特斯拉在自研動(dòng)力電池上都做了哪些努力？特斯拉電池日的兩大期待
時(shí)間:2020-06-28 23:54來(lái)源:搜狐汽車E電園 作者:許書懷
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備受矚目的特斯拉電池日臨近，此前特斯拉CEO馬斯克在2019年第四季度財(cái)報(bào)電話會(huì)議上宣布，公司計(jì)劃在4月中旬舉行“電池日”活動(dòng)，屆時(shí)將準(zhǔn)備講述一些可以“令人大吃一驚”的事情。據(jù)此前媒體報(bào)道，今年電池日特斯拉或?qū)⒅魍芃axwell的干電極技術(shù)，那么這個(gè)技術(shù)有何過(guò)人之處，特斯拉在自研電池的道路上都做了哪些努力呢?本文一起來(lái)探討。
首先讓我們來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下特斯拉在動(dòng)力電池供應(yīng)商方面的變化動(dòng)作。
●特斯拉自成立以來(lái)，其動(dòng)力電池一直都是由日本松下提供的圓柱形電池。不過(guò)特斯拉和松下多年來(lái)的合作隨著產(chǎn)能增加，在產(chǎn)能以及價(jià)格方面二者分歧增加，導(dǎo)致矛盾激化。特斯拉也越來(lái)越意識(shí)到把握動(dòng)力電池核心技術(shù)的緊迫性。
●2019年10月，特斯拉宣布與LG化學(xué)合作，LG化學(xué)南京工廠將向特斯拉中國(guó)工廠供應(yīng)圓柱21700型電池，打破了日本松下獨(dú)家供應(yīng)商的地位。
●2020年2月，中國(guó)動(dòng)力電池巨頭寧德時(shí)代也正式納入了特斯拉的電池供應(yīng)體系。保價(jià)協(xié)議期限為2020年7月1日至2022年6月30日。這也意味著至此，特斯拉在全球范圍內(nèi)共有三家動(dòng)力電池供應(yīng)商。
●不過(guò)特斯拉也一直沒(méi)放棄自研電池的道路，在2019年特斯拉先后收購(gòu)了Maxwell電池技術(shù)公司、加拿大電池制造商Hibar Systems，用來(lái)自主研發(fā)動(dòng)力電池。
結(jié)合Maxwell的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)特斯拉自研電池很可能朝著半固態(tài)電池邁出一大步，如果干電極技術(shù)以及超級(jí)電容能夠在短期內(nèi)量產(chǎn)應(yīng)用，那么這無(wú)疑會(huì)對(duì)現(xiàn)有的新能源動(dòng)力電池格局形成較大沖擊，具體究竟如何，還需我們靜靜等待今年的電池日。
[·Maxwell的“超級(jí)電容”和“干電極”·]
據(jù)悉，特斯拉去年收購(gòu)的Maxwell是全球第一的超級(jí)電容器制造商，在“超級(jí)電容”、“干電極”等領(lǐng)域有著技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。而基于Maxwell的這兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，則帶給我們無(wú)限幻想，另外馬斯克所說(shuō)的將在電池日宣布“令人大吃一驚”的事情，不知是否意味著在關(guān)鍵電池技術(shù)上有所突破，這也讓我們對(duì)此次的電池日有兩大期待。
期待一：干電極技術(shù)突破
提到干電極技術(shù)，首先我們先要了解目前電池電芯內(nèi)部是什么樣的。
目前的電池電芯為涂抹正負(fù)極材料的極片中部加入隔離膜，再注入電解液形成電芯單體。而干電極則是通過(guò)在鋰電池的電解液中加入少量(約5-8%)細(xì)粉狀粘合劑(PTFE)，與正極、負(fù)極材料粉末混合，通過(guò)擠壓機(jī)擠壓形成薄的電極材料，圍繞在電極周圍的這部分電極材料就類似是口香糖似的膠狀物。此時(shí)電芯內(nèi)固態(tài)材料增加，電解液容量減少，這就相當(dāng)于固態(tài)電池的初級(jí)階段，從而達(dá)到提升能量密度、電池活性，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷的減低成本目標(biāo)。
事實(shí)上干電極并不算是新技術(shù)，已經(jīng)過(guò)多年發(fā)展。干電極技術(shù)可以簡(jiǎn)化動(dòng)力電池工藝，節(jié)約電池空間，極大提升電池的能量密度。同時(shí)有業(yè)內(nèi)人士指出，干電極技術(shù)以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
1、電極壓實(shí)密度更高有利于負(fù)極補(bǔ)鋰;
2、可以更容易使用超高鎳正極材料;
3、成本更低;
4、可以適用于下一代材料體系，包括固態(tài)電池。
而我們目前使用的鋰電池會(huì)有壽命問(wèn)題，主要是因?yàn)楣虘B(tài)的電極浸泡在液態(tài)的電解液中，固液接口經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)，會(huì)逐漸產(chǎn)生結(jié)晶等結(jié)構(gòu)問(wèn)題，最終造成電池效能下降甚至短路，同時(shí)電解液本身有毒性，更有污染環(huán)境的問(wèn)題。而干電極技術(shù)排除了固液接口，因此可改善電池的效能表現(xiàn)，大幅提升壽命與安全性，降低成本。
如果特斯拉以及Maxwell在干電極技術(shù)方面做出了某種突破，那么意味著其電池電芯技術(shù)將領(lǐng)先市場(chǎng)一個(gè)代際，在能量密度、成本、安全性、電池包體積等方面都將獲得突破，也代表它距離未來(lái)全固態(tài)電池的開發(fā)和應(yīng)用更進(jìn)一步。
期待二：超級(jí)電容技術(shù)能否應(yīng)用于動(dòng)力電池
超級(jí)電容又稱為雙電層電容器，它類似普通電容器和電池的混合體，但又不同于兩者。如同電池一樣，超級(jí)電容器也具有由電解質(zhì)隔開的正極和負(fù)極。但是與電池不同的是，超級(jí)電容器像電容器一樣以靜電的方式儲(chǔ)存能量，而不是像電池那樣以化學(xué)的方式儲(chǔ)存能量。
超級(jí)電容器同樣也有一個(gè)介質(zhì)分離器來(lái)分離電解質(zhì)，就像電容器一樣。這種內(nèi)部的電池結(jié)構(gòu)使得超級(jí)電容器具有很高的能量存儲(chǔ)密度，特別是與普通電容器相比。
超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，并且充放電遠(yuǎn)比電池的化學(xué)反應(yīng)快速，能實(shí)現(xiàn)快速的充放電，在無(wú)數(shù)充放電循環(huán)后也不像鋰電池會(huì)出現(xiàn)效能衰退以及析鋰現(xiàn)象，因?yàn)楫?dāng)電荷存儲(chǔ)在它們內(nèi)部時(shí)，不會(huì)發(fā)生物理或化學(xué)變化。而且因?yàn)槭俏锢韮?chǔ)能，所以不需擔(dān)心溫度過(guò)高過(guò)低影響化學(xué)反應(yīng)，因此在極端溫度下仍能確保電池性能的穩(wěn)定性和可靠性。
根據(jù)公開信息顯示，Maxwell電極能使能量密度超過(guò)300Wh/kg，較特斯拉當(dāng)前使用的電池高出了20%-40%。按照其規(guī)劃在2020年左右可以實(shí)現(xiàn)385Wh/kg的能量密度，到2027年可達(dá)到500Wh/kg。轉(zhuǎn)換到實(shí)際續(xù)航里程，未來(lái)特斯拉單次續(xù)航便可輕松突破1000km。而目前，Maxwell生產(chǎn)的超級(jí)電容器主要應(yīng)用在我們熟悉的自動(dòng)啟停技術(shù)上，它能幫助車子極大減緩啟停震動(dòng)，提升舒適性。
綜合超級(jí)電容上述優(yōu)點(diǎn)，如果應(yīng)用到純電動(dòng)汽車當(dāng)中，將會(huì)掃除許多目前限制純電動(dòng)車發(fā)展的障礙。比如充放電迅速的特性可以極大提升能源補(bǔ)充的速度;無(wú)數(shù)循環(huán)放電衰退少將讓電池壽命提升兩倍以上;物理儲(chǔ)能則極大提升性能穩(wěn)定性，降低自燃風(fēng)險(xiǎn)，減少冬季續(xù)航衰減和夏季溫度過(guò)高的可能性;功率密度高則可以減少動(dòng)力電池體積，并降低10%-20%的成本。
由此看來(lái)，超級(jí)電容很可能是幫助純電動(dòng)車代替燃油車的一大利器。不過(guò)既然它這么優(yōu)秀，為什么沒(méi)有大范圍應(yīng)用呢?
因?yàn)槌?jí)電容存在一個(gè)致命缺點(diǎn)，就是能量密度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰電池。所以短期來(lái)看，超級(jí)電容不大可能成為電動(dòng)車主要儲(chǔ)能技術(shù)，這會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)車?yán)m(xù)航力嚴(yán)重不足。不知道特斯拉電池日是否會(huì)在超級(jí)電容方面給到我們哪些驚喜。
不過(guò)也有業(yè)內(nèi)人士猜測(cè)，根據(jù)超級(jí)電容的特性，如果采用超級(jí)電容搭配鋰電池的復(fù)合組合系統(tǒng)，便可以擷取雙方優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。即利用超級(jí)電容為瞬間大功率輸出提供動(dòng)力，或是為剎車動(dòng)能回收進(jìn)行瞬間吸能回電，輔以鋰電池為主要?jiǎng)恿?lái)源，解決續(xù)航能力的短板。所以從理論上看，將超級(jí)電容應(yīng)用在純電動(dòng)車是可以實(shí)現(xiàn)的。
不過(guò)這只是一個(gè)推斷，具體特斯拉以及Maxwell會(huì)如何應(yīng)用還需要我們靜觀其變。如果真能解決能量密度的問(wèn)題，那么這無(wú)疑又幫助特斯拉邁出重大一步。
[·一種全新的電池組制造方法?·]
此外除了Maxwell的兩項(xiàng)“絕技”有外媒透露，特斯拉或?qū)⑻峁┮环N全新的電池組制造方法。
特斯拉的新方法將把制造電芯以及整合成電池組兩個(gè)制造過(guò)程合二為一。據(jù)外媒推測(cè)，這些小型電池組將像樂(lè)高積木一樣組裝成整個(gè)電池組。推測(cè)特斯拉的冷卻系統(tǒng)將放棄其當(dāng)前的“冷卻蛇”概念，而是將冷卻管直接粘在電池上。特斯拉的專利申請(qǐng)中討論了使用工程介電液作為冷卻液，電池單元直接浸入冷卻液中，從而提供了良好的熱傳遞。
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