特斯拉改進鋰電池 提高負極硅含量

許多公司都表示要降低電池價格并提高容量，而美國特斯拉公司的最新方向是硅。日前，特斯拉展示了新的90 千瓦時電池組，這種升級產品的容量提高了5%，可以讓特斯拉的電動汽車多行駛24公里左右。雖然外觀可能沒有變化，但它使用了硅，這是鋰離子電池技術的一個進步。

提高電池負極中的硅含量

據(jù)特斯拉CEO 埃隆·馬斯克介紹，特斯拉對電池進行了改進，具體方法是在負極中使用了一些硅材料，進而改變了電池的化學反應過程。馬斯克說：“我們的方向是用硅來做負極，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，但我們會慢慢地在負極中加入越來越多的硅?！?/p>

加拿大新斯科舍省戴爾豪西大學鋰離子電池首席研究員杰夫·達恩教授最近和特斯拉簽訂了為期五年的獨家合作協(xié)議，他將從2016年6月開始和特斯拉進行獨家合作。他說：“電池廠商正在爭相提高電池中的硅含量。在全球鋰離子電池領域，正在進行硅課題攻關的研究人員不計其數(shù)。許多學術界和實業(yè)界人士也在非常努力地鉆研這個問題?！?/p>

商用鋰離子電池的負極一般由石墨制成。如果用硅作負極，其單位體積鋰離子容量可達到石墨的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，從而擴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能力。換句話說就是：尺寸不變，能量增多。同時，在鋰離子電池中，硅的質量不需要像太陽電池或集成電路中那么高，這就意味著價格較低。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——提高產品質量，降低成本。聽起來似乎很容易，但是把鋰和硅放在一起的難點在于，最終出現(xiàn)的原子數(shù)量幾乎是初期的5 倍，而這會帶來各種各樣的問題。

參加聚會的電極顆粒

達恩解釋說，大家可以把電池電極想象成一個房間，電極中的大量顆粒就像在房間里聚會的人，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出現(xiàn)這樣的情景。但如果房間里只有一部分人變胖，問題就不那么大，大家可以挪動一下，給胖人留下足夠的空間。達恩指出：“最初只添加少量硅的原因就在這里?！?/p>

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

達恩說，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。

達恩說：“眼下只能加一點點硅，就像灑魔粉那樣，這樣的量還可以接受。幾年后，硅會用得越來越多。這是件好事，因為它意味著這些產品會越變越好。”

達恩的研究團隊打算既提高鋰離子電池的能量密度，又延長它的使用壽命，這將有助于降低電動汽車和電網(wǎng)能源存儲的成本。但正在這么做的不光是他們。達恩說：“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?！?/p>

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

問題在于特斯拉用了多少硅。杰斐說，業(yè)界標準是硅占電池原材料的1%～3%。他認為特斯拉已經(jīng)找到了提高硅含量的辦法?！疤厮估呀?jīng)顯著改變了電池的能量密度，而且公開宣稱是硅讓他們做到了這一點，這讓我覺得他們在提高電池硅含量方面已經(jīng)取得了進展。當然，現(xiàn)在這只是猜測?！?/p>

ModelX和作為供應商的特斯拉

車輛估值及汽車市場研究機構Kelley Blue Book 高級分析師卡爾·布勞爾對《財富》雜志表示：“所有業(yè)內人士都有很大的動力來不斷改進電池技術。這當然是特斯拉的命根子?！?/p>

他說，特斯拉的Model X SUV 備受期待，為此特斯拉必須提高電池容量。這是因為Model X 較重，不提高電池容量的話，行駛里程就會縮短。

布勞爾認為，特斯拉把精力集中在電池技術上不光是為了做出更好的汽車，它還想轉型為供應商。

許多公司都預計價格更低、性能更好的鋰離子電池將投入使用，并且爭相把這項技術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新興革命性能源行業(yè)中的領跑者。