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锂离子电池发表论文

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锂离子电池发表论文

那这个就多了。目前锂离子电池的文章主要发表在电化学、材料、化学领域的期刊,关于计算的会发表在物理、物理化学方面的期刊上面。做产品的也会发表在一些工程类的期刊上。锂电池文章比较多的期刊有:Elsevier旗下的,Journal of Power Sources,Electrochimica Acta,Electrochemistry Communications,Nano Energy,Solid State IonicsJournal of The Electrochemical SocietyWiley旗下的 Advanced Energy MaterialsRSC的 Energy & Environmental ScienceNature 子刊 Nature Energy这些期刊里面都会有大量锂电池的文章。其他化学、材料、纳米类的期刊,比如 JACS,Angewandte Chemie,Nature Materials,Nature Chemistry, Advanced Materials, Nano letters, ACS Nano 等也会有锂电池方面的杂质,所占比例要比电化学类的期刊要少。建议少看低水平文章,误国误民。

稿源:cnBeta 美国能源部旗下 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员们,刚刚介绍了一种能够极大地恢复可充电锂电池效能的方法。对于电动 汽车 和下一代电子设备来说,这意味着相关产品的电池寿命可进一步延长。据悉,在经历了多次充放电循环之后,锂电池会在电极间形成不那么活跃的锂孤岛,从而降低电池的储能效果。 (图自:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory) 好消息是,研究人员们发现,他们能够让“濒死”的锂岛向蠕虫一样前往其中一个电极、直至实现重新连接,从而部分逆转了不良衰减的过程。 由 2021 年 12 月 22 日发表于《自然》杂志上的这项研究可知 —— 通过引入这个额外的步骤,该团队得以将锂电池寿命延长近 30% 。 论文一作、斯坦福大学博士后研究员 Fang Liu 表示:“我们现正 探索 使用极快的放电步骤,来回复锂离子电池容量损失的可能性”。 如上图所示,但过一个失活的锂金属岛移动到电池的阳极(或负极)并实现重新连接时,它就能够恢复生机、用于电荷储存和为电子流动提供支撑。 下方动画展示了实验装置的原理,解释了“濒死”的锂岛是如何在电池充放电循环过程中,在阴阳(红蓝)两极之间来回蠕动的。 考虑到当前锂电池已被广泛运用于手机、笔记本电脑和电动 汽车 ,大量研究团队都在寻找重量更轻、寿命更长、安全性更高、充电速度更快的可充电电池方案。 其中一个发展方向是锂金属电池,在相同的单位体积重量下,它能够储存更大的容量、充电效率也更高。若得到普及,下一代电动 汽车 的重量和空间占用都可更少、或在同等电池体积下实现更长的续航里程。 不过无论固态或锂离子电池,它们都要用到带正电的锂离子在两极之间来回穿梭。随着时间的推移,一些金属锂会出现电化学惰性、形成不再与电极连接的锂孤岛,从而造成容量的损失。 有关这项研究的详情,还请移步至 2021 年 12 月 22 日正式出版的《自然》(Nature)期刊查看。 原标题为《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》。

动力电池技术正在发生一场深远的变革,磷酸铁锂电池、三元锂电池之后,四元锂电池也在本月驶入产业视线内。

2020年3月4日,通用的“EV week”活动上,通用与它的合作伙伴LG化学一同推出一款新的电池产品Ultium。

▲通用新电池Pack

这款产品的核心并不是被外界吹得神乎其神的电池包技术,其关键在于,Ultium电池的电芯将会使用LG化学最新研发的NCMA四元锂电池。

这款电池的技术原理是通过向NCM三元锂正极材料,混入少量的铝元素,使原本性质活跃的高镍三元正极材料在保持高能量密度的同时,也能维持较稳定的状态。

可以认为,NCMA四元锂电池解决了当下三元锂电池面临的诸多疑难杂症。

与NCM/NCA三元正极材料相比,NCMA四元正极材料在多轮充放电循环后,H2-H3(指正极材料微裂纹增加到难以复原的状态,引起电池内部参数变化)的不可逆相变电压保持稳定,材料内部微裂纹较少,正极材料中过渡金属的溶解情况不明显。同时,NCMA正极材料的放热峰值温度也更高,热稳定性更强。

值得注意的是,NCMA四元正极材料中,成本最为昂贵的钴元素,含量从NCA/NCM 622中的20%下降至5%,成本进一步降低。按照LG与通用公布的数字,NCMA四元电池的量产成本为100美元(约合人民币694元),而此前,LG化学NCM 622的量产成本约为148美元(约合人民币1027元)。

高能量密度、高稳定性、低成本,原本在NCA/NCM三元锂电池上难以同时实现的特性,在NCMA四元锂电池上达成,对于动力电池产品而言,NCMA的量产将会掀起一股技术路线升级的浪潮。

在这股浪潮之中,上游矿业与中游材料商向下游提供的产品必须快速迭代,动力电池企业的技术路线也必须做出新的选择,而新能源整车厂则需要为新的电池技术进行车型的适配,整个新能源产业链都将受到巨大的影响。

一、解密NCMA电池技术原理 已成高能量密度电池有效解决方案

NCMA四元锂电池并不是一项全新的动力电池技术。

从材料构成上来看,这一技术是基于目前两大主流三元锂电池体系NCM与NCA混合而成。

而从电池结构上来看,它也并不像固态电池、锂硫电池、锂空气电池一样对电池主体结构进行改变。

但这项技术却有引领三元锂电池迈向下一个阶段的潜力。

▲通用与LG合作的电

从本质上来看,所谓NCMA四元锂电池,就是使用了NCMA四元正极材料的电池体系。

其原理,是在原本的NCM三元正极材料中混入微量的过渡金属铝,形成四元正极,以保证在正极富集镍元素的同时,电池的稳定性与循环寿命不受影响。

在这一转变过程中,原本NCM三元体系的Li[Ni-Co-Mn]O2正极材料体系变成了Li[Ni-Co-Mn-Al]O2(正极材料的化学构成发生了改变)。

过渡金属铝元素的加入所形成的Al-O化学键强度远大于Ni(Co,Mn)-O化学键,从化学性质上增强了正极的稳定性,进而使得NCMA四元电池H2—H3不可逆相变的电压在经过多次循环后仍然保持稳定状态,且Li元素在正极的脱嵌过程中不易释放氧元素,减少了过渡金属的溶解,提升了晶体结构的稳定性。

而稳定的晶体结构则减少了充放电循环过程中,正极材料微裂纹的形成,正极阻抗的上升速度得到抑制。

与此同时,有研究表明,NCMA的正极材料放热峰值反应温度为205摄氏度,高于NCA正极材料的202摄氏度与NCM正极材料的200摄氏度,这意味着NCMA正极材料的热稳定性更加优秀。

这一特性对于目前动力电池正极高镍路线而言十分关键。

随着电动汽车续航里程的市场需求从早期的300公里不到,到如今的600+公里,三元锂电池的能量密度不断推高,高镍路线不断明确。

▲使用新型电池的Model 3续航将接近600公里

现阶段NCM/NCA 811三元锂电池中,正极的活性物质镍元素的摩尔比已经超过了8成,这一类电池被称为8系三元锂电池。

而在8系三元锂电池之后,镍元素含量超过90%的9系三元锂电池正在蓄势待发。据高工锂电报道,知名锂电材料供应商格林美目前已经完成了镍元素摩尔比例分别达到90%、92%、95%的Ni90、Ni92、Ni95等三元前驱体材料的研发与量产。

不过,看似美好的技术前景背后,隐忧也在不断浮现。

有研究表明,随着三元锂电池正极材料中镍元素的富集,电池的容量保持能力与热稳定性出现了下滑。

当NCM三元锂电池正极的镍含量超过60%,NCA三元锂电池正极的镍含量超过80%,在经过一定次数的循环后,电池正极材料中的微裂纹显著增加,电极阻抗增大,正极开始向电芯中析出大量的氧气。

这一现象直接导致了高镍三元锂电池容量的快速衰减与安全隐患的增加,近年来不断出现的电动汽车自燃事故大多与动力电池的安全隐患有关。

无论是改良电池包形态,还是调整电池管理系统,对于这一情况的缓解都只是杯水车薪。在这样的节点上,动力电池产业开始从材料出发,摸索更具前景的动力电池解决方案。

NCMA四元锂电池正是在这一过程中诞生的技术方案,其稳定的理化结构能够支撑起动力电池未来的高镍路线。

同时,相对廉价的铝元素的混入,大幅减少了动力电池正极中昂贵的钴元素的含量,对于动力电池的降本也十分有效。

无论是技术路线,还是市场层面,NCMA四元锂电池的未来前景都十分广阔。可以认为,四元锂电池是全固态电池诞生之前,最具变革意义的电池技术,动力电池新一轮的技术浪潮将由此开启。而在这轮浪潮中,率先拿出四元锂电池成品的通用与LG无疑是领先了一步。

二、韩国电池专家证明NCMA电池三大优点

目前,韩国汉阳大学锂电专家Un-Hyuck Kim已经通过实验,证明了NCMA四元锂电池在高镍技术路线上的优异性能。

2019年4月2日,Un-Hyuck Kim团队在美国化学学会期刊(ACS)上发表了一篇名为《锂离子电池四元分层富镍NCMA正极》的论文。

论文从容量衰退情况、H2-H3的不可逆相变电压变化情况、正极颗粒微裂纹情况、锂离子脱嵌时氧的释放情况以及热稳定性等五个方面对比了镍含量90%左右的NCM、NCA、NCMA正极材料的性能。

1、NCMA四元锂电池容量衰退情况不明显

为防止实验出现误差,Un-Hyuck Kim团队对2032组电池进行了对照试验。

▲电池容量衰减对比实验数据

在30摄氏度,0.1C的实验条件下,这些电池被置于2.7V-4.3V的电压之间进行循环的初始充放电测试。

其中,镍含量90%的NCM90电池拥有229mAh/g的初始放电容量,镍含量89%的NCA89与NCMA89则分别拥有225mAh/g与228mAh/g的初始放电容量。

可以发现,三种高镍电池的初始放电容量非常接近,但在经过100次充放电循环后,NCMA89电池的放电容量下降至原先的90.6%,而NCM90与NCA89的放电容量则分别下降至原先的87.7%、83.7%。

而在同样温度、同样电压的情况下,将放电倍率提升至0.5C,再对同样(全新)的电池组进行试验。

在经历100次循环后,NCMA89、NCM90、NCA89的放电容量分别下降至原先的87.1%,82.3%和73.3%。

为更接近实际情况,Un-Hyuck Kim团队将电池置于25摄氏度、1C、3.0V-4.2V的环境中又进行了1000次的充放电实验。

这次的结果是,NCMA89电池维持了84.5%的初始容量,NCM90电池与NCA89电池的容量分别下降至初始的68.0%和60.2%。

由此可见,NCMA四元锂电池在高镍路线上的稳定性远优于NCM与NCA三元锂电池,越是接近实际的使用情况,这一优势也越发明显。

2、NCMA四元锂电池结构更加稳定

电池容量的衰减在正极材料这一块,主要体现在H2-H3的不可逆相变与正极材料微裂纹方面。

▲三种电池H2-H3不可逆相变情况

所谓H2-H3的不可逆相变,主要是用来体现正极晶格的变化与锂离子嵌入、脱嵌过程的可逆性(氧化还原峰)。

H1-H2的过程通常是可逆的,而一旦电极出现H3相,则是出现了不可逆的变化,锂离子嵌入与脱嵌的能力都会有所损失,当电压超过一定值,亦或放电倍率达到一定的倍率,H3相便会出现。

因此,对电池性能的考量会体现在出现H3不可逆相变的电压数值变化与氧化还原峰的变化上。

通过对NCMA89、NCA89、NCM90三类电池进行100次的充放电循环测试,Un-Hyuck Kim团队发现,只有NCMA89的H2-H3不可逆相变的电压几乎维持在了初始的状态,而NCM90与NCA89电池的H2-H3不可逆相变的电压均出现了不同程度的下滑,氧化还原峰下降。

即是说,在多次的循环中,NCA与NCM正极材料的电池更容易出现H3相,可逆性出现下滑。

在正极材料的微裂纹方面,不同材料的属性也有所不同,但微裂纹的出现将会影响电极的阻抗,一旦阻抗增大,对于电池的电流充放都会造成影响。

▲三种电池正极材料微裂纹情况,上下两排图片从左至右依次是NCA89电池、NCM90电池、NCMA89电

上文描述中已经提到,NCMA89电极较难出现H2-H3的不可逆相变,其具备较强的机械稳定性。Un-Hyuck Kim团队的实验也证明了这一点,在多次充放电循环后,NCMA89电池正极材料的微裂纹明显少于NCM90与NCA89电池。

除此之外,锂离子脱嵌过程中释放的氧也会溶解过渡金属,导致正极材料结构不稳定。

Un-Hyuck Kim团队通过密度泛函理论(DFT)对NCMA89、NCM90、NCA89电池的氧空位能进行了计算,发现三者的氧空位能分别为0.80eV、0.72eV和0.87eV。

从这一数值可以看出,Al-O化学键稳定的NCA89电池最不容易发生氧的释放,NCMA89电池同样较为稳定,而NCM90电池氧的释放所需要的能量最少,最容易导致正极材料结构发生变化。

3、NCMA正极材料热稳定性更强

考虑到电极材料的热稳定性对于电池安全的影响也极为重要,Un-Hyuck Kim团队还采用差示扫描量热法(DSC)对正极材料放热反应的峰值温度进行了测量。

测量结果显示,NCA89电池正极放热反应的峰值温度为202°C,发热量为1753J/g,而NCM90电池正极显示的峰值温度为200°C ,发热量为1561J/g。相比之下,NCMA89电池的正极放热反应峰值温度为205°C,而发热量仅为1384J/g,NCMA四元锂电池的热稳定性明显优于另外两类电池。

综合多次充放电循环后的容量衰退,H2-H3的不可逆相变、正极材料微裂纹、锂离子脱嵌时氧的释放情况以及热稳定性等五个方面的测试,Un-Hyuck Kim团队最终证明了NCMA正极材料在高镍路线上的优异表现。

三、NCMA正极材料短期量产成本较高 但长期成本更优

但现阶段的NCMA四元锂电池并非完全没有缺点,首先,NCMA四元锂电池的核心——正极材料的制备工艺要比NCM与NCA电池更为复杂。

Un-Hyuck Kim团队在2019年3月发布于Materialstoday的论文《成分与结构重新设计的高能富镍正极,用于下一代锂电池》。

▲Un-Hyuck Kim团队发布的论文

论文中提到,NCMA正极材料的制备步骤大致可分为六个阶段:

1、使用硫酸镍溶液与硫酸钴溶液通过共沉淀法制备球形NC-NCM[Ni 0.893 Co 0.054 Mn 0.053 ](OH)2前体,用作制备[Ni 0.98 Co 0.02 ](OH)2的起始材料,并加入间歇反应器。

2、在惰性气体(氮气)环境下,连续在间歇反应器中加入特定量的去离子水、氢氧化钠溶液、氢氧化氨溶液,同时,将定量的氢氧化钠溶液与足量的氢氧化氨溶液(螯合剂)泵入反应器。

3、在合成过程中,最初形成的[Ni0.98Co0.02](OH)2颗粒逐渐变成球形。

4、为构建NC-NCM结构,将定量的硫酸镍溶液,硫酸钴溶液与硫酸锰溶液(Ni:Co:Mn=80:9:11,摩尔比)引入反应器,制成[Ni 0.80 Co 0.09 Mn 0.11](OH)2,通过调整原料用量,最终获得[Ni 0.893 Co 0.054 Mn 0.053 ](OH)2粉末。

5、将粉末过滤,洗涤,并在真空110摄氏度的环境下干燥12小时。

6、为了制备Li [Ni 0.886 Co 0.049 Mn 0.050 Al 0.015 ] O 2,将前体([Ni 0.893 Co 0.054 Mn 0.053 ](OH)2)与LiOH·H 2 O和Al(OH)3 ·3H2O混合,并在纯氧730摄氏度环境下煅烧10小时。

如果是进行NCM正极材料的制备,可以省去步骤6中加入铝的步骤;而如果是进行NCA正极材料的制备,则可以省去步骤4。

因此,NCMA正极材料的生产工序要比NCM与NCA正极材料的生产工序都更复杂,其短期生产成本必然会更高。

与此同时,铝的用量也需严格控制,用料过多或过少都会影响电池的能量密度,并使稳定性出现衰减,这一工序的引入对生产工艺无疑提出了更严格的要求。

但从长期的角度来看,铝的引入减少了钴的使用,以LG化学与通用合作的Ultium电池为例,该电池中钴元素的含量减少了70%。

而这一情况则能够降低动力电池的生产成本,据了解,2019年7月钴湿法冶炼中间品进口均价19707美元/吨(约合人民币13.7万元/吨),而良品铝矾土的价格大约在1200元/吨。

生产工艺的复杂或许会短暂延缓NCMA电池占领市场的脚步,但长期的利益还是会驱使动力电池厂与车企使用NCMA四元锂电池。

四、NCMA电池2021年量产 材料商、电池厂、整车厂纷纷布局

目前来看,虽然NCMA仍处于产业化的初期,但已经有多家公司进入这一领域进行布局,从公司属性来看,可以分为三类玩家:锂电材料供应商、动力电池企业、整车厂。

1、锂电材料供应商

根据公开信息,锂电材料供应巨头Cosmo AM&T、格林美已经率先在这一领域进行布局。

Cosmo AM&T是LG化学NCMA四元锂电池正极材料的主要供应商,该公司表示,其目前正在研究NCMA高镍正极材料,其中镍含量达到92%,正极能量密度为228mAh/g。

该公司预计会在2021年实现四元正极材料的量产,在量产后会首先与LG化学进行验证,不过该公司在正极材料方面也与三星SDI达成了合作,因此也很可能会向三星SDI供应NCMA正极材料。

而格林美日前在回答投资者提问时也曾透露,公司完成了四元正极材料的研发与量产工作,正在与客户进行吨级认证。

除此之外,企查查显示,美国新能源材料初创公司林奈新能源在中国的分公司申请了四元正极材料的专利,并于2019年2月5日公开了公告。

2、动力电池企业

目前布局NCMA四元锂电池的动力电池企业主要是中韩电池企业。

在中国动力电池企业中,国轩高科与蜂巢能源率先进行了四元锂电池的布局。

蜂巢能源在2019年7月的发布会上发布了NCMA四元锂电池产品,据了解,该产品自2018年3月在蜂巢内部立项,经历了16个月的研发得以面世。

▲蜂巢能源发布会

但目前,蜂巢能源还不具备四元锂电池的量产能力,蜂巢能源总经理杨红新表示,该公司会在2019年第四季度完成NCMA四元正极材料的产能布局,初期产能每年100吨。而到2021年,蜂巢能源就会正式量产NCMA四元锂电池。

国轩高科则没有这么高调,企查查信息显示,2016年,国轩高科申请了两款四元锂电池的制备方法专利,两项专利分别于2018年与2019年获得发明授权。

但国轩高科的技术路线相对小众,其申请的是NCAT(镍钴铝钛)与NCMT(镍钴镁钛)正极材料的制备专利。

宁德时代暂时没有对外宣布会进行NCMA电池的研发,但考虑到格林美是其正极材料的供应商之一,因此宁德时代同样有可能在暗中进行NCMA电池的研发工作。

韩国电池企业中,LG化学率先宣布将会量产NCMA四元锂电池,并将其运用到与通用合作的Ultium电池组中。Lg化学表示,这款电池的能量密度将会达到200mAh/g(并未透露是否是电芯能量密度)。

3、整车厂

目前明确表态将使用NCMA四元锂电池的整车厂只有通用一家,该公司在3月4日开幕的“EV week”上公布了与LG化学合作研发电池的项目,而该项目的核心就是NCMA电池与Ultium电池组技术。

据了解,通用将会在其最新的电动汽车平台上使用该电池,为不同的车型提供50kWh-200kWh的电池组,电池组的成本将会下降至100美元/kWh(约合693元/kWh)。

▲通用全新电动车平台

如果计划顺利,通用未来3年将会推出20款电动汽车,并在2025年达到100万辆电动汽车的销量。

一旦通用借助NCMA电池实现了电动化的成功转型,各大车企也会争相进行效仿,布局NCMA四元锂电池的车企将会大量增加。

锂电材料商、动力电池企业、整车厂三方入局,意味着NCMA四元锂电池方案很有可能会成为未来动力电池的备选方案之一。

如果顺利实现大规模商用,这一产品将会对上游矿业、中游动力电池企业、下游整车厂造成影响。

对于上游矿业而言,钴矿需求量大幅减少,一度处于高位的钴价有可能出现大幅下滑。

对于动力电池企业而言,新一轮技术的迭代将会为头部动力电池企业带来福利,谁先布局的企业将能够抢占第一拨市场,而晚布局的企业则可能面临落后或是被淘汰的情况。

对于整车厂而言,NCMA四元锂电池由于减少了钴的用量,成本大幅降低,车企生产电动汽车的成本压力下降。并且NCMA电池拥有更加优秀的循环寿命与稳定性,电动汽车产品的可靠性将会得到提升。

结语:四元电池时代将至?

通用与LG合作的四元锂电池很有可能会掀起一轮动力电池的产业变革,对比NCM/NCA三元锂电池产品,四元锂电池有着循环寿命更长、安全性优秀、成本更低等优点。对于车企和电池厂而言,这些优点意味着四元锂电池是一个难以拒绝的选项。

但不到大规模量产,四元锂电池的命运尚且无法盖棺定论,三元锂电池后续的发展路线众多,且新的技术在生产工艺、材料等方面均有变革。

单从材料来看,镍锰酸锂“无钴”电池、锂硫电池、锂空气电池都是成为四元锂电池的潜在竞争者,这些电池产品对比目前的三元锂电池同样有着不小的性能优势。

只能说,四元锂电池是目前相对而言接近量产的三元锂电池替代方案,后续情况仍需持续观望。

本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

锂离子电池投稿期刊

推荐《仪器仪表学报》,属于EI期刊,收录如下:

《仪器仪表学报》被以下数据库收录:

CA 化学文摘(美)(2014)

SA 科学文摘(英)(2011)

JST 日本科学技术振兴机构数据库(日)(2013)

EI 工程索引(美)(2016)

CSCD 中国科学引文数据库来源期刊(2017-2018年度)(含扩展版)

北京大学《中文核心期刊要目总览》来源期刊:

1992年(第一版),1996年(第二版),2000年版,2004年版,2008年版,2011年版,2014年版;

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锂离子电池投稿期刊快

难。锂电池发二区文章的要求很严格,锂电池的成果要求高,并且二区是sci中比较优秀的学术期刊,会更卡要求,是难的。一区二区三区四区是sci期刊的分区,sci期刊的分区有两种,一种是jcr的分区,另一个是中科院的分区。

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能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功

能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功,美国加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种锂离子电池,该电池在极寒和酷热的温度下表现良好,能耐极寒和酷热的新型锂离子电池开发成功。

近期,加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的工程师们开发出了一种新型锂离子电池,据称这种电池在极冷和高温下都能表现良好,同时仍能储存大量能量。

根据研究人员的说法,这一“壮举”是通过开发一种新型电解质实现的。这种电解质不仅可以在较宽的温度范围内坚挺耐用,而且可以与高能阳极和阴极兼容。上述研究成果已于近期发表在了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

UCSD雅各布斯工程学院纳米工程学教授、该研究的资深作者Zheng Chen表示,基于这项技术开发的车用电池,即使在寒冷气候下也能让电动汽车行驶更远。此外,它们还可以减少对冷却系统的需求,以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。

Chen 解释说:“高温对于汽车电池来说是一个重大挑战。在电动汽车中,电池组通常位于底盘,更靠近炎热的道路。此外,电池在运行过程中会因电流通过而升温。如果电池不能承受这种高温,它们的性能将迅速下降”。

在测试中,该电池在-40°C和50°C下分别保留了87.5%和115.9%的能量容量。在这些温度下,它们还分别具有98.2%和98.7%的高库伦效率,这意味着电池在停止工作之前可以进行更多的充放电循环。

上述优异的性能都要归功于Chen和同事们开发的独特电解质。它由二丁醚与锂盐混合而成的液体溶液制成。二丁醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱。换句话说,当电池运行时,电解质分子很容易释放锂离子。

研究人员在之前的一项研究中发现,这种微弱的分子相互作用可以提高电池在零下温度下的性能。另外,二丁醚很容易吸收热量,因为它在高温下保持液态(沸点为141°C)。

附加优势

此外,这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容,锂硫电池是一种可充电电池,其阳极由锂金属制成,阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分,因为它拥有更高的能量密度和更低的成本。

据了解,锂硫电池每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍,这可以使电动汽车的续航里程增加一倍,而不会增加电池组的重量。此外,与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比,硫的储量更为丰富。

但锂硫电池也存在问题。阴极和阳极都是超活性的。硫阴极非常活泼,在电池运行过程中会溶解;在高温下,这个问题会变得更严重。锂金属阳极容易长出枝晶,会导致电池短路,甚至有起火风险。因此,锂硫电池最多只能循环使用几十次。

“如果你想要一个高能量密度的电池,你通常需要使用非常苛刻、复杂的化学物质,”Chen说,“高能量意味着更多的反应发生,这意味着更少的稳定性,更多的降解。制造一种稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务,试图在更大的温度范围内做到这一点更具挑战性。”

UCSD研究团队开发的二丁醚电解质可以防止这些问题。即使在极端温度下,他们测试的电池也比典型的锂硫电池有更长的循环寿命。Chen说,“我们的电解液有助于改善阴极侧和阳极侧,同时提供高导电性和稳定性”。

美国加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种锂离子电池,该电池在极寒和酷热的温度下表现良好,同时还能储存大量电能。本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文描述了这种耐温度变化的电池。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的资深作者陈政说,这种电池可让寒冷气候下的电动汽车一次充电就能行驶更远;还可减少对冷却系统的.需求,以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。

研究人员在冰点以下温度测试电池。图片来源:David Baillot/加州大学圣地亚哥分校

在测试中,概念验证电池在-40℃和50℃下分别保留了87.5%和115.9%的电能容量。在这些温度下,它们还分别具有98.2%和98.7%的高库仑效率,这意味着电池在停止工作之前可进行更多的充电和放电循环。

研究人员此次开发了一种更好的电解质,这种电解质既耐寒又耐热,而且与高能阳极和阴极兼容。电解质由二丁醚与锂盐混合而成的溶液制成。二丁基醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱,当电池运行时,电解质分子很容易释放锂离子。

这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分,因为它们有望实现更高的能量密度和更低的成本。但锂硫电池的阴极和阳极都具有超强反应性。在高温下,锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构,可刺穿电池的某些部分,导致电池短路。结果,锂硫电池只能持续数十次循环。

二丁基醚电解质可防止这些问题,即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。研究团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。

团队表示,下一步研究工作将包括扩大电池化学成分、优化电池以使其在更高的温度下工作以及进一步延长循环寿命。

一种新型锂离子电池既可以在零下 40°C 的低温下工作,也可以在 50°C 的高温下工作。这种新型电池阴极使用硫制作,电池可以储存更多的能量。这是来自加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的一项新研究。

这种电池可以增加电动汽车在寒冷温度下的行驶里程。此外,它们还可以用于卫星、航天器、高空无人机和潜艇。UCSD 纳米工程教授陈政(Zheng Chen)表示:通过大幅扩展锂电池的可操作窗口,我们可以为电动汽车之外的应用提供更强大的电化学物质。

目前来看,电池用石墨阳极和锂金属氧化物阴极,这种组合不能很好地处理极端温度。高温会加剧电池内部本已高度活跃的化学环境,引发分解电解质和其他电池材料的副反应,导致不可逆转的损害。与此同时,低温会使液体电解质变稠,所以锂离子在其中缓慢移动,导致电能损耗和充电缓慢。

对电池进行绝缘或从内部加热的方法有助于解决低温问题。研究人员之前还对电解质进行设计以扩大电池温度范围,但这可以提高低温或高温下的性能,而不是同时提高性能。

陈政教授团队的研究《Solvent selection criteria for temperature-resilient lithium–sulfur batteries》刊登在了 7 月 5 日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,他们表示新型耐极端温度电池的核心是找到一种新电解质。

他们通过将锂盐溶解在二丁醚溶剂中来制造电解质。与现有的用于电池的碳酸乙烯溶剂不同,新材料在零下 100°C 的温度下不会结冰,也不容易蒸发。此外,其溶剂分子与锂离子结合较弱,所以锂离子在其中移动更自由,即使在冰点温度下。

UCSD 团队通过将硫附着在塑料基材上来解决硫阴极降解问题。同时,新的电解质允许锂离子的均匀传输,因此它们没有机会粘在一起并形成枝晶。

在团队测试中,原型电池持续了 200 次循环,并在 -40°C 下还能保持超过 87% 的原始容量。在 50°C 时,电池的容量增加了 15%,陈政教授表示,因为更高的温度会增加电荷转移和锂离子通过电解质并扩散到电极上,因而推动了电池容量和能量极限 。

该研究的第一作者、UCSD 纳米工程博士后研究员 Guorui Cai 准备了一个电池袋电池(battery pouch cell),用于在低于冰点的温度下进行测试。

这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容,锂硫电池是一种可充电电池,其阳极由锂金属制成,阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分,因为这种电池具有更高的能量密度和更低的成本。

它们每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍——这可以使电动汽车的续航里程增加一倍,而不会增加电池组的重量。此外,与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比,硫的来源更丰富且问题更少。

但锂硫电池存在另一些问题——其阴极和阳极都过于活跃。硫正极非常活泼,以至于它们在电池运行期间会溶解。这个问题在高温下会变得更糟。锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构,可以刺穿电池的某些部分,导致电池短路。因此,锂硫电池只能持续数十次循环。

「如果你想要一个能量密度高的电池,你通常需要使用非常精确、复杂的化学物质,」陈政说道。「高能量意味着更多的反应正在发生,这意味着稳定性更低,降解更多。制造稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务——试图在很宽的温度范围内做到这一点更具挑战性。」

UCSD 研究小组开发的二丁醚电解质可以防止这些问题,即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。「我们的电解质有助于改善阴极和阳极侧,同时提供高导电性和界面稳定性,」陈政介绍说。

该团队还通过将硫阴极接枝到聚合物上来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。

接下来的步骤包括扩大电池化学成分,优化它以在更高的温度下工作,并进一步延长循环寿命。

UCSD 纳米工程教授陈政。

容量的增加不一定是一件好事,因为这同时也会使电池负担过重。为了解决这个问题,研究人员必须进一步改进电池的化学成分,以便它能够维持更多的充电周期。他们还计划通过更多的细胞工程来提高能量密度。目前,新电池的密度仅比今天的锂离子电池略高一点,与锂硫理论上的承诺相差无几。「我们至少可以将能量密度提高 50%,」陈政表示。「这就是希望,这就是承诺。」

锂离子电池论文投稿期刊

车东西

文?| Bear

导语:借着电动汽车的行业大潮,动力电池产业迅速崛起,全球已形成中、日、韩三国企业争霸,松下、LG、宁德时代等巨头分庭抗礼的行业格局。

表面的平静背后,新一轮巨变正在酝酿之中——固态电池即将掀起新一轮技术变革浪潮、动力电池白名单去除后日韩企业重回中国市场、全球车企与零部件巨头们也纷纷涉足电池产业,一场大变局即将上演。

为此,车东西特推出《动力电池大变局》系列报道,详解全球动力电池产业的风云变幻,本文为系列报道之一。

特斯拉自产的动力电池终于来了,马斯克的野心从电动汽车产业涌向了动力电池产业,新的血雨腥风将拉开序幕。

今日,据外媒electrek报道,特斯拉的“Roadrunner”动力电池自产计划正式启动,位于美国弗里蒙特大沙漠内的工厂,一条属于特斯拉自己的动力电池生产线正在成型。

整件事件最值得关注的焦点在于,达成规模化生产之后的特斯拉动力电池每度电仅需100美元(约合人民币701元,指每kWh容量电池价格),而根据投资机构瑞银公布的数据,松下当前动力电池每度电的成本约为111美元(约合人民币772元),而宁德时代动力电池的成本则为每度电150美元(约合人民币1042元)。

特斯拉进入动力电池产业的第一件事,就是打掉动力电池产业的价格“底裤”。

▲外媒报道特斯拉正在弗里蒙特工厂建造电池生产线

但除此之外,马斯克的这场动力电池“闪电战”还将在汽车产业与动力电池产业同时掀起浪潮。更多拥有资本与技术的车企在特斯拉的号召下,将会涌入动力电池市场,冲击当前的动力电池产业格局。

在这样关键的节点上,我们有必要找到特斯拉如何突破动力电池产业技术壁垒,一步一步解决电池研发,并最终具备电芯生产能力的秘密。

车东西通过对特斯拉五年以来的投资布局、技术研发情况与产业链布局进行梳理,找到了其中的答案。

一、耗时五年?三元锂电之父助力特斯拉自产电

2020年2月12日,外媒electrek曝料称,特斯拉正在美国弗里蒙特工厂搭建一条动力电池生产线。一时间,特斯拉自产动力电池的消息公之于众,引发了业界震动。

但若非此次媒体曝光,恐怕没有人能想到特斯拉自产动力电池的速度如此之快。

原因在于,与其他大张旗鼓进军动力电池产业的车企不同,特斯拉在这一领域的布局简直可以用低调来形容。

自2015年以来,特斯拉与动力电池相关的投资仅有三笔,分别是对达尔豪斯大学杰夫·戴恩研究小组(Jeff Dahn Research Group)的5年赞助计划、收购电池技术公司Maxwell以及收购电池制造设备公司Hibar。

三笔投资中,特斯拉仅披露了收购Maxwell的金额——2.18亿美元(约合人民币15.27亿元),另外两笔投资的金额与具体细节均未公布。

但正是这三笔投资,凑齐了特斯拉自产电池所需的关键技术——动力电池的电极、电解液、隔膜、电池壳体以及电池的制造工艺。

特斯拉在动力电池领域的布局始于2015年。

以领先于业界的三电技术立身的特斯拉不甘于在动力电池领域受制于松下,更何况彼时松下动力电池的产能爬坡速度远不如特斯拉汽车生产线的产能爬坡速度。

马斯克有预见性地意识到,松下可能会成为特斯拉迈向年产百万辆电动汽车的最大阻碍(随后事实如其所料,2018年松下的动力电池产能限制了特斯拉Model 3的量产速度)。

于是,马斯克动起了自产动力电池的念头。

2015年,马斯克找上了专注于锂电技术产业化的杰夫·戴恩团队,希望为其提供“数额可观的5年的研究经费”(the substantial 5-year funding package),让其为特斯拉研发寿命更长、成本更低、能量密度更高的锂离子电池。

▲杰夫·戴恩研究小组

杰夫·戴恩团队是加拿大顶级大学达尔豪西大学内一支专注于锂离子电池技术研究的团队,自2008年开始研究锂电池产业化项目。其官方网站显示,该团队目前拥有30人左右的规模,共计发表论文600余篇,在重量级期刊JES与JPS上均有论文发布

有外媒评价,该团队是目前锂电池领域研究实力最强的团队之一。

杰夫·戴恩本人更是通过精确限定镍钴锰材料中镍的含量,使三元复合正极材料成功实现规模商业化,成为了业界公认的三元材料技术真正的开创者和发明者。

▲杰夫·戴恩

一边是急于自研自产动力电池的特斯拉,一边是希望并且擅长将技术产业化的杰夫·戴恩团队,双方一拍即合。

同年6月16日,杰夫·戴恩团队所在的达尔豪西大学与特斯拉共同宣布,杰夫·戴恩研究小组的合作伙伴将在2016年6月,从3M Canada转移到特斯拉,并与特斯拉达成独家合作协议。

达成合作协议之后,杰夫·戴恩老爷子一屁股坐进了特斯拉的前备箱,比出两个大拇指,兴奋之情溢于言表。

▲杰夫·戴恩

在此之后,杰夫·戴恩团队持续在新型锂离子电极材料、锂离子电池故障机理诊断、电解质添加剂、钠离子与锂离子电池安全性基础研究以及电池研究理论/建模方面持续取得突破。

去年年底,来自杰夫·戴恩团队的论文显示,其新研发的动力电池循环周期可达到5000次左右,对应电动汽车行驶寿命超过100万英里(约为160万公里),这项专利目前已经为特斯拉所有。

而近期外媒electrek又曝出消息,称杰夫·戴恩团队的研究成果将使特斯拉的动力电池成本达到100美元/kWh(约合701元/kWh)。对比投资机构瑞银给出的数据,松下动力电池的成本约为111美元/kWh(约合771元/kWh)、宁德时代约为150美元/kWh(约合1042元/kWh),特斯拉目前的电池成本在业界属于最低水平。

据了解,杰夫·戴恩团队还在帮助特斯拉完成能量密度500Wh/kg的高镍三元锂电池的研发,目前已初具成果。

可以说,2016年以来,杰夫·戴恩团队为特斯拉自产电池项目贡献了众多底层的技术专利与经验积累,完善了特斯拉从电极、电解质到电池壳体环节的大部分技术链条。五年时间,杰夫·戴恩团队也确实完成了签约时对特斯拉许下的诺言——帮助特斯拉提升动力电池循环次数、降低动力电池成本、研发高能量密度动力电池。

这笔投资对于特斯拉而言,物超所值。

二、收购Maxwell?干电极技术提升动力电池能量密度

2016年之后,马斯克转身扎进了特斯拉Model 3的产能地狱,再无闲暇顾及动力电池产业的布局,以至于2017年、2018年2年时间里,特斯拉在动力电池产业并没有大的动作。

但时间来到2019年,一件事情为马斯克敲响了警钟。

2019年2月,特斯拉2018年财报发布的电话会议上,马斯克指出,超级工厂电芯产能的不足是限制特斯拉Mode 3产能的最大桎梏。

2019年4月,马斯克再度发推表示,“超级工厂的电芯产能只有24GWh,从7月份开始一直限制Model 3的产能,在产能到达35GWh之前,特斯拉不会再投钱进去。”

来自松下的产能限制,使得马斯克再度意识到了动力电池的重要性,他开始加速特斯拉在动力电池领域的布局。

2019年5月,特斯拉以2.18亿美元(约合人民币15.27亿元)的价格收购电池技术公司Maxwell,溢价幅度达到55%。

之所以如此迫切地拿下这家公司,是因为特斯拉看中了Maxwell的干电极技术与超级电容技术。

▲Maxwell干电极技术介绍

传统的电极制备工艺属于湿电极工艺,制造过程中,需要将正负极材料加入溶剂中,对电极片材料进行涂覆。

这种制造工艺的优势在于生产工艺验证时间长,电极质量稳定,但溶剂的特性决定了这种电极涂覆的方式生产的电极较薄,能量密度受限。

同时,生产过程中,需要对溶剂进行蒸发,这一部分生产工艺会产生一定程度的环境污染。

而无溶剂的干电极生产工艺则是将活跃的正负极材料混入黏性物质中,使得正负极材料自身“原纤维化”,形成自支撑膜,牢牢地粘着在电极片上(原理类似于脚底牢牢粘上的口香糖)。

这种生产工艺可以制备更厚的电极,使得电池的能量密度得到大幅提升。目前,使用该工艺制成的三元锂电池电芯能量密度大于300Wh/kg,电芯单体能量密度最高可实现500Wh/kg,同时获得更大的放电倍率。

与此同时,干电极的另一大好处,就是可以在电池使用之后,持续为其补充锂金属,弥补电池的容量衰减;而采用湿电极法制备的电极,补充锂金属和混有锂金属的碳不能很好地彼此融合,通常会伴有烟雾、火苗和噪音等强烈反应。

此外,干电极的制作流程不需要进行溶剂干燥步骤,降低了生产成本与时间成本,也降低了环境污染。

另一项超级电容技术,则可以用作能量回收过程中的快速储能装置,其能耗远小于将回收的动能重新储备到电池中。

而在急加速过程中,超级电容器能够实现大功率放电,避免动力电池直接大功率放电产生锂晶枝,对电池结构造成不可逆的损伤。

超级电容技术的另一大优势,就是工作温度范围大,大部分电池的工作温度需要维持在20℃-40℃之间,对外界环境温度要求较为苛刻。而超级电容的工作温度在-40℃-80℃之间,可用于冬天车辆起步与动力电池的加热。

干电极技术为特斯拉自产电池提高了能量密度,而超级电容技术能够在特定场景下为电池提供辅助作用,二者结合或许是特斯拉将来会采用的“混动”方案。

三、收购电池生产设备商Hibar?为自产电池铺路

投资杰夫·戴恩团队,收购Maxwell都是为了掌握最新的电池技术,掌握技术之后的关键就是将其量产。

2019年10月,有媒体发现,加拿大精密设备公司Hibar突然出现在特斯拉旗下,成为了特斯拉的控股子公司。

特斯拉收购Hibar属于秘密进行的项目,其收购日期、金额、合作细节均未透露,但可以明确的是,收购Hibar意味着特斯拉的自产电池项目仅差临门一脚。

Hibar以生产高精度定量注液泵、注液生产系统、自动化电池制造和工艺设备闻名,产品线覆盖了完整的电芯生产流程。

▲Hibar产品一览

在过去的40年时间里,Hibar已经成为了电池行业里一次电池及二次电池生产线的首选供应商。

投资杰夫·戴恩团队让特斯拉拥有了自研动力电池的技术人才,收购Maxwell使得特斯拉掌握了动力电池领域最前沿的技术,而收购Hibar是特斯拉自产动力电池项目的最后一环,至此,特斯拉形成了从技术研发、样品验证到大规模量产的全面布局。

四、自产电池寿命将达100万英里?最大能量密度可达500Wh/kg

虽然特斯拉已经拥有了电池的研发、验证与量产的能力,但实际产品将能够达到什么样的效果呢?

目前其电池生产线还未投入实际使用,想从产品出发进行分析不太现实。我们可以换一个角度,从特斯拉目前拥有的技术实力,来推断其自产电池的技术指标。

1、电极

从电极角度来看,特斯拉自产的电池有很大可能性会采用已收购的Maxwell的干电极技术,该技术目前在三元锂电池领域能够实现的单体电芯能量密度为300Wh/kg,最大能够达到500Wh/kg。

现阶段,业界仅有松下的NCA 811三元锂电池以及宁德时代的NCM 811三元锂电池可在电芯能量密度达到300Wh/kg。

与此同时,上文提到,干电极技术能够实现将锂金属补充到负极内,以弥补充放电过程中,锂离子在负极、电解液中的消耗。

而此前,Maxwell有一项待审专利正是将锂离子补充至电池负极,这项专利技术将能够有效缓解电池在使用过程中的容量衰减问题。而随着特斯拉完成对Maxwell的收购,这项专利技术也自然转移到了特斯拉的名下。

▲Maxwell待审专利

在成本方面,由于省去了干燥步骤,整个电芯生产环节成本大约可下降10%-20%。

2、电解质

在电解质方面,受特斯拉资助的杰夫·戴恩团队近期在知名期刊JES上发表了两篇论文,讲述了他们在电解质方面取得的进展。

其中一篇名为《二恶唑酮与亚硫酸亚硝酸盐作为锂离子电池电解液添加剂》。

论文中提到,杰夫·戴恩团队对近期开发的新型电解质添加剂MDO以及另外两种添加剂PDO和BS进行了高温高电压与长期循环性能的测试,载体为NCM523三元锂电池。

为进行该项测试,团队将三种添加剂分别进行了单独与混合添加,不同的实验组合置于不同的温度、电压下进行测试,得出了不同的循环性能。

实验结果表明,添加了MDO、PDO电解质添加剂的电池均在石墨负极表面形成了SEI层(对负极起到保护作用),而添加了BS电解质添加剂的电池则没有形成SEI层。

通过长时间电池循环性能测试,2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液添加剂组合在所有实验电解质添加剂的表现中最优,在经过800次放电循环后,电解质中留存的添加剂浓度依然大于90%。

▲实验结果,(b)(c)中最高的两条分布点分别为2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液组合

在这一研究成果的基础上,杰夫·戴恩团队在去年6月又发布了一篇名为《出色的锂离子电池化学性能的广泛测试结果,可作为新电池技术的基准》的论文。

这项实验同样是对NCM523三元锂电池进行了不同的电解质添加剂测试。

实验结果显示,分别向电解质中添加2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合,能使电池循环寿命有效增长。

▲实验结果,紫色、绿色与红色线条为测试结果,另外两条为对照组

其中,添加了三种电解质添加剂组合的电池普遍在3000次充放电循环之后,还能保持85%以上的电池容量,有一组甚至在经历了5000次充放电循环之后,仍然保持了90%以上的电池容量。

而另外两组对照组的电池则在1000次左右的充放电循环之后,电池容量分别衰减到了50%左右的水准。

如果以5000次充放电循环次数作为电池的平均循环寿命,以特斯拉Model 3 EPA续航里程322英里作为单轮充放电的续航里程,那么在该电池组的有效生命期内,一辆特斯拉Model 3的行驶里程将会超过160万英里(约合257万公里)。

不过据特斯拉公布的专利显示,目前他们保守估计该电池的使用寿命在100万英里(约合160万公里),一般纯电动汽车所装配的三元锂电池理论使用寿命仅有40万公里-50万公里,特斯拉新电池的使用寿命大约是目前三元锂电池的3-4倍。

值得注意的是,杰夫·戴恩团队为特斯拉进行的研究是以NCM三元锂电池为基础的。因此从电解质添加剂与其适配电极的角度出发,特斯拉未来自产的电池极有可能是NCM三元锂电池而非NCA三元锂电池,该电池的最大循环次数可能逼近5000次,对应车辆的行驶里程可能会达到100万英里(约合160万公里)。

3、超级电容器

除了动力电池本身,收购Maxwell还为特斯拉带来了超级电容技术。

马斯克曾在媒体采访中透露,在大学期间,他就对超级电容技术充满兴趣,一度想进行研究。现在,这个超级电容的粉丝终于能够如愿以偿。

超级电容本质上是不同于动力电池的另一套储能方案,对比动力电池,其不足之处在于储能性能有限。

但其长处也非常明显,超级电容的充放电功率很大,并且能量损耗小,既能够高效率进行动能回收,在车辆急加速时也能够瞬间释放大功率电流,减轻动力电池工作压力。

与此同时,超级电容的工作温度区间为-40℃-80℃,能够适应一般电池难以适应的极端环境。

可以说,超级电容具备与动力电池互补的潜质。在车辆正常行驶时,动力电池提供主要电力,当车辆需要急加速、进行动能回收、在寒冷地带起步时,超级电容为车辆提供电力。

当自产电池项目落地后,特斯拉有可能会为车辆同步配备超级电容器,形成全新的动力电池+超级电容“混动系统”。

综合上述三方面来看,特斯拉自产的动力电池极有可能是NCM三元锂电池,第一代电芯产品的能量密度可能会在300Wh/kg左右,后续会逐步攀升至500Wh/kg。

其电解质添加剂可能会选用2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合中的一种,得益于优异的电解质性能,其电池的循环寿命将能够达到100万英里(约合160万公里),超过目前所有的动力电池循环性能。

不仅如此,超级电容技术也可能会被特斯拉投入应用,作为动力电池的辅助能源。

五、从供应商变迁史?看特斯拉自产电池的六大意义

特斯拉首条动力电池生产线的搭建,意味着这家车企在动力电池的供应链上走出了新的一步。

自特斯拉推出首款车型Roadster以来,这条战船就与全球锂电巨头松下牢牢地捆绑在一起。据了解,特斯拉首批100辆Roadster全部采用了松下的18650圆柱形电池。

后续推出的第一款面向大众的量产车型Model S,更是让特斯拉与松下开启了长达7年的独家供应关系。

在此期间,双方在美国佛罗里达州的沙漠中,建起了一座产能达到35GWh的动力电池工厂,也是如今世界上产能最大的动力电池工厂。

▲特斯拉Gigafactory 1

在马斯克的设想中,这座工厂最终将能够实现50GWh的年产能,撑起特斯拉年产百万辆电动车的远大愿景。

但事与愿违,一边是产能疯狂爬坡,电池需求迅速上涨的特斯拉;另一边是即使出现亏损,也仍在扩大生产线,招收更多员工的松下。

双方没有达成供需同步攀升的微妙平衡,特斯拉的电池需求缺口越来越大,最终在2018年财报发布的电话会议上,双方矛盾爆发。

马斯克指责松下的动力电池产能迟迟跟不上,限制了特斯拉Model 3的产能爬坡,如果松下不能按照约定将合资工厂的电池产能提升至35GWh,特斯拉就将停止对合资工厂的投资。

2019年第三季度,双方的合资工厂动力电池产能虽然达到了35GWh,但松下也冻结了进一步提升合资工厂产能至50GWh的计划。

自2013年展开合作以来,特斯拉与松下之间的关系第一次接近“冰点”。

此次事件之后,虽然特斯拉与松下仍然维持着动力电池的供应关系,但特斯拉也开始寻找新的动力电池供应商。借着特斯拉上海工厂投产这一机会,LG与宁德时代被特斯拉纳入其供应商名单。

2020年1月30日,特斯拉正式宣布与LG化学、宁德时代达成动力电池供货协议。

此外,路透社还报道,特斯拉正在与宁德时代就“无钴”电池进行进一步商谈,特斯拉未来很可能会使用宁德时代生产的“无钴”电池。

▲路透社报道,特斯拉正在与宁德时代商议无钴电池合作

到目前为止,特斯拉的动力电池供应链条已经从松下独家供应,转变为LG化学、宁德时代、松下三家同步供应。在特斯拉自产的动力电池完成供应后,这条供应链也将被纳入特斯拉的动力电池名单。

特斯拉已经正式从松下独家供应动力电池的“单极时代”,走向多供应商供应动力电池的“多元时代”。最终可能形成以自产电池为主,采购电池为辅的动力电池供应链条。

对于特斯拉而言,这一时代的到来有着三大意义:

1、动力电池降本增效,坐拥多家动力电池供应商的特斯拉,对供应商将拥有更强的话语权,势必会在动力电池采购价格上加大压价力度。

同时,自产的动力电池生产线投产后,特斯拉的动力电池成本将会低至100美元(约合人民币701元),比松下的动力电池成本还要低10%,特斯拉的成本优势更加明显,旗下车型或将进一步降价,更大规模的扩张销量。如果使用干电极技术进行动力电池生产,特斯拉动力电池的生产效率也会有小幅提升。

2、助推产能增长,到目前为止,特斯拉共拥有两座整车生产工厂,一座位于美国加州弗里蒙特,目前处于满负荷运转;另一座位于上海临港,目前产能15万辆/年,目标产能为50万辆/年,还有较大幅度的产能爬坡空间;还有一座规划中的工厂位于德国柏林,目前正在建设当中。

就目前情况来看,特斯拉与松下的合资电池厂供给美国本土工厂已然供不应求,中国工厂与未来的德国工厂势必需要新的动力电池供应商来提供动力电池。供应商足量的动力电池供应才能够推动特斯拉产能增长,最终在2022年实现年产100万辆特斯拉的目标。

3、满足百万辆Robotaxi的需求,马斯克曾经夸下海口,表示2020年将会有100万辆特斯拉汽车上路成为Robotaxi,暂且不论自动驾驶技术是否可行,以目前的电池技术来看,这一目标很难实现。

目前动力电池的循环次数大多在1000次左右,对应使用寿命大约为20万英里(约合32万公里),这一续航寿命对于普通家用完全足够,但对于需要24小时不间断运行的Robotaxi而言,却显得捉襟见肘。

特斯拉自产动力电池,正是为了解决这一难题,上文我们已经提到,特斯拉最新的专利显示,他们完成了100万英里(约合160万公里)续航寿命的电池研发,拥有超长续航寿命的动力电池将能够满足特斯拉Robotaxi运行的要求。

对于整个动力电池行业而言,特斯拉自产动力电池也有着深远的意义:

1、特斯拉作为电动汽车领军企业,进军动力电池产业这一行为,将会带来模仿效应,未来更多大型车企在转型电动化的过程中,可能会考虑自产动力电池以满足自身需求。对于车企而言,电动时代的核心——三电技术,必须要握在手心。

2、车企进军动力电池,意味着动力电池供应商们原本的客户流失,动力电池供应商的利润空间受到压缩。在与车企的博弈中,动力电池供应商将想方设法降低动力电池成本,提高动力电池性能。

3、新能源供应链结构可能发生改变,在车企自产动力电池的过程中,原本隔着动力电池供应商的材料供应商们,将能够直接与车企产生联系。产业链条减少,意味着产业结构进一步优化。

结语:掌握电池后的特斯拉将更加强大

特斯拉弗里蒙特工厂的第一条动力电池生产线正在搭建,投产指日可待,马斯克酝酿了5年的自产动力电池计划终于进入了产出结果的阶段。

掌握动力电池后的特斯拉,从各个角度来看,都将变得更加强大。

在供应链端,追求降本的特斯拉,一旦实现了自产动力电池的目标,对其他供应商的动力电池采购需求势必会相应减少。特斯拉的动力电池供应商们将会展开价格战,而在这场价格战中,特斯拉将享有绝对的主导权。

在电动汽车产品端,特斯拉自产的动力电池很有可能比目前市面上的大多数动力电池性能优异,将会拥有更长的使用寿命,更少的容量衰减,从而大幅提升特斯拉车型的保值率。

不过对于特斯拉而言,实现量产仅仅只是自产动力电池这一伟大愿景的第一步,后续动力电池的产能建设,对其而言才是真正的挑战。

在中国,动力电池产能的建设成本约为4-6亿元1GWh,而在美国,这一成本只会更高。特斯拉如果想要真正建成成规模的动力电池生产线,后续至少需要在动力电池项目上投资数百亿元。对于特斯拉这样刚刚盈利,现金流无比宝贵的公司而言,这笔投资将会造成庞大的压力。自产动力电池,对于特斯拉而言,仍然任重而道远。

本文来源于汽车之家车家号作者,不代表汽车之家的观点立场。

其实这里面有几个都可以,具体自己点开链接看

推荐《仪器仪表学报》,属于EI期刊,收录如下:

《仪器仪表学报》被以下数据库收录:

CA 化学文摘(美)(2014)

SA 科学文摘(英)(2011)

JST 日本科学技术振兴机构数据库(日)(2013)

EI 工程索引(美)(2016)

CSCD 中国科学引文数据库来源期刊(2017-2018年度)(含扩展版)

北京大学《中文核心期刊要目总览》来源期刊:

1992年(第一版),1996年(第二版),2000年版,2004年版,2008年版,2011年版,2014年版;

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