提升電池能量密度的辦法是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-20 14:07
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眾所周知，特斯拉使用的18650電池是松下生產(chǎn)的。隨著雙方合作的深入，特斯拉也在研發(fā)新型圓柱形電池。3型投入生產(chǎn)后，新的21700電池將取代18650，成為新電池。
21700電池仍然是三元鋰電池，正極材料是鋰鎳鈷鋁酸鹽（nca）。這種圓柱形三元電池是目前能量密度最高的動力電池溶液。與方形電池相比，這種電池能量密度高，穩(wěn)定性差，需要有更好的電池管理系統(tǒng)（bms）支持。
特斯拉最早的跑車是松下NCR18650A電池，額定電壓為3.6V，容量為3.1小時。之前的85kWh電池組使用NCR18650B電池，額定電壓3.6V，容量3.1Ah。
90kWh的電池型號未知，但不應該是松下直接提供的成品，而是特斯拉和松下專門開發(fā)的定制電池。目前，松下生產(chǎn)的18650塊電池中，NCR18650G是容量最高的機型，達到3.6AH。根據(jù)這一計算，85kWh電池組中的7102個電池被G型電池取代，正好是90kWh。
因此，在90kWh電池組中，電池可能是NCR18650G，而在85kWh電池組中，電池可能是NCR18650B，也就是說，當電池數(shù)量相同（電池組結構相同）時，只有當單電池容量增加到3.6Ah時，才能保證90kWh的功率。
要達到100kWh，有兩種解決方案：一種是堆疊兩個電池組，根據(jù)每個電池組5.3kWh的容量，可以得到100kWh；另一種是更換能量密度較高的電池。作者認為后者是最好的也是最有可能的解決辦法。
因為90kWh是基于85kWh的電池組結構。該結構已在18650電池規(guī)范下定型，改變其設計結構的成本非常高。事實上，電池組中沒有空間容納更多的電池組。
如果增加電池組，不僅會提高電池組的質量，還會改變電池組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。因此，提高鐵芯的容量是最經(jīng)濟可行的解決方案。
想象一下，在100kWh電池組中，在不改變電池組結構的情況下，單個電池的容量需要增加到3.9h，這樣就可以達到100kWh的容量。因此，筆者懷疑特斯拉和松下已經(jīng)開發(fā)出186503.9ah的機芯。這只能歸因于陽極中的硅。
從85kWh到90kWh，多了5kWh。是多加了一個電池包嗎？在85kWh的電池組結構中，已經(jīng)無法再疊加電池包。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當然，其采用的依然是18650型號的電芯，只不過化學材料有所調整，增加了能量密度。
在這道工序中，特斯拉將電芯的石墨陽極中，添加了少量的硅，從而提升了電芯的能量密度。
在陽極中加入硅，已是電池領域公認的可以提升能量密度的辦法。為避免不斷疊加電池包，而造成的電池組質量過大，特斯拉接下來只能把重點放在研發(fā)高能量密度的電芯上。然而，對于三元鋰離子電池來說，要想通過硅來增加能量密度，遠沒有那么簡單。
其基本原理是：在石墨陽極中加入硅后，由于硅原子的結構相比石墨能夠容納更多的鋰離子，導致陽極對鋰離子的吸納能力增強。單次充放電循環(huán)中，陽極鋰離子越多，能量密度也就越大。
然而，硅在充分吸納鋰離子后，其體積會膨脹300%，比石墨吸納鋰離子后的膨脹率7%要大很多。這種反復的體積變化，會造成固態(tài)電極變得“松軟”，容易崩離。以此，電池的循環(huán)壽命就會降低。
另外一層因素，是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性，會破壞鋰電池電解質SEI膜的形成。這個膜是在鋰電池初次循環(huán)時所形成的，對于陽極材料有保護作用，可以防止材料結構崩塌。
基于上述原因，采用硅材料做陽極，雖然能量密度可以顯著提升，但也伴隨著副作用，最終會導致電池壽命縮短。所以，特斯拉采取的方案是，逐步在石墨陽極中添加少量的硅，在能量密度和循環(huán)壽命中尋找平衡點。
