储能技术

特斯拉在自研动力电池上都做了哪些努力?特斯拉电池日的两大期待

2020-06-28 13:43:46 搜狐汽车E电园 作者:许书怀

备受瞩目的特斯拉电池日临近,此前特斯拉CEO马斯克在2019年第四季度财报电话会议上宣布,公司计划在4月中旬举行“电池日”活动,届时将准备讲述一些可以“令人大吃一惊”的事情。据此前媒体报道,今年电池日特斯拉或将主推Maxwell的干电极技术,那么这个技术有何过人之处,特斯拉在自研电池的道路上都做了哪些努力呢?本文一起来探讨。

首先让我们来简单回顾一下特斯拉在动力电池供应商方面的变化动作。

●特斯拉自成立以来,其动力电池一直都是由日本松下提供的圆柱形电池。不过特斯拉和松下多年来的合作随着产能增加,在产能以及价格方面二者分歧增加,导致矛盾激化。特斯拉也越来越意识到把握动力电池核心技术的紧迫性。

●2019年10月,特斯拉宣布与LG化学合作,LG化学南京工厂将向特斯拉中国工厂供应圆柱21700型电池,打破了日本松下独家供应商的地位。

●2020年2月,中国动力电池巨头宁德时代也正式纳入了特斯拉的电池供应体系。保价协议期限为2020年7月1日至2022年6月30日。这也意味着至此,特斯拉在全球范围内共有三家动力电池供应商。

●不过特斯拉也一直没放弃自研电池的道路,在2019年特斯拉先后收购了Maxwell电池技术公司、加拿大电池制造商Hibar Systems,用来自主研发动力电池。

结合Maxwell的优势,未来特斯拉自研电池很可能朝着半固态电池迈出一大步,如果干电极技术以及超级电容能够在短期内量产应用,那么这无疑会对现有的新能源动力电池格局形成较大冲击,具体究竟如何,还需我们静静等待今年的电池日。

[·Maxwell的“超级电容”和“干电极”·]

据悉,特斯拉去年收购的Maxwell是全球第一的超级电容器制造商,在“超级电容”、“干电极”等领域有着技术领先优势。而基于Maxwell的这两大技术优势,则带给我们无限幻想,另外马斯克所说的将在电池日宣布“令人大吃一惊”的事情,不知是否意味着在关键电池技术上有所突破,这也让我们对此次的电池日有两大期待。

期待一:干电极技术突破

提到干电极技术,首先我们先要了解目前电池电芯内部是什么样的。

目前的电池电芯为涂抹正负极材料的极片中部加入隔离膜,再注入电解液形成电芯单体。而干电极则是通过在锂电池的电解液中加入少量(约5-8%)细粉状粘合剂(PTFE),与正极、负极材料粉末混合,通过挤压机挤压形成薄的电极材料,围绕在电极周围的这部分电极材料就类似是口香糖似的胶状物。此时电芯内固态材料增加,电解液容量减少,这就相当于固态电池的初级阶段,从而达到提升能量密度、电池活性,以及实现无钴的减低成本目标。

事实上干电极并不算是新技术,已经过多年发展。干电极技术可以简化动力电池工艺,节约电池空间,极大提升电池的能量密度。同时有业内人士指出,干电极技术以下4点优势:

1、电极压实密度更高有利于负极补锂;

2、可以更容易使用超高镍正极材料;

3、成本更低;

4、可以适用于下一代材料体系,包括固态电池。

而我们目前使用的锂电池会有寿命问题,主要是因为固态的电极浸泡在液态的电解液中,固液接口经过多次充放电循环,会逐渐产生结晶等结构问题,最终造成电池效能下降甚至短路,同时电解液本身有毒性,更有污染环境的问题。而干电极技术排除了固液接口,因此可改善电池的效能表现,大幅提升寿命与安全性,降低成本。

如果特斯拉以及Maxwell在干电极技术方面做出了某种突破,那么意味着其电池电芯技术将领先市场一个代际,在能量密度、成本、安全性、电池包体积等方面都将获得突破,也代表它距离未来全固态电池的开发和应用更进一步。

期待二:超级电容技术能否应用于动力电池

超级电容又称为双电层电容器,它类似普通电容器和电池的混合体,但又不同于两者。如同电池一样,超级电容器也具有由电解质隔开的正极和负极。但是与电池不同的是,超级电容器像电容器一样以静电的方式储存能量,而不是像电池那样以化学的方式储存能量。

超级电容器同样也有一个介质分离器来分离电解质,就像电容器一样。这种内部的电池结构使得超级电容器具有很高的能量存储密度,特别是与普通电容器相比。

超级电容器的优点是功率密度高,并且充放电远比电池的化学反应快速,能实现快速的充放电,在无数充放电循环后也不像锂电池会出现效能衰退以及析锂现象,因为当电荷存储在它们内部时,不会发生物理或化学变化。而且因为是物理储能,所以不需担心温度过高过低影响化学反应,因此在极端温度下仍能确保电池性能的稳定性和可靠性。

根据公开信息显示,Maxwell电极能使能量密度超过300Wh/kg,较特斯拉当前使用的电池高出了20%-40%。按照其规划在2020年左右可以实现385Wh/kg的能量密度,到2027年可达到500Wh/kg。转换到实际续航里程,未来特斯拉单次续航便可轻松突破1000km。而目前,Maxwell生产的超级电容器主要应用在我们熟悉的自动启停技术上,它能帮助车子极大减缓启停震动,提升舒适性。

综合超级电容上述优点,如果应用到纯电动汽车当中,将会扫除许多目前限制纯电动车发展的障碍。比如充放电迅速的特性可以极大提升能源补充的速度;无数循环放电衰退少将让电池寿命提升两倍以上;物理储能则极大提升性能稳定性,降低自燃风险,减少冬季续航衰减和夏季温度过高的可能性;功率密度高则可以减少动力电池体积,并降低10%-20%的成本。

由此看来,超级电容很可能是帮助纯电动车代替燃油车的一大利器。不过既然它这么优秀,为什么没有大范围应用呢?

因为超级电容存在一个致命缺点,就是能量密度仍然远远低于锂电池。所以短期来看,超级电容不大可能成为电动车主要储能技术,这会导致电动车续航力严重不足。不知道特斯拉电池日是否会在超级电容方面给到我们哪些惊喜。

不过也有业内人士猜测,根据超级电容的特性,如果采用超级电容搭配锂电池的复合组合系统,便可以撷取双方优点进行优势互补。即利用超级电容为瞬间大功率输出提供动力,或是为刹车动能回收进行瞬间吸能回电,辅以锂电池为主要动力来源,解决续航能力的短板。所以从理论上看,将超级电容应用在纯电动车是可以实现的。

不过这只是一个推断,具体特斯拉以及Maxwell会如何应用还需要我们静观其变。如果真能解决能量密度的问题,那么这无疑又帮助特斯拉迈出重大一步。

[·一种全新的电池组制造方法?·]

此外除了Maxwell的两项“绝技”有外媒透露,特斯拉或将提供一种全新的电池组制造方法。

特斯拉的新方法将把制造电芯以及整合成电池组两个制造过程合二为一。据外媒推测,这些小型电池组将像乐高积木一样组装成整个电池组。推测特斯拉的冷却系统将放弃其当前的“冷却蛇”概念,而是将冷却管直接粘在电池上。特斯拉的专利申请中讨论了使用工程介电液作为冷却液,电池单元直接浸入冷却液中,从而提供了良好的热传递。



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