Ο λογαριασμός Twitter του Whole Mars Catalog δημοσίευσε πρόσφατα μια εικόνα φωτογραφιών των 18650, 2170 και των νέων στοιχείων μπαταρίας 4680 για την τροφοδοσία των τελευταίων μοντέλων της Tesla. Η εικόνα είναι έμπνευση για μια σύγκριση βασικών πληροφοριών μεταξύ των τύπων στοιχείων και του τι σημαίνει για κάθε στοιχείο και ένα Tesla.
Μεγαλύτερη χωρητικότητα, περισσότερη ισχύς, μικρότερο μέγεθος, ελαφρύτερο σε βάρος, ευκολότερη κατασκευή σε μεγάλη κλίμακα και με φθηνότερα εξαρτήματα είναι οι προκλήσεις του σχεδιασμού μιας μπαταρίας EV. Με άλλα λόγια, εξαρτάται από το κόστος και την απόδοση. Σκεφτείτε το ως μια πράξη εξισορρόπησης όπου οι κιλοβατώρες (kWh) που επιτυγχάνονται πρέπει να παρέχουν τη μεγαλύτερη εμβέλεια, αλλά με λογικό κόστος κατασκευής. Ως εκ τούτου, βλέπετε συχνά μια περιγραφή πακέτου μπαταριών που αναφέρει το κόστος κατασκευής του με αριθμούς όπως εύρος 240-280 $/kWh, για παράδειγμα κατά την παραγωγή.
Και ας μην ξεχνάμε την ασφάλεια. Θυμηθείτε το φιάσκο του Samsung Galaxy Note 7 πριν από μερικά χρόνια και τα ισοδύναμα μπαταριών EV από πυρκαγιές οχημάτων και ισοδύναμα του Τσερνομπίλ. Η απόσταση μεταξύ των στοιχείων σε ένα πακέτο και τους θερμικούς ελέγχους για να αποτρέψει ένα στοιχείο από το να αναφλέξει ένα άλλο στοιχείο, και αυτό να αναφλέξει ένα άλλο στοιχείο κ.λπ. Από τα οποία, ακόμη και η Tesla είχε το μερίδιό της στα προβλήματα αυτά.
Ενώ οι μπαταρίες EV αποτελούνται από τρία κύρια μέρη: τα στοιχεία της μπαταρίας, το(α) σύστημα(α) διαχείρισης μπαταριών και ένα κουτί ή δοχείο για να τα συγκρατεί όλα μαζί, προς το παρόν, θα ρίξουμε μια ματιά μόνο στα στοιχεία και τον τρόπο που εξελίχθηκαν από την Tesla, αλλά παραμένει ένα ζήτημα για την Toyota.
Το στοιχείο του 18650
Το κυλινδρικό στοιχείο 18650 είναι τύπου ιόντων λιθίου με διάμετρο 18 mm και μήκος 65 mm και βάρος περίπου 47 γραμμάρια. Σε ονομαστική τάση 3,7 volts, κάθε στοιχείο μπορεί να φορτιστεί έως και 4,2 volts και να εκφορτιστεί έως και 2,5 volts, με κάθε στοιχείο να αποθηκεύει έως και 3500 mAh.
Όπως ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής, τα στοιχεία μπαταριών EV της Tesla αποτελούνται από μακριά φύλλα ανόδου και καθόδων που χωρίζονται από ένα μονωτικό υλικό και τυλίγονται και συσκευάζονται σφιχτά σε κυλινδρική μορφή για εξοικονόμηση χώρου και συσκευασία όσο το δυνατόν περισσότερης ενέργειας. Αυτά τα φύλλα καθόδου (αρνητικό φορτίο) και ανόδου (θετικό φορτίο) έχουν το καθένα γλωσσίδια για σύνδεση ομοειδών φορτίων μεταξύ στοιχείων με αποτέλεσμα μια ισχυρή μπαταρία — το άθροισμα πολλών, αν θέλετε.
Το στοιχείο 2170
Όπως ένας πυκνωτής όπου η χωρητικότητα (ισχύς) του αυξάνεται μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των φύλλων ανόδου και καθόδου, αλλάζοντας το διηλεκτρικό (το προαναφερθέν μονωτικό υλικό μεταξύ των φύλλων) σε ένα υψηλότερης διαπερατότητας και αυξάνοντας την περιοχή τόσο των φύλλων της ανόδου όσο και της καθόδου. Το επόμενο βήμα στο στοιχείο EV του Tesla ήταν το 2170 που ήρθε σε έναν κύλινδρο ελαφρώς μεγαλύτερο από το 18650 με διαστάσεις 21 χιλιοστά επί 70 χιλιοστά και ζύγιζε περίπου 68 γραμμάρια. Σε ονομαστική τάση 3,7 volts, κάθε στοιχείο μπορεί να φορτιστεί έως και 4,2 volts και να εκφορτιστεί έως και 2,5 volts, με κάθε στοιχείο να αποθηκεύει έως και 4800 mAh..
Το στοιχείο 4680
Για να δημιουργήσουν ένα στοιχείο μπαταρίας επόμενης γενιάς με ακόμη μεγαλύτερη ισχύ (αλλά χωρίς αυξημένη αντίσταση) οι μηχανικοί της Tesla σχεδίασαν ένα σημαντικά μεγαλύτερο στοιχείο με αυτό που ονομάζεται σχέδιο “τραπεζίου” που συντόμευσε την ηλεκτρική διαδρομή και έτσι είχε ως αποτέλεσμα λιγότερη θερμότητα που παράγεται από την αντίσταση. Πολλά από αυτά μπορούν να αποδοθούν στο ποιος είναι ίσως ο καλύτερος ερευνητής μπαταριών στον κόσμο.
Το στοιχείο 4680 είναι σχεδίαση με σπειροειδή βότσαλα που είναι πιο απλή στην κατασκευή και διατίθεται σε μέγεθος συσκευασίας διαμέτρου 46 mm και μήκους 80 mm. Το βάρος δεν είναι διαθέσιμο, αλλά τα άλλα χαρακτηριστικά τάσης του είναι παρόμοια ή ίδια. Ωστόσο, κάθε στοιχείο βαθμολογείται για περίπου 9000 mAh, γι’ αυτό και η νέα μπαταρία τραπεζίου της Tesla είναι τόσο καλή. Επιπλέον, η ταχύτητα φόρτισής της παρέμεινε ευνοϊκή για γρήγορες απαιτήσεις.
Λοιπόν, τι σημαίνει όλο αυτό;
Ενώ αυξάνει η διάσταση αντίθετα η μείωση του μεγέθους σε κάθε στοιχείο φαίνεται αντίθετη με τις σχεδιαστικές επιθυμίες σε ένα στοιχείο μπαταρίας. Οι βελτιώσεις που έγιναν στη χωρητικότητα ισχύος και τον έλεγχο της παραγωγής θερμότητας του 4680 σε σχέση με το 18650 και το 2170 είχαν ως αποτέλεσμα βασικά λιγότερα στοιχεία με περισσότερη ισχύ ανά πακέτο σε πακέτο ίδιου μεγέθους που χρησιμοποιήθηκε με προηγούμενα μοντέλα Tesla που τροφοδοτούνταν με τα στοιχεία 18650 και 2170.
Για να το θέσουμε αυτό σε μια αριθμητική προοπτική, αυτό σημαίνει ότι χρειάζονται μόνο περίπου 960 στοιχεία “4680” για να γεμίσουν τον ίδιο χώρο με τα 4.416 στοιχεία “2170” στον ίδιο χώρο, αλλά με πρόσθετα οφέλη, όπως χαμηλότερο κόστος ανά kWh παραγωγής και σημαντική αύξηση της ισχύος με τη χρήση του πακέτου στοιχείων 4680.
Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα σχετικά με μια σύγκριση με την κυψέλη 2170, το 4680 αναμένεται να παρέχει πέντε φορές περισσότερη αποθήκευση ενέργειας με 6 φορές περισσότερη ισχύ, με αποτέλεσμα την αύξηση από 82 kWh σε 95 kWh στα νεότερα Tesla, μεταφραζόμενη σε μια αναμενόμενη αύξηση της αυτονομίας έως και 16 %.
Τελικές σκέψεις
Λάβετε υπόψη ότι αυτά είναι μόνο τα βασικά για τα στοιχεία μπαταριών Tesla και ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα πίσω από την τεχνολογία. Αλλά είναι μια καλή αρχή για μελλοντικά άρθρα, καθώς θα ρίξουμε μια ματιά στον τρόπο διαχείρισης των πακέτων μπαταριών σχετικά με τη χρήση ενέργειας, καθώς και ζητήματα ασφάλειας σχετικά με τον έλεγχο της παραγωγής θερμότητας, την απώλεια ισχύος και…φυσικά… τον κίνδυνο ηλεκτρικού ρεύματος που προκαλεί πυρκαγιά σε μία μπαταρία.
Δείτε το σχετικό Video
