원통형 배터리: Tesla, BAK, EVERLIGHT 등 배터리 공장에서 대형 원통형 배터리를 배치하고 있습니다. Tesla를 예로 들면, 4680 배터리는 고니켈 음극 + 실리콘 탄소 음극 재료와 무전극 러그 기술을 채택하고 에너지 밀도는 300Wh/kg이며 배터리 용량은 현재 2170 솔루션보다 5배 더 높으며 출력 전력은 6배 더 높습니다. 또한 에너지 밀도, 전력 및 충전 효율에서도 장점이 있습니다.

2. 대형 원통형: 레이저 적용이 확대될 것으로 예상된다. 높은 장비 정밀도 요구 사항

2.1 대형 원통형 배터리: Tesla 4680을 예로 들면 건식 전극, 무전극 러그 등 기술 혁신이 주목할 만합니다.

논문에 따르면 4680 원통형 배터리는 더 작은 1865년부터 2170년까지 원통형 배터리의 추가적인 구조 혁신입니다. 이전에 사용된 2170 배터리와 비교하여 4680 배터리는 열 발생을 크게 줄이고 높은 에너지 밀도의 방열 문제를 해결합니다. 셀, 충전 및 방전의 피크 전력을 증가시켜 궁극적으로 4680 배터리를 2170 배터리보다 5배 더 많은 에너지와 6배 더 많은 전력으로 만드는 동시에 비용을 14% 줄이고 범위를 16% 늘립니다.

구조적 혁신과 제조 공정 측면에서 4680은 이전 배터리에 비해 건식 전극 공정, 러그리스(올 러그), CTC 기술이라는 세 가지 주요 기술 혁신을 통해 셀 생산 비용을 낮추고 성능을 크게 향상시켰습니다. 러그리스 기술을 예로 들면, 4680 셀 설계는 전체 컬렉터를 러그로 바꾸고 전도성 경로는 더 이상 러그에 의존하지 않으며 전류 전송은 러그를 따라 컬렉터 플레이트까지의 가로 전송에서 세로 전송으로 변경됩니다. 저항을 2m로 줄이는 컬렉터Ω 내부 저항 소비는 2W에서 0.2W까지입니다.

2.2 건식 전극 공정: 기존 습식 공정에 비해 비용이 저렴하며 핵심은 전극 제제 및 필름 압출 장비에 있습니다.

Maxwell 건식 전극 기술은 현재 리튬 배터리 화학 및 첨단 신규 전극 재료에 적합하며 제조 공정에서 용매를 사용하지 않으며 롤투롤 생산으로 확장할 수 있으며 핵심 기술은 전극 제제 및 필름 형성입니다. 압출 장비.

(1) Hieu Duong, Joon Shin 및 Yudi Yudi의 "건식 전극 코팅 기술" 논문에 따르면 Maxwell의 건식 전극 기술은 (i) 건식 분말 혼합, (ii) 분말에서 얇은 코팅 성형, (iii) 3단계로 구성됩니다. ) 얇은 코팅 및 유체 수집 프레싱, 세 단계 모두 무용제입니다. Maxwell의 건식 전극 공정은 현재의 리튬 이온 배터리 화학 및 첨단 새 배터리 전극 재료로 확장 가능합니다. 구체적으로, Maxwell의 독점적인 건식 공정은 분말을 혼합하여 활성 물질, 결합제 및 전도성 첨가제의 최종 분말 혼합물을 형성하는 데 사용되며, 이는 압출 및 캘린더링되어 형성됩니다. 분말 혼합물은 압출 및 캘린더링되어 연속적이고 자립형 건조물을 형성합니다. -롤로 감길 수도 있는 코팅된 전극 필름. 마지막으로 얇은 전극층을 집전액과 함께 압착하여 배터리 전극을 형성합니다.

(2) 장점 측면에서 Hieu Duong, Joon Shin, Yudi Yudi의 논문 "건식 전극 코팅 기술"에 따르면 맥스웰 건식 전극 공정은 고전 및 고급 배터리 소재에 적용할 수 있으며 릴투(reel-to)로 확장할 수 있습니다. -기존 습식 전극과 비교한 릴 생산. (3) 핵심 기술 측면에서 Battery World Online에 따르면 Maxwell 건식 전극 공정의 핵심 기술은 전극 포뮬레이션 및 필름 형성 압출 기술 및 장비입니다.

또한, 건식 전극은 펄스 레이저, 스퍼터링 증착 등 다양한 방법으로 구현할 수 있어 습식 및 맥스웰 건식 전극 공정에 비해 추가적인 막 어닐링 공정이 필요하다. Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang 및 Heng Pan의 "리튬 이온 배터리용 전극의 무용매 제조" 논문에 따르면, 습식 전극 준비 공정과 달리 건식 전극은 펄스 레이저 증착으로 제작할 수 있습니다. 건식 전극 공정은 펄스 레이저, 스퍼터링 증착 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있는데, 이는 건조가 필요하지 않으나, 펄스 레이저 증착으로 인한 고온으로 인해 추가적인 박막 어닐링이 필요하다. 본 논문에서 제안하는 전극 준비 과정은 다음과 같다.

(1) 습식 전극 제조 공정① 페이스트 캐스팅 공정: 리튬 배터리 전극은 페이스트(용매, 전도성 탄소 및 바인더에 활성 물질 포함)를 금속 집전체 위에 캐스팅하여 만들어집니다. 가장 일반적인 바인더는 PVDF(용매 NMP에 사전 용해됨)이며, 생성된 슬러리를 혼합하여 집전체 위에 캐스팅합니다. 이를 건조하여 용매를 증발시켜 건조된 다공성 전극을 생성해야 합니다. 건조 시간이 오래 걸립니다. 일반적으로 120도에서 12-24시간입니다.도C. 또한 NMP는 비용이 많이 들고 오염성이 높기 때문에 건조 공정 중에 증발된 NMP를 회수하려면 회수 시스템을 설치해야 합니다(상당한 자본 투자 추가).

용매 기반 정전 스프레이 증착: 전극 재료는 용매 기반 정전 스프레이 증착을 사용하여 수집기에 적용됩니다. 즉, 증착된 재료는 노즐에서 원자화되어 수집기에 적용됩니다. 이러한 방식으로 구성된 전극은 슬러리 주조 전극과 유사한 특성을 나타내며 시간과 에너지가 필요한 집중적인 건조 공정이 필요하다는 유사한 단점이 있습니다(400°C에서 2시간).도기음). 리튬 배터리는 또한 NMP 기반 코팅을 사용하여 각 전극 어셈블리를 원하는 표면에 분사하는 스프레이 기술을 사용하여 생산되지만 여전히 용매 증발이 필요합니다.

(2) 건식 전극 준비 공정은 펄스 레이저, 스퍼터링 증착 등 다양한 방법으로 이루어집니다. 펄스 레이저 증착은 증착할 재료가 포함된 타겟에 레이저의 초점을 맞추는 방식으로 이루어지며, 레이저가 타겟에 닿으면 재료가 증발하여 컬렉터에 증착됩니다. 용매를 사용하지 않더라도 증착된 필름은 650-800의 온도를 견뎌야 합니다.도C, 마그네트론 스퍼터링 증착은 필요한 어닐링 온도를 350°C로 줄일 수 있습니다.도C. 이 방법은 대표적인 건전지 전극 제조법이지만 증착 속도가 느리고 고온 어닐링이 필요합니다.

건식 전극 공정은 주로 인건비, 장비 투자 및 공장 공간 측면에서 기존 습식 공정보다 비용이 저렴합니다. 예를 들어 Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan의 "리튬 이온 배터리용 전극의 무용제 제조" 논문에 따르면 배터리 설계 시나리오 1의 경우 건식 전극 생산량은 21.6%입니다. 연간 100,{10}} 셀을 생산한다고 가정할 때 습식 전극 생산에 비해 직접 노동력, 장비 비용, 공장 면적이 각각 14.2%, 13.1% 적습니다.

2.3 Lugless(all-lug) 기술: 배터리의 내부 저항을 줄이고 레이저 용접 볼륨을 높이며 장비 정밀도 요구 사항을 높입니다.

(올이어) 기술은 배터리의 저항과 내부 저항 소비를 크게 줄일 수 있습니다. Yulong Zhao의 논문 "Power Battery 4680 Full Lug Technology Scan"에 따르면: 1) 기존 원통형 배터리: 양극 및 음극 구리 호일과 알루미늄 호일 다이어프램이 쌓여 감겨져 있고 가이드 와이어(러그)가 구리의 각 끝에 용접됩니다. 전극을 리드하기 위해 호일과 알루미늄 호일. (2) 4680 배터리: 전체 컬렉터가 러그로 바뀌고, 전도성 경로가 더 이상 러그에 의존하지 않으며, 전류가 러그를 따라 가로 전송에서 컬렉터로 전달되어 컬렉터의 세로 전송으로 전달되고, 전체 전도성 길이가 1860 또는 2170 동박 길이의 800-1000mm에서 1860 또는 2170 동박 길이의 800-1000mm에서 80mm(셀 높이)로 변경되어 저항이 감소합니다. 2m까지Ω 내부 저항 소비는 2W에서 0.2W로 한 단계 더 낮습니다.

구조적 설계 특징: 셀 한쪽 끝의 러그 접촉/전도 영역은 컬렉터와 같거나 더 큽니다. GaoGong Lithium 공식 WeChat 공개 번호가 인용한 Tesla의 "러그리스" 특허에 따르면 적어도 하나의 전극을 러그리스 배터리 마운트로 설명합니다. 1) 코어의 낮은 수준: 컬렉터의 끝은 흰색으로 유지되고 코팅되지 않습니다. 컬렉터 부분이 일반화된 러그로 이해될 수 있는 포지티브/네거티브 재료 사용, Tesla "러그리스" 설계의 핵심은 러그 전도 영역이 컬렉터와 정확히 동일하거나 심지어 러그 접촉 영역 및 전도 영역까지 동일하다는 것입니다. 커버 다각화된 구조 설계를 통해 컬렉터 전도 영역보다 더 큽니다. 2) 코어의 상위 수준: 러그 용액 없이 하나의 전극만 사용하는 경우 상단은 여전히 ​​18650, 21700 코어 디자인과 동일합니다. 특허 분석에 따르면 러그리스 연결의 한쪽 끝만 내부 저항을 5배 줄이는 효과를 얻을 수 있습니다.

(1) 생산 공정: Automotive Home에서 인용된 Automotive Materials Network의 공식 WeChat 공개 번호에 따르면 인덕션 러그에는 두 가지 생산 공정이 있습니다. 즉, 먼저 절단한 다음 와인딩하고, 먼저 와인딩한 다음 레이저 다이로 가공합니다. 절단, 특히:① 1차 절단 후 와인딩: 정확한 계산을 통해 소재를 여러 부분으로 절단한 후 와인딩합니다. 권선이 미리 설정된 에너지에 도달하면 용접이 수행됩니다. 권취 후 레이저 다이커팅 : 폭과 크기에 관계없이 소재를 직접 권취하고, 미리 설정된 에너지에 도달한 후 남는 소재에 대해 레이저 다이커팅을 수행하므로 높은 정밀도가 필요합니다.

(2) 장비 요구 사항: Automotive Materials Network의 공식 WeChat 공개 번호에 따르면 Auto House 및 GaoGong Lithium WeChat 공개 번호의 정보를 인용하여 생산 장비의 관점에서 볼 때 비 기술 하에서 세 가지 측면에서 큰 변화가 있습니다. -극성 러그(전극성 러그), 구체적으로:① 코팅 공정: 전극 러그의 특정 곡선 모양으로 인해 장비 정밀도에 대한 요구 사항이 높아지고 외부 링의 공백이 내부 링의 공백보다 점점 더 커집니다.② 절단 장비: 레이저 다이커팅 공정에 대한 요구 사항이 더 높습니다. (2) 절단 장비: 레이저 다이 커팅 공정에 대한 요구 사항이 더 높고 절단 가장자리가 고르지 않아 재료 층에 맞는 간격이 있습니다. (3) 레이저 용접: 모든 러그의 레이저 스폿 용접에서 용접 조인트 수는 21700에 비해 5배 이상 증가했습니다. 특히 용접 공정에 따라 예를 들어 Zhao Yulong의 논문 "Power Battery 4680 full"에 따르면 러그 기술 스캔" 내용, 전체 러그 및 컬렉터 플레이트 또는 쉘 연결, 레이저 용접 기술 요구 사항이 더 높습니다. 특히 전통적인 2개의 러그 스폿 용접에서 전체 러그 표면 용접에 이르기까지 용접 공정 및 용접량이 더 많아지고 레이저 강도가 높아졌습니다. 초점 거리는 제어하기 쉽지 않으며, 코어 내부에 불이 붙거나 용접이 없어 용접하기 쉽습니다. 또한 일부 회사에서는 집전체에 용접 특허 대신 압입 방식을 사용하는 것을 제안합니다.

Tesla의 CTC 기술을 예로 들어 분석해 보겠습니다. 1) 4개의 모듈로 구성된 2170 배터리 팩과 달리 4680 배터리 팩은 CTC 기술을 채택하고 배터리 팩이 차량의 베이스 플레이트 역할을 합니다. InsideEV 공식 홈페이지에 따르면, 2021년 10월 Giga Berlin 공장 견학에서 선보인 신형 모델 Y 구조 배터리 팩의 단면을 보면 4680 배터리 팩은 모듈 설계를 직접 없애고 CTC 기술을 채택해 촘촘하게 배치됐다. 차량 섀시, 즉 4680 배터리 팩이 장착된 모델 Y의 바닥은 비어 있고 배터리 팩은 차체 하부 역할을 합니다. 배터리 팩은 차체 하부 역할을 합니다. 반면, 모델 Y의 2170 배터리에는 짧은 모듈 2개와 긴 모듈 2개, 총 4개의 모듈이 있습니다. 그리고 우리의 항공우주 리튬 회사는 또한 대형 원통형 배터리 기술을 기반으로 하며 또한 먼 리더이기도 합니다.http://www.optimum-china.com