三元锂电池海报传单-纳米硅线、无钴高镍还是干电极？特斯拉电池日或公布这些新技术

电动车电池

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近日,特斯拉CEO马斯克又在推特上为即将举办的“电池日”预热,马斯克发推称:在9月22日的“电池日”上,将公布大量激动人心的消息。另外,马斯克还附上了一个闪电图标。

关于此次“电池日”活动,马斯克一直在卖关子,他曾在推特上表示,特斯拉有望在3-4年内大规模生产寿命更长且能量密度达到400Wh/kg的电池。与目前在售车型搭载的电池相比(目前Model 3的电池约为260Wh/kg),新电池的能量密度可以提升50%左右。

除此之外,皆电猜测此次或将发布四项新技术:百万英里电池、无钴电池、干电极技术、硅纳米线技术。

百万英里电

电池决定了一辆车的续航里程和成本控制。特斯拉作为电动车产业的龙头,在电池领域也下了不少的功夫。2015年,专注于锂电技术产业化的杰夫·戴恩团队进入特斯拉,研发寿命更长、成本更低、能量密度更高的锂离子电池。去年9月底,杰夫·戴恩团队发布论文介绍他们正在测试的新一代锂离子电池。采用新一代单晶阴极和新型电解液后,新研发的动力电池的使用寿命将超过160万公里(100万英里)。

无钴电

目前特斯拉电动汽车主要采用NCA三元锂电池,在生产过程中需要用到钴金属。但钴作为稀缺金属,产量少且分布不均,未来的持续性应用非常困难,不利于产业发展,寻找替代性技术非常必要。

此前多次传出绯闻,提到特斯拉正在和宁德时代合作研发无钴电池,研发方向倾向于磷酸铁锂电池,目前磷酸铁锂版本的国产Model 3也已经出现在了工信部的新车目录之中。

电极技术

2019年5月,特斯拉斥资2.18亿美元收购Maxwell。Maxwell成立于1965年,总部位于美国圣地亚哥,是全球第一的超级电容器制造商,在电池业务方面核心拥有著名的“干电极技术专利+超级电容”。而干电极技术也很可能是马斯克在本届电池日可能宣布的技术突破之一。

干电极可以生产出更厚的电极,使电池的能量密度得到大幅提升,用该工艺制成的三元锂电池电芯单体能量密度最高可达到500Wh/kg,而目前主流的三元锂电池电芯单体能量密度为300Wh/kg左右。另一个好处就是,在电池使用之后,持续为其补充锂金属,可弥补电池的容量衰减,而采用湿电极法制备的电极,难以补充金属材料。

硅纳米线技术

该项技术比较隐秘,此前一直没有露出痕迹,大众也只是从特斯拉发布的电池日最新海报中猜测的。特斯拉电池日海报上有一些抽象的线条,这是一种新的电池材料——硅纳米线的结构图,所以部分海外媒体认为特斯拉在电池日上发布的将会是基于硅纳米线技术的全新电池,而非之前所传闻的干电极技术。

据介绍,采用硅纳米线技术后,电芯的重量将会减轻一半,占用的空间也会是当前锂离子电池的一半,同样体积的电池其能量密度也更高。

特斯拉上半年全球交付量达17.9万辆,Model S/X交付2.28万辆,Model 3/Y交付15.63万辆,其中上海工厂交付45754辆。2020年特斯拉计划销售规模为50万辆,未来随着新车型的陆续投放、产能的快速爬坡以及国产化进程的加速推进,产业链个股有望持续受益。

距离特斯拉的“电池日”还有不到一周的时间,让我们期待马斯克又会带给人们什么惊喜吧。

(图/文/摄:皆电 唐科)

本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

特斯拉的一举一动都会引起新能源汽车行业的震动,临近9月22日举行的特斯拉电池日,马斯克先在推特上为Battery Day预热并称将公布大量激动人心的消息,板上钉钉是百万英里电池没跑了。

除此之外,特斯拉也又有新动向,路透社报道称,目前特斯拉正在与加拿大矿业公司吉加金属公司(Giga Metals)商讨如何开发一座大型矿山,想要购买大量低碳镍金属。资料显示,该矿已测量并显示储量为236万吨镍和14.1万吨钴。Giga计划在20年内每年生产4万吨镍和2000吨钴。

所以,特斯拉这是想要把鸡蛋分散在不同的篮子里吗?高续航高成本的电池也要抓,无钴电池也要抓。尽管距离电池日还有些时日,但根据之前媒体曝出的相关新闻,我们也可对这次发布会的内容略窥一二。

干电极技术+负极预锂化

2019年,特斯拉相继收购了Maxwell和Hibar两家公司,Maxwell主要业务领域涉及超级电容器和干电极技术等,Hibar则是电池制造专家。

Maxwell公司宣称,干电极技术未来有望将电池能量密度提升到500Wh/kg。这是一个什么概念?目前,特斯拉Model 3上的NCA811三元锂电池,单体能量密度为340Wh/kg,是磷酸铁锂电池的二倍(仅从单体电池角度来说,不考虑使用CTP模组后整体电池包)。从技术层面来看,大概率会通过负极预锂化来实现能量密度的提升。

什么是干电极技术?

传统的锂离子正负极制造是将粘结剂溶剂(比如60%的PTFE或者NMP溶剂),和导电剂混合成浆料,然后把浆料再涂布在铜箔或铝箔上,通过烘干把溶剂蒸发,干电极则是直接将粉末混合压制在集流体上。

什么是预锂化?

简单来说,就是为电池提前准备一些锂,把电池反应过程中损失的一些不必要的锂补充回来。

电池在首次充放电的时候,有机电解液会在电池负极发生氧化还原反应,形成SEI膜,这种锂离子的消耗是不可逆的,已经形成SEI膜的锂离子只能以SEI膜的形式存在在电池里,无法再变成锂离子为电池容量做贡献。而预锂化能有效提升电池容量和循环寿命。

但所有电池的预锂化都能有效提升电池能量密度吗?并不是。

预锂化对于硅或者硅基材料作为负极的电池提升效果明显。现在广为使用的石墨负极不可逆锂损耗仅为5%～10%,还处在一个比较能让人接受的范围内,但如果使用更高容量的负极材料,锂损耗的比例会明显提升,纯硅负极的首圈循环效率只有50%——结合特斯拉此前发布的硅纳米线技术来看,预锂化势在必行。

Maxwell的预锂化技术就是将锂金属粉末与正极、负极活性材料混合后压制成电极,使用粘结剂和导电剂代替溶剂,让负极材料和锂粉进行混合,直接和集流体合二为一。结合Maxwell的干电极技术,简直是最佳拍档。

有人会问,现在特斯拉不已经在负极材料中掺入了10%的硅材料了吗,那目前特斯拉采用预锂化技术了吗?

还没有。

一个是因为特斯拉目前采用的浅充浅放策略对电池的影响不大,而Model 3也是通过提升电池容量来提升车辆的续航里程;再有则是因为现在的负极补锂技术操作复杂,对环境要求高,也直观的反映在成本更高,无法产业化预锂技术

顺口提一下Maxwell正在研发的超级电容吧,可以在纯电车的动能回收上起作用。超级电容器可以看做一个紧急储存电量的装置,耗能要小于把电量回收到电池里。急加速过程中,超级电容器能够实现大功率放电,避免动力电池直接大功率放电产生锂枝晶,防止对电池结构造成不可逆的损伤。

硅纳米线?

早在前几日特斯拉发布电池日海报时,就有人看出海报背景中隐藏的硅纳米线。硅负极材料的理论比容量达到4200mAh/g,但在实际应用中却存在着致命缺点——在离子脱嵌过程中硅会发生严重的体积变化,导致负极结构破坏,电池循环能力变差。而锂离子电池的充放电过程都需要锂离子的脱嵌来完成。

而硅纳米线指宽度在10纳米左右,纵向长度无限制的硅材料。这种结构的线形材料可以通过横向膨胀释放体积应变带来的压力,硅纳米线之间的空隙可以容纳体积膨胀,防止材料内部相互挤压破碎,影响电池正常运行。

特斯拉与Amprius合作开发了一种新的硅纳米线制造工艺:利用涂覆有硅纳米涂层的模板,使用cvd工艺直接在基板材料上生长硅纳米线。这一方法同样适用于在硅纳米线上复合或掺杂其他材料,以增强其导电性和强度。

特斯拉将硅纳米线直接放在海报上,说明这次电池日发布会上硅纳米线必然具有重要意义。极有可能特斯拉之前预告的百万英里电池将应用该技术,或者这一技术将关系到特斯拉电池的未来发展。

无钴/高镍电池?

特斯拉与宁德时代合作的消息已经是广为人知,这也更加确信了宁德时代在磷酸铁锂电池方面的成就有可能为特斯拉所用——磷酸铁锂电池,不就是无钴电池的另一种说法吗?但这里我们按下不表,毕竟特斯拉官方也曾表示过,无钴不一定是磷酸铁锂。

马斯克一直都是无钴电池的坚定拥护者,2018年他就表示未来特斯拉的动力电池钴含量会降到0,实现真正意义上的无钴。钴作为稀缺金属,产量少且分布不均,又会增加电池成本,无钴电池的出现势必会对当今的电池体系和新能源产业带来翻天覆地的变化。

去钴到底难在哪?

以现在广泛应用的NCM电池为例,锂离子在正极材料的脱嵌过程中,很容易影响正极结构的稳定性,而钴的加入可以稳定正极材料的层状结构,并提高材料的循环和倍率性能,这也是去钴化的难点之一。

而特斯拉合作伙伴杰夫·达恩团队主要是通过单晶材料的突破、电解液添加剂和提高镍含量来实现降钴,这也和前文提到的特斯拉计划开发矿山的计划不谋而合。研究结果显示,在高镍含量的NCA电池体系中(也就是特斯拉Model 3采用的电池种类),钴的作用并非不可代替,加入铝、锰和镁等金属,某种程度上也同样能起到这种作用。因此,特斯拉大概率采用新型高镍正极材料来实现马斯克的无钴梦。

百万英里电

预锂化、干电极、纳米线这些技术名词距离我们太过遥远,百万英里电池的发布才是重头戏。

自特斯拉公布百万英里电池的消息以来便受到了广泛关注,各大媒体将特斯拉和其合作伙伴的近几年的专利全部翻出来,上述技术陆续进入大众视野。除了“单晶镍钴铝电池技术”有资料显示极有可能实装在新电池上,其他技术是否实装我们还需等到电池日那天才能得知。

但对于消费者来说,所有未实装的技术都是噱头,如果百万英里电池真的能达到此前预告的性能,总续航里程有望超过100万英里,大约160万公里,4000次充放电循环后,新电池的容量仍为90%,宽温范围下充放电循环次数还能提升到6000次以上,预计会有不少消费者为之买单。

上述的这些技术都会显著的提高特斯拉电池的性能,那么具体会哪项技术被特斯拉采用呢,9月22日,让我们拭目以待吧!

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