Maggiore capacità, maggiore potenza, dimensioni più piccole, peso più leggero, produzione di massa più semplice e l'uso di componenti più economici sono sfide nella progettazione di batterie per veicoli elettrici. In altre parole, tutto si riduce a costi e prestazioni. Consideratelo come un atto di bilanciamento, dove il kilowattora (kWh) raggiunto deve fornire la massima autonomia, ma a un costo di produzione ragionevole. Di conseguenza, vedrai spesso le descrizioni delle batterie che elencano i costi di produzione, insieme a numeri, che vanno da $ 240 a $ 280 / kWh durante la produzione, ad esempio.
Oh, e non dimentichiamoci della sicurezza. Ricordate il fiasco del Samsung Galaxy Note 7 di qualche anno fa, e l'equivalente della batteria EV degli incendi dei veicoli e delle fusioni equivalenti di Chernobyl. In uno scenario catastrofico con reazione a catena, la spaziatura e i controlli termici tra le celle di una batteria pack per evitare che una cella ne incendi un'altra, un'altra, ecc., aumentano la complessità dello sviluppo delle batterie per veicoli elettrici. Tra questi, anche Tesla ha problemi.
Sebbene un pacco batteria per veicolo elettrico sia composto da tre parti principali: celle della batteria, un sistema di gestione della batteria e una sorta di scatola o contenitore che le tiene insieme, per ora esamineremo solo le batterie e come si sono evolute con Tesla, ma è ancora un problema per Toyota.
La batteria cilindrica 18650 è una batteria agli ioni di litio con un diametro di 18 mm, una lunghezza di 65 mm e un peso di circa 47 grammi. Con una tensione nominale di 3,7 volt, ciascuna batteria può caricarsi fino a 4,2 volt e scaricarsi al minimo come 2,5 volt, memorizzando fino a 3500 mAh per cella.
Proprio come i condensatori elettrolitici, le batterie dei veicoli elettrici di Tesla sono costituite da lunghi fogli di anodo e catodo, separati da materiale isolante, arrotolati e imballati strettamente in cilindri per risparmiare spazio e immagazzinare quanta più energia possibile. Questi catodo (caricati negativamente) e I fogli anodici (caricati positivamente) hanno ciascuno linguette per collegare cariche simili tra le celle, risultando in una batteria potente: si sommano a una, se vuoi.
Proprio come un condensatore, aumenta la sua capacità riducendo la spaziatura tra i fogli dell'anodo e del catodo, cambiando il dielettrico (il materiale isolante di cui sopra tra i fogli) con uno con una permettività maggiore e aumentando l'area dell'anodo e del catodo Il passo successivo nella batteria (di potenza) Tesla EV è la 2170, che ha un cilindro leggermente più grande della 18650, misura 21 mm x 70 mm e pesa circa 68 grammi. Con una tensione nominale di 3,7 volt, ciascuna batteria può caricare fino a 4,2 volt. volt e scarica fino a 2,5 volt, immagazzinando fino a 4800 mAh per cella.
C'è un compromesso, tuttavia, che riguarda principalmente la resistenza e il calore rispetto alla necessità di un contenitore leggermente più grande. Nel caso del 2170, l'aumento delle dimensioni della piastra anodo/catodo si traduce in un percorso di carica più lungo, il che significa maggiore resistenza, quindi più l'energia che fuoriesce dalla batteria sotto forma di calore e interferisce con i requisiti di ricarica rapida.
Per creare una batteria di prossima generazione con più potenza (ma senza maggiore resistenza), gli ingegneri Tesla hanno progettato una batteria significativamente più grande con un cosiddetto design a “tavole” che accorcia il percorso elettrico e quindi riduce la quantità di calore generata dalla resistenza. Gran parte di questo può essere attribuito a quelli che potrebbero essere i migliori ricercatori di batterie al mondo.
La batteria 4680 è progettata a forma di elica piastrellata per una produzione più semplice, con una dimensione della confezione di 46 mm di diametro e 80 mm di lunghezza. Il peso non è disponibile, ma altre caratteristiche di tensione sono segnalate come simili o identiche;tuttavia, ogni cella ha una capacità nominale di circa 9000 mAh, che è ciò che rende le nuove batterie a pannello piatto Tesla così buone. Inoltre, la loro velocità di ricarica è ancora buona per una domanda rapida.
Sebbene l'aumento delle dimensioni di ciascuna cella anziché la riduzione possa sembrare contrario ai requisiti di progettazione della batteria, i miglioramenti nella capacità di alimentazione e nel controllo termico del 4680 rispetto al 18650 e al 2170 hanno comportato un numero sostanzialmente inferiore di celle rispetto all'utilizzo della batteria 18650 e 2170. I modelli Tesla precedenti alimentati hanno più potenza per pacco batteria della stessa dimensione.
Da un punto di vista numerico, ciò significa che sono necessarie solo circa 960 celle “4680” per riempire lo stesso spazio di 4.416 celle “2170”, ma con ulteriori vantaggi come costi di produzione inferiori per kWh e l’utilizzo della batteria 4680 aumenta significativamente la potenza.
Come accennato, si prevede che la 4680 offra 5 volte l'accumulo di energia e 6 volte la potenza rispetto alla batteria 2170, il che si traduce in un aumento di guida previsto da 82 kWh a 95 kWh nelle Tesla più recenti. Il chilometraggio aumenta fino al 16%.
Ricorda, queste sono solo le nozioni di base delle batterie Tesla, c'è di più dietro la tecnologia. Ma questo è un buon inizio per un articolo futuro, poiché impareremo come gestire il consumo energetico della batteria, oltre a controllare i problemi di sicurezza intorno generazione di calore, perdita di potenza e… ovviamente… il rischio di incendio della batteria del veicolo elettrico.
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Timothy Boyer è un reporter di Tesla ed EV per Torque News a Cincinnati. Esperto nel primo restauro di automobili, restaura regolarmente veicoli più vecchi e modifica i motori per migliorare le prestazioni. Segui Tim su Twitter @TimBoyer Scrive per notizie quotidiane su Tesla ed EV.
Orario di pubblicazione: 21 febbraio 2022