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特斯拉或将在动力电池领域投出“利器”,这项技术究竟有何与众不同?

作者:俞立严 来源:上海证券报 发布时间:2020-09-19 浏览:
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在技术上特立独行、屡屡给人意外惊喜的特斯拉,或将在动力电池领域投出重磅“利器”。

特斯拉2020年度股东大会将于9月23日举行,大会后将召开特斯拉的“电池日”活动。根据特斯拉及其创始人马斯克近期透露的消息,特斯拉可能在“电池日”发布基于硅纳米线的全新电池,硅纳米线也有望成为动力电池能量密度等性能提升的关键材料。

此外,有中资参与的电池技术商Amprius(安普瑞斯)亦有望和特斯拉展开合作。但对这一新技术,业内专家表达了谨慎乐观态度。

解密硅纳米线技术

据马斯克近期透露,特斯拉将在3到4年内量产能量密度400wh/kg的动力电池,相比现有体系提升50%。

值得注意的是,特斯拉日前发布了“电池日”活动的注册页面,背景图片非常抽象,但其中却内藏玄机,相关业内人士研究后认为,这是新电池材料——硅纳米线的结构图。

特斯拉“电池日”活动的注册页面

硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料,线体直径一般在10nm左右,内晶核是单晶硅,外层有SiO2包覆层。硅纳米线的应用关键在于提高电池阳极的储电量。业内专家对小编介绍,其实硅纳米线的研究结果早在2007年12月15日就曾发表在国际权威期刊《自然纳米技术》杂志上, 其主要作者就是斯坦福大学材料学家崔屹。

此前研究发现,当电池充电时,带正电的锂离子将吸附住电流中的电子,并移动到阳极。当电池放电时,锂离子放出原来吸附的电子,放出电能,并通过导电胶回到阴极。传统电池的阳极由非常薄的碳原子层组成,而储存一个锂离子需要六个碳原子。

相比之下,硅的储电潜力巨大,因为一个硅原子就能储存四个锂离子。但当研究人员用硅薄层或硅离子制成电池阳极时,大量高速运动的锂原子会将阳极的硅击碎,甚至还会破坏硅原子与底层金属基底的联系,减弱其效力。

崔屹团队发现,用须状硅线制成的电池阳极能大大改善这一状况。研究人员在不锈钢基底上培育了一大片硅纳米线,然后加入普通的电解液和电极制成简单的电池。在一系列实验中,硅纳米线不停地膨胀和收缩,但始终没有从基底脱落。崔屹团队认为,主要原因在于纳米线的形状使硅原子点阵能沿着线迅速膨胀收缩,从而缓解了结构应变,使纳米线牢牢附着在金属基底上。通过这种办法硅阳极储存的电量比传统石墨阳极要高10倍之多。

业内专家分析表示,理论上硅作为负极材料可以储存大量电能,但由于硅在充放电过程中体积变化极大,容易破碎,因此一直难以取代石墨。崔屹开发的新技术能够避免这样的硅膨胀,形象来说,使用的硅结构在纳米级上类似于一个个刷毛,给出了足够的膨胀空间,不会引发碰撞进而使硅产生破裂。

公开资料显示,特斯拉电动车此前所使用的动力电池中,能量密度最高的为由松下供货的NCA“2170”电池,其单体能量密度达到256Wh/kg,这意味着400Wh/kg电池在此基础上将能量密度提高了近50%,这一能量密度甚至足以驱动一架电动飞机。

动力电池厂家各显其能

“硅基负极材料是动力电池技术下一步升级路线之一。”长期跟踪新能源汽车动力电池发展的罗兰贝格总监时帅对小编说,随着电动车的快速发展,现在的石墨负极材料无法满足高容量、高性能的需求。硅材料比容量高,但充放电过程存在一些技术难题需要解决,比如体积膨胀。现在来看,纳米化确实是一个有效的问题解决途径,特斯拉能否将该技术成功产业化,要看量产的完备成程度以及成本等因素,将是一项有希望的技术革新。

不仅是特斯拉渴望技术革新,中国也是全球动力电池领域的重要参与者。宁德时代和比亚迪也正在加紧技术革新。

A股最大的动力电池上市公司宁德时代2020年6月正式宣布推出新型长寿命电池。该款电池采用自修复长寿命技术,可实现16年超长寿命或200万公里行驶里程,成本较现有电池增加不到10%。

据公司有关负责人介绍,宁德时代自修复长寿命电池技术的核心在于减缓容量衰减速度,即控制活性锂消耗速度。宁德时代相关专家表示,该技术通用于三元材料和磷酸铁锂材料,已经具备量产能力,能够缓解用户里程衰减的痛点,大幅降低电池使用成本,提升电动汽车相对于燃油车的经济性。

比亚迪也在今年推出了广受关注的刀片电池,虽也属于磷酸铁锂电池,但是刀片电池由于独特的内部结构,使得整体的能量密度也较高,刀片电池在续航方面也可比肩三元锂电池。

比亚迪旗下弗迪电池副总经理孙华军日前表示,正常情况下搭载刀片电池的“比亚迪汉”,在零下十度以下仍能放出常温下90%的电,放电功率与三元锂电池基本持平。在电池性能上,刀片电池33分钟可将电量从10%充到80%、支持电动汽车百公里加速达到3.9秒、循环充放电超3000次、可保证电动汽车行驶120万公里,按照规划,搭载刀片电池的电动汽车续航里程有望达到700公里至800公里。

另外,价格昂贵一直是动力电池的软肋,比亚迪凭借刀片电池,将成本进一步压缩,刀片电池的成本甚至将低于600元人民币/KWh。

不过,在决定电池性能的关键数据能量密度方面。刀片电池系统现在能量密度为140Wh/kg,比亚迪人士透露,未来一两年,刀片电池能量密度还将进一步提升至160-170Wh/kg。宁德时代目前的磷酸铁锂电池能量密度达161.29Wh/kg,宁德方面还没透露未来的新型长寿命电池的能量密度。

技术前景还需检验

引人关注的是,电池制造商Amprius近期已经将美国办公室搬到了距离特斯拉Tera电池制造工厂非常近的距离,该工厂就是特斯拉计划举行“电池日”的地方。

Amprius成立于2008年,是由新型硅纳米线电池研发者崔屹及资深风投合伙人Mark Platshon一起创办。Amprius公司方面此前已经表示,硅纳米线将能给电池技术带来巨大突破,电池能量密度提升 50%的幅度远远高于目前业内平均年5%的增幅。

2018年5月22日,Amprius公司完成锂离子电池硅纳米负极生产线制备并投入中试生产。这是世界上第一条、也是唯一一条双面连贯印刷式、高精度、3维纳米线生产线。这条生产线的建成初步实现了高容量硅纳米线负极的规模生产。但公司高层此前在谈到相关业务时表示,如果无法扩大规模,公司可能会“死掉”。如果能获得特斯拉和马斯克的垂青及后续大规模投入,崔屹团队和投资人有望能看到硅纳米线技术变现的曙光。

Amprius的总部虽然位于美国硅谷,但其在江苏无锡也有工厂,该工厂目前生产锂离子聚合物电池。从资本结构来看,来自中美两国的投资者之前已经共同向Amprius公司注资了约 1.4 亿美元,其中主要包括两家硅谷风险投资公司 Trident Capital 和Kleiner Perkins,一家中国私募股权公司SAIF Partners(赛富中国),还有作为江苏省内国有投资公司的无锡工业发展集团,另外,A股公司南天信息参股的公司盈富泰克也投资了Amprius。

在硅纳米线的产业链方面,A股上市公司中国宝安在新三板上市的子公司贝特瑞的硅碳负极较早实现产业化,贝特瑞的硅碳负极产品技术和量产出货能力在国内处于领先低位。

“马斯克的执行力非常强,但是对于实验室走出来的新技术还需要严格验证。”上海交通大学汽车节能技术研究所所长殷承良指出,目前硅纳米线的技术主要还是实验室数据,在电动汽车上要真正实现应用还要经过一系列技术试验和安全考验。之前也有一些企业宣称自己做出了很高能量密度的电池产品,有的数据都已经突破300Wh/kg了,但实验室里的数据还不能算真正量产装车的动力电池能量密度。

在殷承良看来,很多实验室数据不错的技术在后续应用场景的测试中,并不稳定,有时性能数据一下可以掉一半之多,IBM几年前曾经宣布开发锂空气电池,目前也没有很好的应用实现。

除了性能需要保持之外,殷承良还指出,汽车因为是载人交通工具,又在各种不同路况环境中处于快速行驶状态,所以安全性非常重要,硅在充放电过程中体积变化极大等问题需要重视,实验室情景下的安全并不能平移等同于车辆实际行驶中的安全。

关键字:特斯拉电池

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