Основы сравнения аккумуляторных элементов Tesla 18650, 2170 и 4680

Большая емкость, большая мощность, меньший размер, меньший вес, более простое производство в крупных масштабах и с менее дорогими компонентами — вот проблемы разработки аккумуляторов для электромобилей. Другими словами, все сводится к стоимости и производительности. Думайте об этом как о балансе, при котором достигнутые киловатт-часы (кВтч) должны обеспечивать максимальную дальность действия, но при разумных производственных затратах. Следовательно, вы часто видели описание аккумуляторной батареи, в которой указана стоимость ее производства и указаны такие цифры, как диапазон 240–280 долларов США за кВтч, например, во время производства.

Да, и давайте не будем забывать о безопасности. Вспомните фиаско Samsung Galaxy Note 7 несколько лет назад и эквиваленты аккумуляторов электромобилей пожарам транспортных средств и катастрофам, эквивалентным Чернобылю. Расстояние между элементами в упаковке и терморегулирование, предотвращающее воспламенение одного элемента другого элемента, воспламенение другого элемента и т. д. в сценарии катастрофы с неконтролируемой цепной реакцией, усложняет разработку аккумуляторов для электромобилей. При этом даже у Tesla были свои проблемы.

Хотя аккумуляторные батареи для электромобилей состоят из трех основных частей: аккумуляторных элементов, системы управления аккумулятором и какой-либо коробки или контейнера, в котором все это удерживается вместе, сейчас мы рассмотрим только элементы и то, как они работают. они развивались вместе с Tesla, но остаются проблемой для Toyota.

Ячейка 18650

Цилиндрический элемент 18650 представляет собой литий-ионный элемент диаметром 18 мм, длиной 65 мм и весом около 47 граммов. При номинальном напряжении 3,7 В каждая ячейка может заряжаться до 4,2 В и разряжаться до 2,5 В, при этом каждая ячейка сохраняет емкость до 3500 мАч.

Подобно электролитическим конденсаторам, элементы аккумуляторной батареи Tesla для электромобилей состоят из длинных листов анодов и катодов, разделенных зарядоизолирующим материалом, которые свернуты и плотно упакованы в цилиндрическую форму, чтобы сэкономить место и упаковать как можно больше энергии. Каждый из этих листов катода (отрицательный заряд) и анода (положительный заряд) имеет выступы для соединения одинаковых зарядов между элементами, в результате чего получается мощная батарея — сумма многих как один, если хотите.

Ячейка 2170

Подобно конденсатору, его емкость (мощность) увеличивается за счет уменьшения расстояния между листами анода и катода, замены диэлектрика (вышеупомянутого изолирующего материала между листами) на материал с более высокой диэлектрической проницаемостью и увеличения площади как анода, так и катода. листов, следующим шагом в развитии электромобилей Tesla стал 2170, который имел цилиндр немного большего размера, чем 18650, размером 21 на 70 миллиметров и весил примерно 68 граммов. При номинальном напряжении 3,7 В каждая ячейка может заряжаться до 4,2 В и разряжаться до 2,5 В, при этом каждая ячейка сохраняет емкость до 4800 мАч.

Однако есть компромисс, в первую очередь речь идет больше о сопротивлении и нагреве, чем о необходимости банки немного большего размера. В случае с 2170 увеличение размеров анодных/катодных пластин привело к увеличению длины пути прохождения заряда, что означало большее сопротивление и, следовательно, больший выход энергии в виде тепла из элементов, а также мешало требованиям быстрой зарядки.

Ячейка 4680

Чтобы создать аккумуляторную ячейку следующего поколения с еще большей мощностью (но без увеличенного сопротивления), инженеры Tesla разработали ячейку значительно большего размера с так называемой «табличной» конструкцией, которая сократила электрический путь и, таким образом, привела к меньшему выделению тепла от сопротивления. Во многом это можно отнести на счет того, кто, возможно, является лучшим исследователем аккумуляторов в мире.

Ячейка 4680 имеет спиралевидную конструкцию, более простую в изготовлении и поставляется в корпусе диаметром 46 мм и длиной 80 мм. Вес неизвестен, но, как сообщается, его другие характеристики по напряжению аналогичны или одинаковы; однако емкость каждой ячейки составляет около 9000 мАч, поэтому новая настольная батарея Tesla так хороша. Кроме того, скорость зарядки по-прежнему соответствовала быстрым требованиям.