科技行者特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

2020年10月8日 13:24:08 科技行者
  • 分享文章到微信

    扫一扫
    分享文章到微信

  • 关注官方公众号-科技行者

    扫一扫
    关注官方公众号
    科技行者

从极具革命性的成果中,找到最具革命性的成果。

来源:科技行者 2020年10月8日 13:24:08

关键字:特斯拉 马斯克 新能源 新能源汽车 电动汽车 锂离子电池

在近期的“电池日(battery day)”活动上,特斯拉公司终于透露了其长期保密项目的一系列惊人消息——讨论了特斯拉为自家电池组做出的全方位升级与改进,并宣称有望在未来三年内生产出25000美元价位的特斯拉汽车。但由于没有任何具体时间表,我们无从得知哪些改进正在进行,哪些属于计划内项目,而哪些还要等上几年才能真正走向现实。

为了弥补缺少数字及细节的遗憾,我们打算将公告内容与行业趋势进行比较,借助已经发布的研究成果,逆推特斯拉的工作进度。

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

罐装电池

我们不妨先从特斯拉宣称已经投入生产阶段的两项成果说起:新的电池设计,以及部分制造工艺层面的改进。

特斯拉目前使用的是最常见的圆柱形18650锂离子电池,但其他大多数电动汽车更倾向于使用专门的扁平或棱柱形电池(更像是手机和笔记本电脑中使用的电池形态)。在这种圆柱形电池中,细长条状的阳极、隔板与阴极被夹在电池芯内,然后层层卷起,并封装成圆柱形。其中正极板与负极板之间由细长的“接线片”实现两个端子间的连接。

提高电池能量密度的最佳方法之一,就是尽量缩小封装部分所占据的空间。只要将隔板做得尽可能轻薄,并不断减少外部容器及电池组件的体积,就能让每公斤重量存储更多的电力。但是,这方面能够挤出的空间明显有限,因此另一种方法就是增加电池体积与封装面积之间的比值——换言之,把小圆柱做成大罐子。

特斯拉在最初公布Model 3车型与Powerwall 2170电池时,就已经实现了这一目标。这种电池的尺寸为21毫米乘以70毫米,高于18650电池的18毫米乘以65毫米。但是,电池体积的增加也给特斯拉带来新的挑战,因为体积越大周长越长,而周长越长意味着阳极与阴极之间用于连接电池端子的接片就得随之延长。电子传输的路径每增加一点,就会产生更多热量,而这种难以及时散逸的热量又成为威胁安全快速充电的隐患。

特斯拉针对这个问题推出了体积更大的4680电池。这是一种新的无极耳设计,触头沿着阳极与阴极板进行外沿,并在进行卷封包装时在电池末端形成玫瑰状的凸起结构作为接触点。这种设计在本质上就是将导电层与电池外壳直接接触,相较于有极耳,电流在电池中的移动距离会大幅缩短。

特斯拉公司的Drew Baglino表示,“有时候,越是简单而优雅的东西,就越难以实现。我们尝试了很多次,好在最终结果还算令人满意。”

马斯克本人则补充道,“有些人可能觉得这事没什么大不了,但真正了解电池技术的人们都能意识到,这代表着一项巨大的突破。”

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

图:马斯克与Drew Baglino展示特斯拉的全新无极耳电池设计方案。

由于具体设计属于商业机密,我们很难把特斯拉电池与其他电动汽车中的电池进行直接比较。但以上设计思路推衍过程,也许能够厘清特斯拉保留圆柱形电池的原因。

除了新的设计之外,还要配合制造流水线,才能把新电池真正变为成品。而特斯显然已经找到了能够极大提升电池各组件产量的方法。无极耳设计实际上也有助于提高产能,因为电极片能够在电池柱体表面持续分布。配合后文将要详细介绍的其他调整,新款电池有望在产能增长的同时,减少工厂占地面积与能源消耗总量,最终帮助特斯拉实现降低成本、提升产能的目标。

外卷加内卷

电动汽车可不是靠一块电池运行的,驱动这辆庞然大物需要一整块塞满电池的电池组。电池组中还包含大量其他部件,包括充电管理、冷却以及燃烧后的安全保护机制等。这一切,都让电池封装的工程技术与车辆容纳空间成为限制整体能量密度的决定性因素,并最终影响到车辆的续航能力。

特斯拉此次也介绍了一种新的电池组设计,其中减少了部分结构性支撑,因此能够在更小的体积中容纳更多电池。另外,随着封装盒体的重新设计,其本身也可以同时作为汽车的车身结构,额外带来一定程度的成本优势。

不过特斯拉方面并没有透露这种全新封装方案会具体使用在哪款车型中。可能会出现在现有车型中,也可能只限于Cybertruck、特斯拉Semi甚至是马斯克提到的“未来计划推出的25000美元新车型”身上。究竟如何,目前尚无定论。

但马斯克倒是着重讲述了新型电池内部的化学成分。通过新的化学构成,阳极与阴极都将迎来完全不同的实现方式,翻开电池结构的新篇章。

现代锂离子电池中的阳极主要使用石墨材料。石墨的固有结构,使其能够容纳在充电过程中不断向阳极移动的锂原子,但就仅此而已,再无其他作用。换言之,电池体积及重量中的相当一部分并不能直接用于存储能量,而仅仅只是在维持电池的正常工作。如果能从这里挤出一些体积和重量空间,那么电池的能量密度也将有所提升。

特斯拉及其他一些制造商目前正尝试向石墨内部添加一些硅材料,保证在相同体积的阳极中容纳更多锂原子。在这方面,纯硅可能是个更好也更便宜的选项。但与石墨优异的形态稳定性不同,硅材料在吸纳大量锂原子后存在一种令人头痛的特性——体积膨胀。这不仅可能导致硅结构内部发生故障,也会随时间推移引发性能下降,甚至增加电池容器的使用风险。

关于阳极替代方面的研究方案不少,但还没有任何真正投放市场的完善成果。特斯拉则宣称,他们已设计出一种新的阳极,在导电的弹性聚合物中掺杂微小的硅颗粒以构成「生硅材料(即硅纳米线)」。该公司表示,这种新设计,能够有效提升硅阳级电池的使用寿命与安全度。

据称,这种电池的制造成本能够将「石墨+硅」电池的每千瓦时约10美元下降至「纯硅方案」的每千瓦时约1美元。在车辆续航里程方面,特斯拉表示提升约为20%。但本次演讲并未公布其他特性(例如是否拥有超越现有方案的阳极使用寿命),因此还不清楚特斯拉会不会在后续电池设计中实际采用这种方案。值得一提的是,负极材料供应商Sila Nano也采取了类似的设计思路,并计划在今年年内开始推出供电子设备使用的电池产品。

至于阴极侧的化学材料设计,特斯拉也有自己的想法。根据计划,他们打算推出三种不同类型的锂离子电池,涵盖从经济型到超高性能型的多种使用场景。

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

图:特斯拉公布新计划,将使用三种不同的阴极设计方案为多种不同使用场景提供电池方案。

特斯拉目前使用的电池仍包含「NCA物质(即锂、镍、钴、铝)」,其他电动汽车厂商则主要使用锂镍锰钴的所谓「NMC材料组合」。无论哪种组合,「钴」都是其中最昂贵的元素,且大部分产自刚果民主共和国。考虑到当地糟糕的工作条件与对童工的残酷剥削,电动汽车行业一直在努力减少对钴材料的使用。

特斯拉方面表示,其已经开发出两种新的「无钴电池方案」。第一种是「高镍阴极电池方案」,依靠“新型涂层与掺杂剂”替代稳定的钴元素。尽管演讲中未做具体说明,但Baglino曾经将其称为“100%镍”配方。这套方案的能量密度最高,但成本也相当惊人,因此大概率会被应用于强调电力储备的Cybertruck与特斯拉Semi当中。

另一种成本相对低廉的方案则采用新的「镍锰阴极」,二者的混合比例为2:1。但马斯克只是暗示其中不含钴,而未做明确的说明。这套方案会在一定程度上降低能量密度,但电池成本也将大大降低。NMC阴极目前也衍生出了比例为8:1:1的无钴配方,不知道其实现难度会不会比前面提到的“100%纯镍”配方低一些。

(这里多提一句,任何采矿活动都会对环境造成破坏,镍开采也不例外。)

特斯拉的第三种方案则是对传统配方「磷酸铁锂(LFP)」的优化。这也是三种电池中成本最低、但能量密度也最差的方案。为了支持特斯拉在中国的运营,他们与LFP电池制造商宁德时代达成一项新的电池供应协议。今年年初,双方协议已经获得政府批准,可以在中国使用这种配方为本地生产的Model 3车型供能。

相较于之前提到的种种复杂、艰难的新电池设计方案,特斯拉似乎非常欣赏这套虽然陈旧但却相当成熟的电池选项,特别是其中宽松的电池组体积限制。值得注意的是,电网规模的Powerpack电池存储设备以及未来25000美元售价的新车型也被纳入这一组别当中,也许暗示着超低价位车型能否实现,就看LFP电池的成本压缩空间了。

但这仍是一项艰巨的任务

在成本方面,新型阳极与阴极制造工艺也将成为决定产品命运的重要因素。锂离子电池制造商一般使用“湿法”工艺将原料混合并沉积到薄膜之上,由此制成阳极或阴极片。具体来讲,生产线会将粉末状的材料与水或其他溶剂进行混合,而后涂抹在薄膜上,并放置于大烤箱内进行干燥。

这些干燥炉所消耗的电力,也成为电池生产中的主要能耗来源。另外,这类工艺在工厂车间内需要占用巨大的空间。从这两个角度来看,新的替代方案似乎更有优势。

正因为如此,特斯拉方面于2019年收购了一家名为Maxwell Technologies的企业。此后,就有传闻称“该工厂处于超负荷运转状态”,也有好奇之人猜测“特斯拉可能想要打造出属于自己的超级电容”。但从根本角度出发,特斯拉想要的其实很简单——干式阳极与阴极制造工艺。

马斯克提到,自收购以来,Maxwell的制造工艺已经完成了几轮迭代。视频中还播放了一段巨大辊子碾压黑色粉末的镜头,不过这除了让人想起擀面条以外,似乎也没有什么特别的启发性。

马斯克还表示,新工艺还没有做好正式投产的准备。“确切地讲,我现在还不能保证新工艺的可行性。虽然能够起效,但产物收率仍然达不到要求。”

不过可观的回报将支持特斯拉继续探索,因为一旦成功,干式工艺所需要的耗电量与占地面积仅相当于湿式工艺的十分之一,这将极大降低生产成本。正如Drew Baglino所言,单就这一点,足以让人们假设其中的技术难关“有解”。

最后特斯拉公司希望,原材料供应商调整材料的供应形式。例如,他们目前从某家镍供应商处得到的是硫酸镍,还需要经过一系列化学处理才能将镍与硫酸盐分离,之后还得单独处理这些硫酸盐产物。

马斯克宣布,以硫酸盐的形式供应金属材料是一种早已过时的“陈旧方法”,应该摒弃。未来,供应商将向特斯拉提供无需额外预处理的纯镍。这里还有一些技术空白需要填补,但特斯拉明显是将其视为降低成本的手段之一,也表现出了解决问题的决心。

用钱说话

特斯拉的总体目标,是让电池每千瓦时电量的生产成本降低56%,并让车辆的续航里程再提高54%(按每千克电池组计算)。彭博社曾对2019年的市场价进行过估算,指出当时电池每千瓦时电量的生产成本为156美元,由此得出特斯拉将率先将这一水平拉低到100美元以内。通用汽车在今年3月的投资者日活动中,宣布计划在其全新电动汽车电池“平台生命周期早期”,实现100美元以下的每千瓦时生产成本。特斯拉的时间表似乎还要更快一些。

马斯克强调,“在实现这些优势,大概需要12个月-18个月的时间。而在全面普及这些提升,大概还需要3年左右。”

特斯拉公布的「新电池」,究竟要用在哪里?

图:特斯拉计划在未来几年内实现的各项改进目标。

特斯拉能在3年之内兑现这么多承诺吗?这可不是他们第一次放出缺乏根据的豪言了。会不会某些技术在真正面世的时候,与现在的宣传会出现很大差距?

但无论如何,特斯拉确实给电池技术设定了野心勃勃的发展目标——到2030年,全球电池的年度总储电量将提高100倍以上。除了扩大现有生产设施以外,新的电池设计方案与新的生产体系规划也将非常重要。而这一切,都将取决于特斯拉此次公布的各项阶段性发展目标能否按期完成、顺利实现。