Batería de litio cilíndrica, en bolsa, prismática, ¿por qué Tesla sólo prefiere la célula cilíndrica?

Las pilas de iones de litio son pilas secundarias (baterías recargables) que dependen de los iones de litio para moverse entre el cátodo y el ánodo, también conocidas como "pilas mecedora".

Durante la carga y la descarga, los iones de litio se incrustan y desincrustan entre los dos electrodos. Durante la carga, los iones de litio se desprenden del cátodo y se incrustan en el ánodo a través del electrolito, que se encuentra en un estado rico en litio, mientras que ocurre lo contrario durante la descarga.

1.Diferentes formas de envase de las pilas de iones de litio: Cilíndricas, en bolsa, prismáticas

Desde el punto de vista de los componentes, la batería de iones de litio puede dividirse en electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito, diafragma, recogida de fluidos y materiales de embalaje en general. El material de embalaje se refiere al envoltorio que envuelve todos los componentes de la batería de iones de litio. El embalaje de las baterías de iones de litio tiene diferentes formas, cilíndrica, en bolsa y pila prismática de litio fueron ampliamente consideradas como las principales categorías.

De hecho, las pilas de litio cilíndricas, de bolsa y prismáticas no son muy diferentes. Los componentes materiales internos son similares, pero el embalaje es diferente.

Los materiales metálicos (acero o aluminio) son los principales materiales de envasado de las pilas de litio prismáticas y cilíndricas. La batería de petaca es una de las tres rutas de batería que utilizan película de aluminio-plástico (la batería de cuchilla de BYD utiliza celda de batería de litio prismática, pero también utiliza película de aluminio-plástico). Comparadas con las baterías de litio cilíndricas y prismáticas, las baterías de bolsa son soluciones más recientes, con menor madurez técnica y mayores barreras de I+D. Las principales diferencias son el coste, la entrega y la capacidad de producción. Las principales diferencias son el coste, la entrega y el margen de iteración tecnológica.

2.La relación entre la forma del pack, el rendimiento de la batería y la tecnología

Debido a la fuerte correlación entre la atenuación de la capacidad de la batería y la gestión térmica, el gigante de los vehículos de nueva energía Tesla ha desarrollado la tecnología BMS líder mundial, liderando el desarrollo de los vehículos eléctricos. En la batería Tesla para vehículos eléctricos, hay miles de celdas cilíndricas de iones de litio agrupadas, que parecen especialmente densas en el chasis del vehículo de cuatro ruedas.

La relación de energía del paquete cilíndrico de células de iones de litio es baja después de agruparlo, pongamos un ejemplo.

Batería tesla para el modelo 3: batería de litio prismática versión LFP (280,4×82,3×62,8 mm), 1P106S, tensión del pack 341,3 V, densidad de peso 125 Wh/kg; batería de litio cilíndrica 21700 versión NCM, 46P96S, tensión del pack 355,2 V, densidad de peso 161 Wh/kg; En el mismo vehículo con una potencia de 80 kWh, la versión de batería de litio prismática de 640 kg, mientras que la versión cilíndrica de 497 kg, la diferencia de peso es significativa.

Por lo tanto, la elección de la batería de litio cilíndrica, de bolsa y prismática se ha visto obviamente limitada por la tecnología de baterías de litio existente, y la mejora es limitada. La cadena industrial está tratando de hacer un nuevo avance, mediante la optimización del tamaño de la célula, para lograr la altura, longitud y anchura de las tres direcciones de extensión, mejorando así significativamente la tasa de utilización de volumen, que es una lógica general.

Por lo tanto, el cilindro supone obviamente un mayor reto en cuanto a costes y avance del proceso que el tipo de batería de litio prismática. Los retos más significativos son la soldadura de la lengüeta del electrodo tras el aumento del cilindro, y la posibilidad de fugas y abombamiento tras el aumento del material activo. Además, la fuerza desigual aumenta la resistencia interna, lo que, en última instancia, aumenta la capacidad irreversible de la batería y afecta a su vida útil.

3.Compara la pila de litio prismática con la cilíndrica y la bolsa

Batería prismática

El consenso general es que la pila de litio prismática puede adaptarse a las necesidades específicas de los productos que llevan y es más maleable. Esto también lleva a que los tamaños de los envases de las pilas de litio prismáticas del mercado varíen, lo que dificulta el procesamiento posterior, por no hablar de la clara división del proceso de fabricación o las normas de aplicación.

Sin embargo, la industria automovilística se encuentra todavía en un nuevo punto de partida, la electrificación conlleva diferencias horizontales entre las distintas marcas de automóviles, lo que deja margen para la personalización. En los distintos niveles, como los coches de clase A00, A0 y A, las especificaciones de las células están relativamente unificadas y no son demasiado grandes, generalmente dentro de NCM75Ah. Muchas empresas automovilísticas también creen que la célula prismática tiene una gran flexibilidad y se puede personalizar el tamaño de la batería prismática de litio según las necesidades del modelo, que es el diseño de batería más adecuado para la aplicación de vehículos de nueva energía.

Ventajas:

De otras ventajas, la batería de litio prismática tiene alta densidad de energía, tecnología madura, alta plasticidad, alta resistencia estructural, buena capacidad de carga anti mecánica, pequeña resistencia interna de la batería, larga vida útil, alta utilización del espacio, la disminución de la densidad de energía después de paquete es pequeña. Así que sigue siendo la corriente principal de la batería de energía, que representa 82% del total, utilizado principalmente para vehículos de pasajeros.

Desventajas:

Además, la desventaja de la pila prismática también es obvia. Debido a la longitud del electrodo, muchos sitios de soldadura, las malas condiciones termodinámicas y cinéticas de transferencia de iones, y la baja tasa de utilización de volumen, la energía específica y la densidad de volumen de la batería de litio prismática existe techo. Y el uso de la reducción de peso de la bolsa blanda, CTP y otras innovaciones estructurales, fácil de causar fugas y la capacidad irreversible, y, finalmente, hacer que la batería de litio prismática fácil de fallo, y que conduce a la acumulación de dendritas de litio, que es fácil de incendiarse.

Batería cilíndrica

La batería circular tiene un buen efecto de disipación del calor y un proceso de producción maduro, que es la vía técnica preferida por la batería tesla en la actualidad. Puede decirse que la batería cilíndrica es una de las mejores prácticas de batería de litio, así como un producto estandarizado y universal.

Batería 18650 y 21700

La batería 18650 fue desarrollada por SONY en Japón en 1992. La batería cilíndrica actual se puede dividir en 14650, 18650, 21700, 32650, 4680 y otros modelos, que se denominan según el tamaño de la batería. La 18650 es la batería más madura, mientras que la 21700 es una nueva batería tesla que ha estado empujando en los últimos años. La ventaja de la 21700 es que el número de celdas se reduce, por lo que la disposición de la batería es mejor, y la batería cilíndrica única es más grande y más potente. De esta manera, el número de células se puede reducir en gran medida, por lo que el vehículo en la disposición del sistema de baterías más práctico, el rendimiento también se puede mejorar aún más.

Ventajas:

Por lo tanto, las baterías cilíndricas tienen ventajas considerables en la disipación de calor, y un buen espacio para la disipación de calor se forma entre la célula y la célula durante el envasado, por lo que algunos vehículos equipados con baterías cilíndricas utilizan la tecnología de refrigeración por aire de bajo costo. Además, la célula cilíndrica pequeña, debido a que el material activo es menor, muy corto (proceso de soldadura madura), por lo que el punto activo es menor, por lo que la consistencia es mejor, la resistencia interna es pequeña, puede rápidamente la producción a gran escala. Además, la corta distancia de migración de iones, las partículas direccionales y la migración direccional de iones hacen que la batería cilíndrica tenga un mejor rendimiento cíclico y un mejor rendimiento multiplicador.

Debido a que el material activo es menor, la pieza del polo es corta (el proceso de soldadura es maduro), el punto activo de la célula cilíndrica es menor, por lo que la consistencia es mejor, la resistencia interna es pequeña y la producción en masa puede ser rápida. Además, la corta distancia de migración de iones, las partículas direccionales y la migración direccional de iones hacen que la célula cilíndrica tenga un mejor rendimiento cíclico y multiplicador.

Desventajas:

Por supuesto, las baterías cilíndricas tienen sus desventajas. Es inevitable enfrentarse al problema del control de la fiabilidad que conlleva un gran número de celdas individuales. Aunque se utilicen pilas 21700, habría que juntar miles de celdas cilíndricas para formar paquetes de pilas, lo que sigue siendo muy grande.

En cuanto a la forma de la batería, el pack de baterías cilíndricas sólo puede adoptar mayoritariamente la disposición de matriz rectangular, e instalarse en el chasis del vehículo. El método es único, porque de esta manera podemos asegurar que la batería no afecta al peso del vehículo, pero afectará a la distancia al suelo del vehículo y la altura de la plataforma en el carro. Sin embargo, si la célula cilíndrica se utiliza en modelos híbridos, sólo puede colocarse debajo del maletero. Aunque la distribución del peso se equilibra, también se sacrifica el espacio del coche, lo que se traduce en una mala experiencia de conducción.

Bolsa Battrey

En la actualidad, existen muchos productos de baterías prismáticas de litio en el mercado. Aunque utilizan el nombre de batería prismática de litio, su naturaleza interna sigue siendo la de batería de petaca (el objetivo principal es reducir el peso y mejorar la densidad energética de la estructura del sistema).

Ventajas:

La ventaja de la batería de la bolsa es la buena seguridad, porque la cáscara de la película plástica de aluminio es fuerte, cuando hay una reacción térmica, sólo se expandirá y no es fácil de explotar.

Como se adopta el método de fabricación laminado y el envoltorio de película de plástico de aluminio es más ligero que la carcasa de aluminio, el volumen de la batería de petaca es más fino y la densidad de energía es la más alta. La capacidad es de 10-15% superior a la de la batería con carcasa de acero del mismo tamaño, y de 5-10% superior a la de la batería con carcasa de aluminio. En la actualidad, es la principal vía técnica en los países europeos. Las baterías de petaca se consideran una solución a los problemas de duración y seguridad de las baterías, así como un puente para la transición a las baterías de estado sólido.

Hay más espacio para la imaginación en la forma de la batería de la bolsa, que no se limita a rectángulos. Puede formar un pequeño paquete de baterías y colocarlo bajo el maletero, o puede disponerse en forma de T. Por tanto, si tenemos en cuenta la disposición y el peso del vehículo, las ventajas de la batería de petaca son más evidentes. Pero, por ahora, hay muy pocos fabricantes que puedan hacer la laminación.

Desventajas:

El mayor problema es que el proceso de laminación hace que la tolerancia de soldadura es grande, no es fácil hacer gran paquete de bolsa, incluso si el paquete de bolsa grande, entonces la resistencia interna, la caída de presión es inevitable. Por lo tanto, aunque la batería de la bolsa es la última tecnología de células de largo, muchas pequeñas y medianas empresas de células sólo puede hacer pequeño paquete de bolsa. Las baterías de petaca tienen un umbral técnico.

Además, también existe una gran dificultad en el control de la tecnología de laminado. Una mayor dificultad es una gran prueba para el control de calidad. Una vez que se produzcan problemas de control de calidad, la vida útil de la batería y la seguridad se verán directamente afectadas.

Los envases de bolsa son técnicamente difíciles, y sus ventajas son tan evidentes como sus inconvenientes. Aumentar el volumen por el coste da lugar a una consistencia deficiente, que es casi imposible de cambiar. Además, si la batería de petaca funciona en un entorno interno con una transferencia de calor insuficiente (como un entorno adiabático o de alta temperatura), la temperatura de la batería aumentará considerablemente (aumento de la temperatura), lo que dará lugar a la formación de puntos calientes en el interior de la batería, que pueden acabar provocando una fuga térmica. Por lo tanto, la batería de petaca requiere un sistema de control de la batería más complejo, lo que constituye un verdadero trabajo técnico.

La apariencia de la batería pouch-pack es la misma que la de las otras dos baterías. De hecho, el interior de la carcasa rígida es una pila de pilas de bolsa, que se apilan verticalmente; por supuesto, los fabricantes de pilas de bolsa no se limitan a juntarlas. Entre cada par de pilas se inserta una capa de refrigerante. El refrigerante se inyecta a través de un puerto de inyección de agua (termoformado), y se llena el tubo del refrigerante, que circula y se lleva el calor. Además, el refrigerante puede calentarse a través de la bobina para calentar la batería, lo que garantiza que ésta funcione a la temperatura óptima, incluso en condiciones de frío extremo.

Otro problema de las pilas tipo pouch pack es el uso de film de aluminio (incluyendo film PET y pegamento). En la actualidad, el coste de la tecnología de película de aluminio-plástico es elevado y se necesita un alto nivel técnico.

La aplicación de la batería de petaca en los fabricantes de automóviles

Debido a la mayor densidad de energía, buena seguridad, pequeña resistencia interna, diseño más flexible, la batería de litio de la bolsa es ampliamente utilizado en el campo de las ventajas de aplicación de automóviles de pasajeros, en la industria automotriz mundial.

Según los datos de EV Sales, en Europa en 2020, 15 de los 20 principales vehículos de pasajeros de nueva energía están equipados con baterías de energía de bolsa, lo que representa 75% del mercado. El número de modelos con baterías de petaca es muy grande, según estadísticas incompletas, hay más de 30 modelos con baterías de petaca.

Empresas y modelos de automoción que utilizan baterías de petaca

4.La particularidad de la batería de alimentación

La batería de iones de litio, especialmente la batería de iones de litio para vehículos, se enfrenta a un proceso muy complicado. Por lo tanto, desde el desarrollo del producto de la célula hasta la entrega del paquete final, es necesario seguir un estricto proceso de diseño de la célula - muestra A - muestra B - muestra C (D) -SOP, y someterse a pruebas de punción, vibración, sobrecarga, cortocircuito externo, calentamiento, placa caliente y otras pruebas, así como a pruebas de aislamiento y alta tensión (2700V). Por lo tanto, tanto los cilindros como la bolsa y la batería prismática de litio tienen que pasar por estas normas antes de ser cargados.

Además, después de entregar el paquete de baterías a la empresa automovilística, ésta vende el producto terminal al cliente, y entonces se enfrenta a unas condiciones de trabajo inimaginables. En la fase inicial del modelo de coche que cambia para utilizar batería, debido a que el chasis es bajo, es fácil que se produzcan arañazos, colisiones y una conducción irregular.

El hábito de conducción del coche de petróleo no puede hacer frente a lo "delicado" del coche eléctrico, obviamente. Por lo tanto, a menudo conduce a cambios físicos a nivel macro, que a su vez conduce a cambios químicos a nivel micro, y finalmente conduce a la pérdida de control de la energía (deterioro de las condiciones termodinámicas y cinéticas).

5.La forma del pack de los principales fabricantes de baterías : relativamente dispersa

Desde la perspectiva del suministro de fábricas de baterías, las 10 principales empresas de baterías de energía en 2020, como LG Chem, SKI, vision AESC, etc. son principalmente empresas de baterías de petaca.

El diseño clave de otros proveedores principales sigue estando en el ámbito de las baterías de litio cilíndricas y prismáticas (las baterías de litio prismáticas incluyen: CATL, BYD, samsung SDI; batería cilíndrica incluyen: Panasonic), la solución de los principales proveedores de baterías está relativamente dispersa.

Solución de pack de los principales fabricantes de baterías:

Según los datos, a medida que se acelera la tendencia de electrificación global, 15 de los 20 modelos más vendidos en Europa han adoptado la batería de litio de petaca, y empresas automovilísticas internacionales como Volkswagen, Daimler, Mercedes-benz y Hyundai han adoptado la batería de petaca como vía tecnológica principal.

A corto y medio plazo, la cuota de mercado de las baterías de petaca en el campo de las baterías de potencia está impulsada principalmente por las ventas de vehículos de nueva energía en Europa y Estados Unidos.

Con la aplicación cada vez más generalizada de soluciones de envasado en bolsa por parte de las principales empresas automovilísticas (especialmente las europeas), los fabricantes chinos han empezado a diseñar soluciones de envasado en bolsa. Farasis, Jebsen Power y Vision AESC tienen planes activos para ampliar la producción de pouches. CATYL, que se centra en soluciones de baterías de litio prismáticas, también ha empezado a ampliar la producción de pouches.

6.Pila de litio cilíndrica, de petaca, prismática, ¿cuál es la mejor?

● "Lo siento, quiero la normalización, la universalización, puedo combinar duro y bolsa."- - dice la batería cilíndrica.

● "El acceso al mercado, tarde o temprano tiene que hacer frente a una variedad de escenarios, soy de plástico" - batería de litio prismática dice.

●"La tecnología es siempre el rey, no se puede cambiar la vida de la batería y los puntos de dolor de seguridad" - batería de la bolsa dice.

Desde la perspectiva de la estructura, la batería de litio prismática ocupa una ventaja absoluta en la cuota de mercado de China, bolsa y batería cilíndrica es pequeña, y la proporción se mantuvo en 10%. Y la batería prismática de litio también es estable en grupo y tiene alta densidad de energía. Se utiliza ampliamente en vehículos eléctricos, almacenamiento de energía (almacenamiento de energía de red eléctrica y almacenamiento de energía de estación base) y otros campos.

La batería cilíndrica tiene alta tasa y rendimiento, que se utiliza a menudo en la alimentación eléctrica móvil, tesoro de carga, herramientas eléctricas, vehículos móviles, vehículos ligeros, almacenamiento de energía portátil y otros campos. La batería de bolsa tiene alta flexibilidad y alta densidad de energía, que se puede aplicar al almacenamiento de energía doméstica, teléfono móvil, vehículo eléctrico de dos ruedas, ordenador portátil y así sucesivamente.

En el caso del mismo nivel de materiales básicos, no hay una única capacidad de fabricación (capacidad de ingeniería) y nivel tecnológico (incluida la capacidad de integración), sólo tenemos que satisfacer la demanda, continua para progresar. Las baterías de litio cilíndricas, de petaca y prismáticas tienen cada una sus propias ventajas, pero las empresas automovilísticas no pueden depender únicamente de una vía técnica. Así que lo que realmente determina el futuro de la tecnología de baterías es el compromiso entre la necesidad de tecnología y el dominio del producto, y eso llevará mucho tiempo.

De hecho, en el mercado actual, el cilindro, la bolsa y la batería de litio prismática tres tipos de baterías son todos utilizados por los fabricantes, cada uno ocupa un lugar.

La batería cilíndrica lleva mucho tiempo desarrollándose, por lo que tiene una gran ventaja en cuanto a consistencia (menos material activo, proceso maduro), y su proceso de fabricación es más maduro, de bajo coste después de la escala. Sin embargo, las baterías cilíndricas tienen más posibilidades en cuanto a disposición de la batería y densidad energética. En cuanto a las baterías prismáticas de litio o las baterías de petaca, aunque difícilmente pueden igualar a las cilíndricas en cuanto a estandarización y versatilidad, sus ventajas de personalización las hacen más compatibles con los vehículos eléctricos. Especialmente con cada vez más modelos de plataforma de nivel puro, la tecnología de chasis es cada vez más madura, pueden satisfacer las necesidades de diferentes fabricantes y diferentes personalizaciones de coches.

En concreto, la batería de litio prismática y la batería de petaca presentan las ventajas de rendimiento y coste de los actuales procesos de laminado y de las celdas de gran capacidad. Por tanto, partiendo de una única tecnología, por ejemplo, CATL empezó por la vía de la batería de litio prismática, y finalmente diversificó la disposición de la batería de litio cilíndrica y de petaca. La industria de las baterías evolucionará a medida que cambien las necesidades e incluso se convertirá en un importante recurso estratégico, desde la cuna hasta la entrega. Hay mucha imaginación en la cadena de valor de las pilas, que también es relativa.