剧透特斯拉电池日,Musk会拿出什么杀手锏?

  • 叶方
  • 2020/02/26
  • 汽车之心

作为全球最大的锂电池买家,特斯拉是各类电池技术突破的见证者。

作为全球最大的锂电池买家,特斯拉理所当然地成了各类电池技术突破的见证者。

此前特斯拉就透露称,经常会有各种电池样品交到自己手上,特斯拉密切追踪的电池研发项目更是有数百个之多,几乎每个项目都是潜力股。

对电池研发者来说,维持好与特斯拉的关系也意味着自己潜心研发的技术更有可能受到市场青睐。

需要注意的是,任何电池技术的突破,要想从实验室的科研论文变身为普及的市场应用,一般都需要 10-20 年时间。随后,这项技术可能还要花 5-10 年时间不断迭代走向成熟。

具体来说,负责概念、结构与电芯工作原理的研究人员只能为电池技术的突破打下基础,后续的研发、测试与量产还是要整个行业来推动。

类似特斯拉和松下这样的厂商,必须先从实验室拿到授权,随后投入巨资解决量产问题,个中滋味,不足为外人道也。

锂电池的工作原理

锂电池由四个主要部件组成。

大家首先想到的肯定是正极(Cathode)和负极(Anode)了(注:这里所说的正负极对应的是原电池的概念)。

其中正极材料主要是 NMC/LCA(三元材料)、LCO(钴酸锂)和 LFP(磷酸铁锂)等,而负极材料则是石墨和硅。

第三个部分则是正负极之间的隔膜(Separator),它由非常薄的塑料制作而成,可以防止正负极之间的电解液物理接触。

除此之外,它还是电池的「防火墙」,如果出现过热情况,就能阻断反应,防止电池着火或爆炸。

第四部分就是电解液(Electrolyte)了,这些液体可是易燃性的。

那么这 4 个部分是如何配合完成电池的充放电呢?

你可以将电极看做海绵,它会吸收并保存锂离子。在电池亏电时,Li+ 会聚集在电池正极。

充电开始后,Li+ 则会向负极聚集,得到电子并被还原成 Li 镶嵌在负极材料中。放电时镶嵌在负极材料中的 Li 则会失去电子,重新向正极回流。

在整个过程中,隔膜不能阻挡锂离子的循环移动,但却要把电子挡在它们原有的地盘。

特斯拉现在用的就是这种电池,其体积与普通 AA 电池类似,封装后做成电池组为车辆提供动力。

可惜,锂电池技术已经触到了天花板,再加上其易燃易爆的特性,让电动车厂商不敢再对其进行挖潜。

因此,尽快用上新的电池技术是势在必行。

什么是固态电池

这种新技术以固态命名是因为它抛弃了电解液,转而使用固态电解质,而新的电解质就是固态电池的核心。

除了干好自己的本职工作,固态电解质还能一并扮演隔膜的角色。

在正极材料选择上,高电压型电极材料更为合适。至于固态电池的负极,则可以用到锂金属,以实现能量密度的大飞跃。

事实上,固态电池并不是什么新事物,其研发开始于上世纪五十年代,但最近几年它们才因为电池革命的需要而走上前台。

相比于传统锂电池,固态电池有几大优势:

安全性首当其冲;

其次,固态电池可以做的更加轻薄;

第三点最重要,即固态电池能量密度要高得多,它甚至能直接让电动车续航里程翻番,而这是解决电动车续航焦虑最直接的办法。

最后,生产制造的难度也会有所降低。

一般来说,动力电池系统需要先生产单体,单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联,则会导致正负极短路与自放电。

固态电池电芯内部不含液体,可实现先串并联后组装,减少了组装壳体用料,封装设计得以大幅简化。

从理论上来讲,量产电动车中最强的 21700 NCA 三元锂电池电芯(特斯拉使用),其能量密度也只有 251 Wh/kg。

业内人士认为,300 Wh/kg 将是三元锂电池难以跨越的鸿沟。至于固态电池,其能量密度有望达到 400-1000 WH/kg。

显然,固态电池将让那些嫌弃电动车续航的用户无话可说。此外,它的应用还能拉低电池组甚至整车的成本——由于固态电池已经没有燃烧或爆炸之忧了,BMS 等温控组件(这也是特斯拉的强项)可以彻底退役,无隔膜设计还能进一步为电池系统「减负」。

固态电池好是好,但想把这块技术拼图补全并不容易。

举例来说,锂离子在液体中穿梭远比在固体中轻松得多,此外固态电池对温度也更加挑剔。

说到固态电池,就不得不提 Braga Glass 这个词。

2019 年年末,「锂电之父」Goodenough 联合克雷尔学院高级研究员 Maria Helena Braga 共同发布重磅论文《安全充电电池的替代方案》,他们研发的这款新电池拥有低成本、全固态、不易燃、长寿命、高能量密度、快速充放电,耐低温等特性。

论文中还指出,新电池的电芯制造难度与成本都更低,能量密度更是现有锂电池的 3 倍,可循环充放次数也更多。

2018 年 6 月,Braga 团队又发表了名为《非传统高压长循环寿命安全充电电池》的第二篇论文。

不过,论文的发表不代表研究人员找到了什么突破口,Braga 团队甚至遭到了许多业内大牛的质疑。

简言之,Braga 的玻璃电池现在还是犹抱琵琶半遮面,第二篇论文中 2.3 万次的充放循环、自充电等特性更是令人难以置信。再加上第一篇论文中提到的超高能量密度,如果这款玻璃电池能大规模量产,对电动车行业来说简直是核武器一般的存在。

第一篇有关玻璃电池的论文发布一年后,Elon Musk 在电话会上也谈到了这个问题:

「在我看来,如果你手上真有突破性的电池技术,可以寄给我们样品。如果你不相信特斯拉,也可以到第三方实验室进行验证。要不然,还是闭嘴吧。有人还说自己能在银河系玩瞬间转移呢,但也没见他们真的实现。」

时任特斯拉 CTO 的JB Straubel则指出,「我同意 Elon 的观点,特斯拉接触过很多家做固态电池的公司,甚至测试过多款原型产品,但从结果来看我们暂时还不会切换既定战略。当然,如果真有人能取得电池技术突破,我们也会成为第一个投入应用的公司。」

对于自己的新成果,Goodenough则表示,「我们计划将固态电池技术授权给多家厂商,而不是让某家厂商独享。对大公司来说,制造一款全新电芯两年时间就够了,现在则有 50 多家公司对我们的技术感兴趣,它们未来都可帮忙验证。」

也就是说,即使松下和特斯拉能抢先落地固态电池,其他厂商也能尽快跟上。

显然,这会损害特斯拉在业内的领先优势,甚至会成为埋葬它们的深坑。

事实上,各家巨头都或多或少投资了一些固态电池新创公司,期待着哪一天在技术上取得突破。

福特、宝马与现代就联合投资了名为 Solid Power 的新创公司。

本田则选择与 NASA 喷气推进实验室及加州理工合作,试图搞出将能量密度提升 10 倍的新产品(不过该项目依然在用电解液)。

通用方面,不但拿到了美国能源部的 200 万美元奖励,还携手 LG 化学投资 2 亿美元继续开发非固态锂电池,为旗下雪佛兰 Bolt 电动车提供「弹药」。

与福特建立同盟关系的大众,则向美国固态电池新创公司 QuantumScape 投资 1 亿美元,不过它们的生产线 2025 年才能建成,至于大规模量产要到 2030 年了。

丰田走的最快,它准备趁着东京奥运会发布一款搭载固态电池的电动车。不过,量产恐怕要再等五六年。

除此之外,丰田还联合本田、日产与松下搞了日本固态电池研发小联盟,预计 2025 年能将电动车续航提升至 340 英里(约合 547 公里),2030 年则进一步增加到 500 英里(约合 804 公里)。有趣的是,松下曾表示固态电池未来十年内都难以投入商用。

总而言之,业界普遍认为,固态电池真正落地时间会在 2025-2030 年之间。

特斯拉收购 Maxwell

2019 年 2 月,特斯拉以 2.18 亿美元溢价收购电池技术公司 Maxwell。

这家公司不仅手握重要的干电极技术,就连 Musk 最近都表示,这项技术比大家想象中重要很多。

除此之外,Maxwell 的武器库里还有超级电容技术。简单理解,就是通过静电方式存储电能——这项技术在未来可能会成为特斯拉的定海神针。

要说 Maxwell 的干电极技术的最大不同所在,就不得不提传统锂电池制造时使用的含粘合剂材料的溶剂。

这种溶剂有毒,必须小心回收并进行纯化后才能再利用。

此外,它还需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机配合。Maxwell 的干电极技术则彻底剔除了这种溶剂。

通过这项技术,Maxwell 不仅能将能量密度提升到 300 Wh/kg,还能让电池寿命乘以 2。当然,对特斯拉最重要的还是降成本。

据悉,干电极技术能比传统的湿电极技术节省 10-20 个百分点的成本,而且生产速度更快。除了免除有毒溶剂,干电极技术还可以剔除钴这一原料,为环保贡献一份力。

从现有信息来看,Maxwell 的干电极生产一共分为三步:

第一步,电极粉末的混合;

第二步,用挤压机将粉末挤成电极材料带;

最后压在金属箔集电体上产出干电极。

Maxwell 的干电极技术研发始于 2011 年,10 年的时间相信这项技术已经离正式商用不远了。

如果再加上特斯拉今年才收购的 Hibar System,就更加如虎添翼了。事实上,这家新收购的公司并不是做电池的,它的绝活是泵系统,能将电解液加注到电池内。

当然,大家千万别将 Maxwell 的干电极技术与固态电池混为一谈,特斯拉当下依然专注传统锂电池,但会借助 Jeff Dahn 的技术为电池加入两种新的混合物,将正极材料升级为锂镍猛钴化合物,而负极则会用上自然或人工石墨。

简言之,今年的电池日上,特斯拉可能会对手上的新技术进行一次大整合,将 Maxwell 的干电极技术,Hibar 的泵系统和 Jeff Dahn 的电化学技术串在一个链条上。

如果真如 Maxwell 所言,自家技术未来能将传统锂电池的能量密度推高至 500 Wh/kg,恐怕短期内特斯拉不会碰固态电池。

当然,特斯拉才不会把鸡蛋放在一个篮子里,Maxwell 的技术同样也可用在固态电池上。

不出意外的话,在今年 4 月举办的电池日上,特斯拉不但会大谈特谈新的电化学技术,还会带来新的电池模组架构及通向 1TWh 电池年产量的清晰路线图。


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