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特斯拉的電池野心

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年02月28日  

電池生產線


特斯拉正在弗里蒙特建立一條試點電池生產線,并設計自己的設備來生產電池。這條生產線上的電池將是特斯拉生產的第一批自產電池。


這標志著,特斯拉電池生產規劃進入了落地階段。


按照特斯拉的特點,推出的產品一般都會遠超同類產品性能。這次會例外嗎?


去年,特斯拉首席執行官埃隆馬斯克就表示,他們制造的Model3可以像商用卡車一樣,達到100萬英里(160萬公里)的使用壽命,電池模組的使用壽命應該在30萬英里至50萬英里之間。


這是不是吹牛?100萬英里的動力鋰電池,采用了什么特殊的材料或者技術嗎?特斯拉是不是還藏有什么其他顛覆性的電池技術?特斯拉為自產電池,做了哪些準備?


1.研發儲備電池技術


馬斯克的底氣來自于之前研究團隊的最新成果,以及并購公司獲得的先進技術。


(1)新型電解液添加劑提升電池性能


特斯拉的電池研究團隊發現,新型電解液添加劑也能提升電池性能。


2018年九月,JeffDahn及其團隊發表了一項名為《Dioxazolonesandnitrilesulfitesaselectrolyteadditivesforlithium-ionbatteries》(《二惡唑酮和亞硫酸氰作為鋰離子電池電解液添加劑》)的國際專利。


他們在專利申請中寫道:


“該發明涉及一項較少使用電解液添加劑的新型電池系統,能夠在包括車輛和電網儲能在內的不同儲能應用中使用。


更具體地說,這項專利包含了一種能增強鋰離子電池的性能及壽命,同時比依賴其他添加劑的系統,擁有更低的成本。”


根據專利申請書,該研究工作的最大亮點是描繪了一種采用了新近開發的電解液添加劑MDO,以及兩種新的添加劑PDO與BS,所制成的NCM523/石墨材料鋰離子軟包電池


實驗結果表明,不同的化學成分配比可造成電池性能差異。


例如,在電池使用過程中,MDO和PDO均會在石墨電極表面形成保護固體電解液界膜(SEI),而BS則不會。


作為單獨使用的添加劑,采用PDO作為電解液添加劑的電池性能表現最好。


另外,在長時間的電池循環性能測試中,2%PDO+1%硫酸乙烯(DTD)的電解液添加劑組合、2%PDO+1%二氟磷酸鋰(LFO)的電解液添加劑組合,比含有碳酸亞乙烯酯(VC)的電池擁有更好的循環性能表現。


對特斯拉的這個電池研究團隊,大家或許有些陌生。


早在2015年,特斯拉就贊助達爾豪斯大學的JeffDahn的電池研究小組,結成合作伙伴關系。2016年六月,他們的合作伙伴關系開始生效。


JeffDahn電池研究小組簡介


JeffDahn在鋰離子電池領域有著多年的研究經驗,被認為是鋰離子電池的先驅。他因幫助延長電池單體的生命周期而聞名于世。現在,他的工作重要集中在能量密度和耐用性的潛在上升上。


JeffDahn


(2)新型電池——電池壽命可達100萬英里


2019年九月六日,JeffDahn的實驗室已經公布了一項新型電池的測試論文——《AWideRangeofTestingResultsonanExcellentLithium-IonCellChemistrytobeusedasBenchmarksforNewBatteryTechnologies》(《出色的鋰離子電池化學性能的廣泛測試結果,可作為新電池技術的基準》)。


論文描述了,Dahn團隊測試單晶NCM正極和新型先進電解質的鋰離子電池情況。


測試發現,這種類型的電池應該能夠為電動汽車供電超過100萬英里(160萬公里),并且在電網儲能中至少可持續20年。


Dahn團隊已經對這種類型的電池用長達3年的完成了某些測試。測試包括在20、40和55℃下的長期充放電循環,在20、40和55℃下的長期儲存,以及在40℃的高精度庫侖法測試。


根據測試,這類電池即使在40℃的極端溫度下,這些電池也可以達到近4000個循環。


注:紫色和綠色為Dahn團隊的測試結果,在接近4000個循環后,電量還能保持在85%以上,另外三個為比較項


注:在不同溫度的存儲時間和剩余容量關系測試中,Dahn團隊(綠色)的電池在超過400天的測試中,余電都保持在85%以上,黑色為比較的磷酸鐵鋰離子電池表現


像特斯拉的電池一樣,采用主動冷卻系統,它可以將電池推至6000個循環以上,也就是說很容易超過100萬英里。


注:假如將電池保持在20°C的平均溫度,這些電池將在EV中供應超長的總行駛里程。即使電池持續在40°C下運行,仍可達到10年壽命,達到70%的容量,預計總行駛距離為1,200,000km。


Dahn團隊的測試發現,適當設計的NCM/石墨電池,比LFP/石墨電池具有更長的存儲壽命。由于NCM/石墨電池的體積和比能量密度,比LFP/石墨電池大得多,不再要在能量密度和壽命之間進行權衡。


令人驚奇的是,這項測試的電池并沒有用什么特殊材料,而是比較普通的電池。如下圖,測試采用的電池是403025軟包,能量密度在200Wh/kg。


注:在30°C和C/10在3.0至4.3V之間測量


其實,特斯拉在提升電池性能上并非只依靠Dahn團隊。