鉅大LARGE | 點擊量:910次 | 2020年06月06日
解析特斯拉如何新增動力鋰電池的電量
近期,特斯拉的100kWh車型,已經通過了歐盟認證機構RDW的評估。這意味,ModelS/X100D車型即將問世!其續航里程理論值將達到613km(基于NEDC標準)。
按照歐盟規定,在歐盟成員國上市銷售的車型,都必須經過其授權機構的認證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司,經其認證后即可獲得在歐盟銷售的許可。本文,我們來探究下,這個100kWh是如何做到的?
ElonMusk曾經說過,特斯拉的續航(電量)要以每年5%的速度新增。從當前電池組的迭代情況來看,這個目標基本實現。除作為入門級配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分別升級為75kWh和90kWh。
不久之后,100kWh和120kWh的電池組也將進入選配清單。目前,60kWh仍然作為一個乞丐版配置存在,以促進特斯拉的銷量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是如何各新增5kWh電量的。
有一點可以肯定,那就是電池組電量新增過程中,其電池組的結構是沒有改變的。內部電池包(BatteryModule)的數量也并未發生改變。我們先來簡單了解下特斯拉電池組的內部構造。
60kWh內部有14個電池包,每個電池包內含384個電芯,共計有5376個電芯組成;85kWh由16各電池包組成,每個電池包內含444個電芯,共計7102個電芯組成。
后來加入的70kWh,實際上是一個75kWh電池組,經過軟件限制而來的。多余的5kWh,最初被當做一個價值3000美元的選裝包供應給車主。只要通過OTA軟件更新,70D就可以變為75D。
那么問題來了,75kWh電池組是怎么來的?有關這個問題,特斯拉官方并沒有做出技術解釋。根據作者的判斷,75kWh其實是85kWh電池組,減少2個電池包而來的。在85kWh電池中,每個電池包的容量是5.3kWh,14個這樣的電池包就是74.2kWh。
這就是70kWh、75kWh,以及85kWh之間的關系。至于60kWh,這只是一個為了降低準入門檻而設置的配置而已。那么,90kWh又是怎么來的呢?
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,新增了能量密度。
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。為防止不斷疊加電池包,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高能量密度的電芯上。然而,關于三元鋰離子電池來說,要想通過硅來新增能量密度,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,會造成固態電極變得松軟,容易崩離。以此,電池的循環壽命就會降低。
另外一層因素,是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性,會破壞鋰離子電池電解質SEI膜的形成。這個膜是在鋰離子電池初次循環時所形成的,關于陽極材料有保護用途,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,但也伴隨著副用途,最終會導致電池壽命縮短。所以,特斯拉采取的方法是,逐步在石墨陽極中添加少量的硅,在能量密度和循環壽命中尋找平衡點。
眾所周知,特斯拉采用的18650電池是由松下生產的。隨著雙方合作加深,特斯拉也在研發新的圓柱形電池。在Model3正式投產后,新型21700電池將取代18650,成為新的電芯。
21700電池依然是三元鋰離子電池,陰極材料是鎳鈷鋁酸鋰(NCA)。這種圓柱形三元電池,是目前能量密度最高的動力鋰電池解決方法。相比方塊形電池,此類電池雖然能量密度高,但穩定性較差,要有較為出色的BMS(電池管理系統)支持。
特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh電池組采用的是NCR18650B型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。
90kWh的電池型號不得而知,但應該不是直接由松下供應成品,而是特斯拉與松下共同研發,專供特斯拉車型的定制化電芯。目前,松下生產的18650電池中,NCR18650G型是容量最高的型號,達到了3.6Ah。假如按照這個計算的話,85kWh電池組中的7102顆電芯,替換為G型電池,正好是90kWh。
所以,有一種可能性就是90kWh電池組中,電芯是NCR18650G型;而85kWh電池組中,電芯是NCR18650B型。總之,在電芯數量不變(電池組結構不變)的情況下,只有把單個電芯的容量提升至3.6Ah,才能確保90kWh的電量。
而要實現100kWh,有2個方法:一是再疊加2個電池包,按照每個電池包5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替換能量密度更高的電芯。作者認為,后者是最佳,也是最有可能的一個方法。
因為90kWh是基于85kWh的電池組結構而來的。這個結構在18650電池規格下,已經定型,更改其設計結構的成本是很高的。事實上,電池組中已經沒有空間再疊加更多的電池包了。
假如新增電池包,不但電池組質量會新增,電池組的冷卻循環系統都要改動。所以,提升電芯容量,才是最經濟可行的方法。
試想,在100kWh的電池組中,不改動電池組結構的情況下,單個電芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能實現100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已經與松下研發出了3.9Ah的18650電芯。這一功勞只能歸功于陽極中的硅。
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