【解析】欲引领未来?特斯拉自造电池技术前瞻

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    发表于:04月20日 11:33  浏览量: 115  来源: 未知
摘要:特斯拉,一个在纯电动车界响当当的名字,它从诞生之日起就一直引领着全球纯电动车行业的发展。媲美超跑的加速能力、性能卓越且能不断升级的驾驶辅助系统、超快的充电速度……这些都是特斯拉车型给人的印象。而领先的功能配置背后是特斯拉对电动车技术潜心研究的成果。继自研FSD自动驾驶处理单元之后,特斯拉又开始捣鼓自造电池的事情。究竟特斯拉的这个葫芦里卖的是什么药?今天我们就来聊聊特斯拉自造电池的那些事!


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● 为什么要自己造电池?


自2016年开始,特斯拉旗下车型的动力电池绝大部分由特斯拉和松下的合资公司在位于美国内华达州的超级工厂1号生产。随着特斯拉在全球范围内的销量增长,加上中国工厂在今年1月份正式投产,超级工厂1号的电池产能早已跟不上新车产能需求的步伐,为了突破电池产能的牢笼,特斯拉必须快速找到应对的办法。

为了缓解电池产能的不足,特斯拉在年初正式宣布了与韩国LG化学以及中国宁德时代就电池供应达成合作。自此,松下不再是特斯拉车型电池的唯一供应商,多供应商策略除了能一定程度上缓解电池供应不足的问题,供应商之间的竞争也有利于降低采购价格。


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当纯电动车电池成本降低到100美元/kWh左右时,电动车的售价就能和燃油车持平。这是特斯拉一直以来的目标。根据2018年底的一些行业分析数据,特斯拉与松下合作生产的锂电池成本为111美元/kWh,而当时韩国LG所生产的锂电池成本则约为148美元/kWh,中国宁德时代所生产的锂电池成本则超过150美元/kWh。

虽然松下生产的锂电池成本已经较为接近100100美元/kWh的目标,但特斯拉并不满足不求于此,依然要求进一步降低成本。加上Model3产能需求的增加,特斯拉还要求进一步提升电池产能。在降本和增产的双重压力下,松下的能源业务开始出现大幅亏损(主要是增产需要招聘更多的工人,导致运营成本急剧上升),为了上止损,松下迫不得已地限制了产能。

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随着特斯拉与宁德时代和LG化学的合作,国产Model 3或将很快会配置上非松下产的电池,产能提升逐步走上正轨。
虽然,新供应商的加入能够缓解电池产能的问题,但成本问题依然没有得到很好解决,而且相比起竞争对手,目前特斯拉车型的电池技术优势也越来越小。所以科技狂人埃隆•马斯克一咬牙、一跺脚便决定自己造成本更低、容量更大、性能更强的全新电池。


● 5年低调布局,招兵买马欲自造电池


  2015年开始,特斯拉便开始密谋研发全新的动力电池技术并计划实现大规模量产。为了实现这一目标,特斯拉做了三件“大事”,首先是赞助达尔豪斯大学杰夫•戴恩研究小组(Jeff Dahn Research Group),然后便是相继收购了超级电容生产商Maxwell以及电池制造设备公司Hibar。
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Maxwell公司有两项技术得到特斯拉的垂青,其中一个是干电极技术,另一个是超级电容技术。这里提到的干电极技术实际上就是近年来在科研领域较为热门的自支撑(Self-Surport/Free Standing)电极制作方法。

目前主流纯电动车上搭载的三元锂离子电池采用的都是湿电极工艺,在制造过程中,正极或者负极材料首先会和溶剂混合,然后涂覆到电极片上。这种传统工艺技术较为成熟,电极质量稳定,但由于涂覆方式生产出来的电极较薄,能量密度受到了限制。

而干电池技术则是将正极或负极材料混合粘性物质,然后把混合物压紧粘附到电极片上。这种干电极无需额外的粘结剂、导电剂和集流体,可直接作为电极使用。其具有良好的机械特性、更高的比容量和能量密度。
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Maxwell公司项专利技术是超级电容。超级电容能够实现大功率充放电,而且拥有较高的效率。 

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由于新型电池结构和制造工艺更简单一些,这对于降低电池制造成本是有利的,至于能实现怎样的降本效果,目前官方尚未公布确切的数据,或许在今年4月份举行的特斯拉“电池日”,官方会公布相应的信息。

在进行动能回收时,相比通过功率转换单元存储至电池组中,把电能存入超级电容的损耗要低得多。在车辆急加速过程中,相比传统锂离子电池组,超级电容能够以更大的功率放电,从而提升驱动性能的同时避免传统锂离子电池组大功率放电时产生锂晶枝(会导致电池内部结构加速损坏)。

超级电容的工作温度范围要比普通锂离子电池更宽,能够在-40~85°C之间正常工作,可在极端气温环境下代替动力电池组短时间驱动车辆,也能够驱动电池温控系统对电池加热或者降温,让动力电池工作在最适温度,从而尽可能提升电池的放电能力,延长车辆续航。

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凑齐了人才、技术和生产设备,特斯拉有了自己研发和生产电池的关键要素。据外媒报道,特斯拉目前正在美国弗里蒙特工厂搭建一条动力电池生产线,速度之快令人诧异。


● 特斯拉自造的电池性能有多强?


  究竟特斯拉自造的电池会是怎样的电池呢?特斯拉官方并未对外透露相关信息,但从特斯拉最近5年在动力电池领域的布局来看,其自造的电池有可能是集成了改进型镍钴锰三元锂离子电池+超级电容,可以在不同的工况下充分发挥两种储能元件的优势,提升电池放电功率和放电能力。其中的改进型三元锂离子电池或采用干电极技术以及改进型电解液,可在容量以及循环寿命上得到显著提升。


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  上面提到的干电极技术和超级电容正是Maxwell公司的拳头技术。而之所以猜测特斯拉自造的电池是NCM镍钴锰三元锂离子电池,主要是考虑到杰夫•戴恩研究团队一直以来的研究都是以NCM镍钴锰三元锂电池为基础的,所以在新电池上应该会应用上已有的研究成果来加速量产化进程。


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  Maxwell公司的干电极技术可以使锂电池电芯能量密度达到300Wh/kg以上,目前最大能达到500Wh/kg。相比起目前国内常见的NCM811三元锂离子电池电芯(NCM表示正极材料为镍钴锰三元材料,811表示镍钴锰成分的比例为8:1:1)最高约300Wh/kg的能量密度,特斯拉的新电池技术能量密度提升潜力更大。这在未来或将促成纯电动车续航里程的一次飞跃。

国内在售的特斯拉车型之中,Model S长续航版的续航里程最长,达到660Km。如果特斯拉新型电池能够最终实现500Wh/kg的能量密度,采用目前已有的电池成组技术,有望实现超过1000Km续航


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按照我国国标对车用动力电池的要求,电池1000次充放电循环后容量应大于初始容量的80%。目前国内在售的搭载三元锂离子电池的车型,其电池寿命都符合国标或稍高于国标。


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杰夫•戴恩研究小组的一些研究成果表明,通过对电解液的改良能够显著提升镍钴锰三元锂电池的循环寿命。在一些实验中,采用改进型电解液的电芯在3000次充放电循环后,容量还能保持初始容量的80%以上,部分样品在经过5000次充放电循环后,容量还能保持初始容量的90%以上。


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目前搭载三元锂电池组的纯电动汽车,电池理论使用寿命约为50-60万公里(500或600Km x 1000次充放电)。特斯拉新型电池的充放电寿命保守估计是目前主流三元锂电池技术的3倍左右。假设搭载新型电池的特斯拉的车型续航里程为600Km,那么该电池的理论使用寿命将达到180万公里。这能够大大消除消费者对动力电池衰减的担忧。


最后来说说超级电容。实际上,超级电容在汽车业内早有应用,只是应用得不多而已。马自达i-ELOOP技术就是超级电容在汽车上的应用之一。该技术利用发电机在车辆制动时回收能量,回收来的电能会存储入超级电容中,为空调、大灯、音响等供电,从而降低发电机对发动机的耗费,起到节油作用。


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特斯拉要使用的超级电容与马自达i-ELOOP上采用的虽然本质上是同一类电子器件,但特斯拉希望把超级电容应用到动力系统中,作为动力系统的动能缓冲器,一方面提升能量回收的效率;另一方面辅助动力电池,提升动力系统的瞬间输出功率。

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为了达到上述目标,特斯拉制造的超级电容器的电容量和额定电压都要比马自达i-ELOOP采用的要大得多。马自达i-ELOOP的超级电容曾经因为起火隐患而召回过。特斯拉想要把电容量和额定电压更高的超级电容器集成到车内,超级电容的安全防护设计是一个看点。


● 全文总结


本文介绍了特斯拉自造电池的一些信息并进行了一些前瞻性的猜想,如果顺利的话,这套新的电池系统将会拥有更大的容量、更长的寿命、更好的输出特性以及更低的制造成本。该全新电池系统的详细信息或将在今年4月份的特斯拉“电池日”向公众展示,届时我们将会得到更为全面而准确的消息,让我们热切期待吧!

来源:汽车之家


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