特斯拉的电池野心

2020-02-14来源: EEWORLD关键字:特斯拉  电池

特斯拉正在弗里蒙特建立一条试点电池生产线,并设计自己的设备来生产电池。这条生产线上的电池将是特斯拉生产的第一批自产电池。


这标志着,特斯拉电池生产规划进入了落地阶段。


按照特斯拉的特点,推出的产品一般都会远超同类产品性能。这次会例外吗? 


去年,特斯拉首席执行官埃隆马斯克就表示,他们制造的Model 3可以像商用卡车一样,达到100万英里(160万公里)的使用寿命,电池模组的使用寿命应该在30万英里至50万英里之间。 


这是不是吹牛?100万英里的动力电池,采用了什么特殊的材料或者技术吗?特斯拉是不是还藏有什么其他颠覆性的电池技术?特斯拉为自产电池,做了哪些准备?


研发储备电池技术


马斯克的底气来自于之前研究团队的最新成果,以及并购企业获得的先进技术。


(1)新型电解液添加剂提升电池性能


特斯拉的电池研究团队发现,新型电解液添加剂也能提升电池性能。


2018年9月,Jeff Dahn及其团队发表了一项名为《Dioxazolones and nitrile sulfites as electrolyte additives for lithium-ion batteries》(《二恶唑酮和亚硫酸氰作为锂离子电池电解液添加剂》)的国际专利。


他们在专利申请中写道:


“该发明涉及一项较少使用电解液添加剂的新型电池系统,能够在包括车辆和电网储能在内的不同储能应用中使用。


更具体地说,这项专利包含了一种能增强锂离子电池的性能及寿命,同时比依赖其他添加剂的系统,拥有更低的成本。”


根据专利申请书,该研究工作的最大亮点是描绘了一种采用了新近开发的电解液添加剂MDO,以及两种新的添加剂PDO与BS,所制成的NCM523/石墨材料锂离子软包电池。


实验结果表明,不同的化学成分配比可造成电池性能差异。


例如,在电池使用过程中,MDO和PDO均会在石墨电极表面形成保护固体电解液界膜(SEI),而BS则不会。


作为单独使用的添加剂,采用PDO作为电解液添加剂的电池性能表现最好。


另外,在长时间的电池循环性能测试中,2%PDO+1%硫酸乙烯(DTD)的电解液添加剂组合、2%PDO+1%二氟磷酸锂(LFO)的电解液添加剂组合,比含有碳酸亚乙烯酯(VC)的电池拥有更好的循环性能表现。


对特斯拉的这个电池研究团队,大家或许有些陌生。


早在2015年,特斯拉就赞助达尔豪斯大学的Jeff Dahn的电池研究小组,结成合作伙伴关系。2016年6月,他们的合作伙伴关系开始生效。

Jeff Dahn电池研究小组简介

Jeff Dahn电池研究小组简介


Jeff Dahn在锂离子电池领域有着多年的研究经验,被认为是锂离子电池的先驱。他因帮助延长电池单体的生命周期而闻名于世。现在,他的工作主要集中在能量密度和耐用性的潜在增长上。

 Jeff Dahn

Jeff Dahn 


(2)新型电池——电池寿命可达100万英里


2019 年 9 月 6 日,Jeff Dahn的实验室已经发布了一项新型电池的测试论文——《A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies》(《出色的锂离子电池化学性能的广泛测试结果,可作为新电池技术的基准》)。


论文描述了,Dahn团队测试单晶NCM正极和新型先进电解质的锂离子电池情况。


测试发现,这种类型的电池应该能够为电动汽车供电超过100万英里(160万公里),并且在电网储能中至少可持续20年。


Dahn团队已经对这种类型的电池用长达3年的完成了某些测试。测试包括在20、40和55℃下的长期充放电循环,在20、40和55℃下的长期储存,以及在40℃的高精度库仑法测试。

根据测试,这类电池即使在40℃的极端温度下,这些电池也可以达到近4000个循环。

注:紫色和绿色为Dahn团队的测试结果,在接近4000个循环后,电量还能保持在85%以上,另外三个为对比项

注:紫色和绿色为Dahn团队的测试结果,在接近4000个循环后,电量还能保持在85%以上,另外三个为对比项

注:在不同温度的存储时间和剩余容量关系测试中,Dahn团队(绿色)的电池在超过400天的测试中,余电都保持在85%以上,黑色为对比的磷酸铁锂电池表现
注:在不同温度的存储时间和剩余容量关系测试中,Dahn团队(绿色)的电池在超过400天的测试中,余电都保持在85%以上,黑色为对比的磷酸铁锂电池表现


像特斯拉的电池一样,采用主动冷却系统,它可以将电池推至6000个循环以上,也就是说很容易超过100万英里。

注:如果将电池保持在 20°C 的平均温度,这些电池将在 EV 中提供超长的总行驶里程。即使电池持续在 40°C 下运行,仍可达到10 年寿命,达到 70%的容量,预计总行驶距离为 1,200,000 km。

注:如果将电池保持在 20°C 的平均温度,这些电池将在 EV 中提供超长的总行驶里程。即使电池持续在 40°C 下运行,仍可达到10 年寿命,达到 70%的容量,预计总行驶距离为 1,200,000 km。


Dahn团队的测试发现,适当设计的NCM/石墨电池,比 LFP/石墨电池具有更长的存储寿命。由于NCM/石墨电池的体积和比能量密度,比LFP/石墨电池大得多,不再需要在能量密度和寿命之间进行权衡。


令人惊奇的是,这项测试的电池并没有用什么特殊材料,而是比较普通的电池。如下图,测试采用的电池是403025软包,能量密度在200Wh/kg。

注:在 30°C 和 C / 10 在 3.0 至 4.3 V 之间测量

注:在 30°C 和 C / 10 在 3.0 至 4.3 V 之间测量


其实,特斯拉在提升电池性能上并非只依靠Dahn团队。


(3)收购Maxwell,获取先进技术


2019 年 2 月,特斯拉以 2.18 亿美元溢价55%收购了Maxwell。Maxwell是业内知名的超级电容器制造商,不过,这次特斯拉看上的是他家的干电池技术。


2018年,Maxwell的化学家和电池科学家在发表的一篇论文中描述了他们先进的涂层技术:“与传统的浆料浇铸湿法涂覆电极不同,Maxwell的DBE具有显着的高负载能力,并能生产出厚的电极,可用于高能量密度的电池,而不会影响物理性能和电化学性能。


Maxwell的DBE的放电速率能力比湿式涂层电极好。Maxwell通过生产坚固的卷状自支撑干式涂膜电极膜(具有出色的长期电化学循环性能),展示了可扩展性,并制造了大于10Ah容量的大型软包电池原型。”


该公司表示,它由一种可以变成干燥涂层电极的粉末组成:干电极以前已经过测试,但是在较高的充电和放电速率下以及经过许多次充电循环后,它们往往会失效。


Maxwell在论文中声称,他们的技术并不会如此。


据报道,与没有干电极的相同电池相比,它们的电池能够以更高的放电速率维持其容量。


他们声称还证明了“一组5个装有干式涂层电极的电池在2C放电时的容量保持率超过90%。”

Maxwell电池样品Maxwell电池样品


在寿命方面,Maxwell声称其电池技术在将近1500次循环后可保持近90%的容量保持力。


按照特斯拉电池组使用情况来看,大约每周充电一次即可(根据使用情况而定),这意味着可以正常使用将近30年,之后容量下降到其原始容量的90%左右。


此外,Maxwell还声称,其电极在当前的演示电池中能实现超过300 Wh / kg的能量密度,并且他们看到了通往500Wh/kg以上的道路。


Maxwell干电极技术虽然并未走向商业化,但因为省去了干燥环节,相比传统湿电极技术,流程更加简单,能源消耗更低,设备投入更少,也减少了CO2和溶剂干燥时其他污染物的排放,甚至生产的占地面积也会更小,这无疑对未来特斯拉控制成本,有很大的帮助。


长寿命电池、新电解质添加剂、Maxwell的电池技术,仅仅是进入我们视野的特斯拉电池技术储备,我们相信特斯拉一定还储备了其他一些技术。


长寿命电池:为Robotaxi打下基础


在上述测试论文中,Dahn团队特别提到,长寿命电池对于运营类车辆的好处,尤其对“自动驾驶出租车”很有用。 


自动驾驶出租车要全天驾驶,远程电动卡车也几乎是100%的放电深度,因此,进一步提升循环寿命,对这几类车型十分有必要。

资料来源:《A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies》

资料来源:《A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies》


这项技术正好达到了马斯克的要求。马斯克的愿景是,特斯拉的车主不仅可以在日常通勤中使用他们的汽车,剩下的时间,可以利用车辆上的自动驾驶功能,提供出租车服务,并从中获利。 


马斯克表示,特斯拉将使用自己的车队来填补服务缺口,其中包括Model 3租赁汽车。

马斯克还透露说,他们正在优化汽车的各个方面,包括轮胎,以实现最少的维护,从而打造出“超高效”的自动驾驶出租车。 


马斯克曾表示,采用这一技术,他们制造的Model 3的续驶里程可以和商用卡车一样长,达到100万英里(160万公里),电池模组的使用寿命应该在30万英里到50万英里之间。

“特斯拉不会更换整个电池包,但他们将提供5,000-7,000美元之间的电池模组更换服务。”也就是说,全生命周期更换2-3次电池组,就能达到累计100万英里的续驶里程。

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电池生产计划:2019年浮出水面


特斯拉储备这些技术,当然是为了自产电池做准备。


(1)自产电池计划初露头角 


外界了解特斯拉打算生产电池,是从其收购Maxwell 开始。据了解,两家公司早在多年前就已经开始探讨合作的可能性。


收购Maxwell后,近半年多的时间,特斯拉再次悄悄收购了总部位于加拿大的电池制造和工程公司Hibar Systems。该公司此前刚推出完整的“高速锂离子电池制造系统”。 


自此,特斯拉自产电池之心,已经昭然若揭。 


在特斯拉2019年的股东大会上,马斯克强调称,特斯拉产品的推出,受到电池生产规模的限制。 


曾担任特斯拉领先电池专家一段时间的特斯拉CTO JB Straubel补充说:“我们需要大规模的电池生产解决方案。”


尽管他们并没有直截了当地说自己

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