5. Cátodo
Diferentes eletrodos são usados em diferentes produtos. LFP 4680 é usado em veículos de baixo alcance e baterias de armazenamento de energia, com foco em fornecer mais tempos de ciclo. As baterias de níquel-manganês 4680 são usadas em veículos de médio alcance e baterias domésticas. Baterias 4680 de alto níquel são usadas no Cybertruck e Semi.
O material catódico da Tesla se concentra na direção com alto teor de níquel e cobalto, mas não propôs nenhuma inovação fora do caminho principal. Eles usam a rota de cristal único NCA para aumentar a densidade de energia aumentando a tensão, com estabilidade térmica do material comparável ao fosfato de ferro e lítio.
5.1. ANC
As rotas de material catódico ternário são geralmente divididas em dois caminhos: NCA (Níquel Cobalto Alumínio), que Tesla adota. NCM (Níquel Cobalto Manganês), como NCM523, NCM622, NCM811 usado por empresas como CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.).
As funções dos elementos no material catódico são as seguintes:Níquel: Aumenta a densidade de energia da bateria e reduz os custos da bateria. É crucial para melhorar o alcance da bateria. Cobalto: Fornece estabilidade estrutural ao cátodo, mas é caro e poluente para o meio ambiente. Manganês, Alumínio: Melhora a condutividade térmica, estabilidade e segurança do material. Ferro: Uma alternativa ao níquel, tem menor densidade de energia, mas é mais barato e tem ciclos de carga e descarga mais altos. Em comparação com o NCM, o NCA tem uma densidade de energia mais alta e requisitos de fabricação mais rigorosos, mas tem uma segurança ligeiramente menor. A Tesla aumentou o teor de níquel e reduziu o teor de cobalto em sua formulação NCA, aumentando assim a densidade de energia e reduzindo os custos.
As rotas de material catódico ternário são geralmente divididas em dois caminhos: NCA (Níquel Cobalto Alumínio), que Tesla adota. NCM (Níquel Cobalto Manganês), como NCM523, NCM622, NCM811 usado pela CATL: As funções dos elementos no material catódico são as seguintes: Níquel: Aumenta a densidade de energia da bateria e reduz os custos da bateria. É crucial para melhorar o alcance da bateria. Cobalto: Fornece estabilidade estrutural ao cátodo, mas é caro e poluente para o meio ambiente.
Manganês, Alumínio: Melhora a condutividade térmica, estabilidade e segurança do material. Ferro: Uma alternativa ao níquel, tem menor densidade de energia, mas é mais barato e tem ciclos de carga e descarga mais altos. Em comparação com o NCM, o NCA tem uma densidade de energia mais alta e requisitos de fabricação mais rigorosos, mas tem uma segurança ligeiramente menor. A Tesla aumentou o teor de níquel e reduziu o teor de cobalto em sua formulação NCA, aumentando assim a densidade de energia e reduzindo os custos.
5.2. Monocristalização
Ao contrário de aumentar o teor de níquel para aumentar a densidade de energia, a monocristalização visa aumentar a densidade de energia aumentando a tensão do material catódico. Os materiais monocristalinos são mais adequados para alta tensão porque não possuem limites de grão, o que pode melhorar a estabilidade térmica e o desempenho do ciclo das baterias ternárias. O material monocristalino de alta tensão representativo da série 5 é a bateria de níquel 55. Ele usa o mesmo teor de níquel que o NCM523, mas atinge a densidade de energia do NCM811, ao mesmo tempo em que exibe estabilidade térmica mais proeminente no aspecto do material e menor custo em comparação com o NCM811.
5.3. Tendências do cátodo da bateria 4680
A bateria 4680 utiliza três materiais catódicos diferentes: fosfato de ferro (LFP), níquel-manganês-alumínio (NMA) e alto teor de níquel (NCA).
5.3.1. A direção de alto níquel domina a bateria 4680 atualmente
A versão com alto teor de níquel é atualmente a principal direção da bateria 4680 da Tesla. Destina-se ao uso em veículos de alto alcance, como o Cybertruck e o Semi. Além disso, as versões de longo alcance e alto desempenho do Model 3 e Model Y também podem usar essa variante de alto níquel.
5.3.2. A versão 4680 de níquel-manganês segue a variante com alto teor de níquel
Após a maturidade técnica da versão com alto teor de níquel da bateria 4680, a Tesla desenvolverá a versão de níquel-manganês, que será usada em veículos de médio alcance como o Model Y e baterias domésticas.
5.3.3. Uso potencial de cátodo de fosfato de ferro na bateria 4680
Existe a possibilidade de usar fosfato de ferro como material catódico na bateria 4680. A Tesla não mencionou seu desempenho de ciclo durante o evento de lançamento da bateria porque os ânodos à base de silício tendem a se expandir, reduzindo o número de ciclos de carga e descarga. Assim que a variante de níquel-manganês da tecnologia de bateria 4680 amadurecer, a versão de fosfato de ferro 4680 provavelmente será introduzida. Esta variante seria usada em veículos de baixo custo e baterias de armazenamento de energia, com foco no desempenho de alto ciclo.
O desenvolvimento de baterias 4680, de variantes com alto teor de níquel a variantes de níquel-manganês e, eventualmente, a variantes de fosfato de ferro, impulsionará a demanda por materiais relacionados na indústria.
6. Progresso da industrialização
6.1 A Tesla foi a primeira a anunciar a bateria 4680 em 2020 e planeja atingir 3 TWh de capacidade de produção até 2030.
6.2 A EVE e a Panasonic são líderes no campo de grandes baterias cilíndricas.
6.3 Outras empresas de baterias, como LG, Samsung, CATL, BAK e SVOLT, também fizeram avanços significativos.
7. Conclusão
Os principais processos inovadores da bateria 4680 incluem: células de bateria grandes + design de aba completa + tecnologia de eletrodo seco. Esses avanços aumentaram a energia e a segurança da bateria, melhoraram a eficiência da produção e o desempenho de carregamento rápido e reduziram os custos da bateria. Isso permite melhorias adicionais na densidade de energia e no desempenho do ciclo. Os desafios técnicos atuais estão na produção e soldagem de abas completas e no processo de eletrodo seco.
