特斯拉改進(jìn)鋰電池 提高負(fù)極硅含量

許多公司都表示要降低電池價(jià)格并提高容量，而美國(guó)特斯拉公司的最新方向是硅。日前，特斯拉展示了新的90 千瓦時(shí)電池組，這種升級(jí)產(chǎn)品的容量提高了5%，可以讓特斯拉的電動(dòng)汽車(chē)多行駛24公里左右。雖然外觀可能沒(méi)有變化，但它使用了硅，這是鋰離子電池技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步。

提高電池負(fù)極中的硅含量

據(jù)特斯拉CEO 埃隆·馬斯克介紹，特斯拉對(duì)電池進(jìn)行了改進(jìn)，具體方法是在負(fù)極中使用了一些硅材料，進(jìn)而改變了電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。馬斯克說(shuō)：“我們的方向是用硅來(lái)做負(fù)極，以上做法只是邁出一小步。我們用的主要材料仍是人造石墨，但我們會(huì)慢慢地在負(fù)極中加入越來(lái)越多的硅。”

加拿大新斯科舍省戴爾豪西大學(xué)鋰離子電池首席研究員杰夫·達(dá)恩教授最近和特斯拉簽訂了為期五年的獨(dú)家合作協(xié)議，他將從2016年6月開(kāi)始和特斯拉進(jìn)行獨(dú)家合作。他說(shuō)：“電池廠商正在爭(zhēng)相提高電池中的硅含量。在全球鋰離子電池領(lǐng)域，正在進(jìn)行硅課題攻關(guān)的研究人員不計(jì)其數(shù)。許多學(xué)術(shù)界和實(shí)業(yè)界人士也在非常努力地鉆研這個(gè)問(wèn)題。”

商用鋰離子電池的負(fù)極一般由石墨制成。如果用硅作負(fù)極，其單位體積鋰離子容量可達(dá)到石墨的10 倍左右。理論上，如果用硅大量取代石墨，石墨正極就可能變細(xì)，從而擴(kuò)大容納活性材料的空間。這樣就可以提高電池的能量密度，也就是單位體積的能量存儲(chǔ)能力。換句話說(shuō)就是：尺寸不變，能量增多。同時(shí)，在鋰離子電池中，硅的質(zhì)量不需要像太陽(yáng)電池或集成電路中那么高，這就意味著價(jià)格較低。電池中的硅越多，就越容易降低成本。

這就是所有電池廠商的目標(biāo)——提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。聽(tīng)起來(lái)似乎很容易，但是把鋰和硅放在一起的難點(diǎn)在于，最終出現(xiàn)的原子數(shù)量幾乎是初期的5 倍，而這會(huì)帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題。

參加聚會(huì)的電極顆粒

達(dá)恩解釋說(shuō)，大家可以把電池電極想象成一個(gè)房間，電極中的大量顆粒就像在房間里聚會(huì)的人，如果這些人都突然變得很胖，房間里就裝不下那么多人了。用硅制作所有電極顆粒就會(huì)出現(xiàn)這樣的情景。但如果房間里只有一部分人變胖，問(wèn)題就不那么大，大家可以挪動(dòng)一下，給胖人留下足夠的空間。達(dá)恩指出：“最初只添加少量硅的原因就在這里。”

但使用硅材料的問(wèn)題還不止于此。我們還用上面的比喻來(lái)解釋，假如這些胖人(或者說(shuō)較大的電極顆粒)在充電時(shí)變瘦，放電時(shí)再次變胖，其體積的大幅變化會(huì)引發(fā)另一個(gè)問(wèn)題。所有硅電極顆粒都浸泡在電解液中，當(dāng)它們變大時(shí)，就會(huì)不斷拉伸包裹著它們的保護(hù)膜；當(dāng)它們縮小時(shí)，保護(hù)膜則有可能脫落，這可能影響到電池的使用壽命。

達(dá)恩說(shuō)，這種情況意味著用的硅越多，電池的壽命就越難保證。這就是目前電池廠商和研究人員面臨的難題。

達(dá)恩說(shuō)：“眼下只能加一點(diǎn)點(diǎn)硅，就像灑魔粉那樣，這樣的量還可以接受。幾年后，硅會(huì)用得越來(lái)越多。這是件好事，因?yàn)樗馕吨@些產(chǎn)品會(huì)越變?cè)胶谩！?/p>

達(dá)恩的研究團(tuán)隊(duì)打算既提高鋰離子電池的能量密度，又延長(zhǎng)它的使用壽命，這將有助于降低電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)能源存儲(chǔ)的成本。但正在這么做的不光是他們。達(dá)恩說(shuō)：“世界上有好些公司都在往正極里添加硅。不僅僅是為特斯拉提供電池的松下，三星和其他一些公司也在這樣做。”

薩薩姆·杰斐曾在清潔能源研究和分析機(jī)構(gòu)Navigant Research 長(zhǎng)期從事分析工作，現(xiàn)在他是初創(chuàng)公司Cygnus Energy Storage 的CEO。他認(rèn)為，目前大多數(shù)電池中的硅含量都非常低，包括消費(fèi)電子產(chǎn)品使用的電池。

問(wèn)題在于特斯拉用了多少硅。杰斐說(shuō)，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)是硅占電池原材料的1%～3%。他認(rèn)為特斯拉已經(jīng)找到了提高硅含量的辦法。“特斯拉已經(jīng)顯著改變了電池的能量密度，而且公開(kāi)宣稱是硅讓他們做到了這一點(diǎn)，這讓我覺(jué)得他們?cè)谔岣唠姵毓韬糠矫嬉呀?jīng)取得了進(jìn)展。當(dāng)然，現(xiàn)在這只是猜測(cè)。”

ModelX和作為供應(yīng)商的特斯拉

車(chē)輛估值及汽車(chē)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Kelley Blue Book 高級(jí)分析師卡爾·布勞爾對(duì)《財(cái)富》雜志表示：“所有業(yè)內(nèi)人士都有很大的動(dòng)力來(lái)不斷改進(jìn)電池技術(shù)。這當(dāng)然是特斯拉的命根子。”

他說(shuō)，特斯拉的Model X SUV 備受期待，為此特斯拉必須提高電池容量。這是因?yàn)镸odel X 較重，不提高電池容量的話，行駛里程就會(huì)縮短。

布勞爾認(rèn)為，特斯拉把精力集中在電池技術(shù)上不光是為了做出更好的汽車(chē)，它還想轉(zhuǎn)型為供應(yīng)商。

許多公司都預(yù)計(jì)價(jià)格更低、性能更好的鋰離子電池將投入使用，并且爭(zhēng)相把這項(xiàng)技術(shù)用于民用和商用電網(wǎng)中。上述舉措有可能幫助特斯拉成為這個(gè)新興革命性能源行業(yè)中的領(lǐng)跑者。