編者按：本文來自微信公眾號“汽車之心”（ID:Auto-Bit），作者：葉方，編輯：王德芙

　　作為全球最大的鋰電池買家，特斯拉理所當然地成了各類電池技術(shù)突破的見證者。

　　此前特斯拉就透露稱，經(jīng)常會有各種電池樣品交到自己手上，特斯拉密切追蹤的電池研發(fā)項目更是有數(shù)百個之多，幾乎每個項目都是潛力股。

　　對電池研發(fā)者來說，維持好與特斯拉的關(guān)系也意味著自己潛心研發(fā)的技術(shù)更有可能受到市場青睞。

　　需要注意的是，任何電池技術(shù)的突破，要想從實驗室的科研論文變身為普及的市場應(yīng)用，一般都需要 10-20 年時間。隨后，這項技術(shù)可能還要花 5-10 年時間不斷迭代走向成熟。

　　具體來說，負責概念、結(jié)構(gòu)與電芯工作原理的研究人員只能為電池技術(shù)的突破打下基礎(chǔ)，后續(xù)的研發(fā)、測試與量產(chǎn)還是要整個行業(yè)來推動。

　　類似特斯拉和松下這樣的廠商，必須先從實驗室拿到授權(quán)，隨后投入巨資解決量產(chǎn)問題，個中滋味，不足為外人道也。

　　鋰電池的工作原理

　　鋰電池由四個主要部件組成。

　　大家首先想到的肯定是正極（Cathode）和負極（Anode）了（注：這里所說的正負極對應(yīng)的是原電池的概念）。

　　其中正極材料主要是 NMC/LCA（三元材料）、LCO（鈷酸鋰）和 LFP（磷酸鐵鋰）等，而負極材料則是石墨和硅。

　　第三個部分則是正負極之間的隔膜（Separator），它由非常薄的塑料制作而成，可以防止正負極之間的電解液物理接觸。

　　除此之外，它還是電池的「防火墻」，如果出現(xiàn)過熱情況，就能阻斷反應(yīng)，防止電池著火或爆炸。

　　第四部分就是電解液（Electrolyte）了，這些液體可是易燃性的。

　　那么這 4 個部分是如何配合完成電池的充放電呢？

　　你可以將電極看做海綿，它會吸收并保存鋰離子。在電池虧電時，Li+ 會聚集在電池正極。

　　充電開始后，Li+ 則會向負極聚集，得到電子并被還原成 Li 鑲嵌在負極材料中。放電時鑲嵌在負極材料中的 Li 則會失去電子，重新向正極回流。

　　在整個過程中，隔膜不能阻擋鋰離子的循環(huán)移動，但卻要把電子擋在它們原有的地盤。

　　特斯拉現(xiàn)在用的就是這種電池，其體積與普通 AA 電池類似，封裝后做成電池組為車輛提供動力。

　　可惜，鋰電池技術(shù)已經(jīng)觸到了天花板，再加上其易燃易爆的特性，讓電動車廠商不敢再對其進行挖潛。

　　因此，盡快用上新的電池技術(shù)是勢在必行。

　　什么是固態(tài)電池

　　這種新技術(shù)以固態(tài)命名是因為它拋棄了電解液，轉(zhuǎn)而使用固態(tài)電解質(zhì)，而新的電解質(zhì)就是固態(tài)電池的核心。

　　除了干好自己的本職工作，固態(tài)電解質(zhì)還能一并扮演隔膜的角色。

　　在正極材料選擇上，高電壓型電極材料更為合適。至于固態(tài)電池的負極，則可以用到鋰金屬，以實現(xiàn)能量密度的大飛躍。

　　事實上，固態(tài)電池并不是什么新事物，其研發(fā)開始于上世紀五十年代，但最近幾年它們才因為電池革命的需要而走上前臺。

　　相比于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)電池有幾大優(yōu)勢：

• 安全性首當其沖；

• 其次，固態(tài)電池可以做的更加輕薄；

• 第三點最重要，即固態(tài)電池能量密度要高得多，它甚至能直接讓電動車續(xù)航里程翻番，而這是解決電動車續(xù)航焦慮最直接的辦法。

• 最后，生產(chǎn)制造的難度也會有所降低。

　　一般來說，動力電池系統(tǒng)需要先生產(chǎn)單體，單體封裝完成后將單體之間進行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進行串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負極短路與自放電。

　　固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體，可實現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了組裝殼體用料，封裝設(shè)計得以大幅簡化。

　　從理論上來講，量產(chǎn)電動車中最強的 21700 NCA 三元鋰電池電芯（特斯拉使用），其能量密度也只有 251 Wh/kg。

　　業(yè)內(nèi)人士認為，300 Wh/kg 將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。至于固態(tài)電池，其能量密度有望達到 400-1000 WH/kg。

　　顯然，固態(tài)電池將讓那些嫌棄電動車續(xù)航的用戶無話可說。此外，它的應(yīng)用還能拉低電池組甚至整車的成本——由于固態(tài)電池已經(jīng)沒有燃燒或爆炸之憂了，BMS 等溫控組件（這也是特斯拉的強項）可以徹底退役，無隔膜設(shè)計還能進一步為電池系統(tǒng)「減負」。

　　固態(tài)電池好是好，但想把這塊技術(shù)拼圖補全并不容易。

　　舉例來說，鋰離子在液體中穿梭遠比在固體中輕松得多，此外固態(tài)電池對溫度也更加挑剔。

　　說到固態(tài)電池，就不得不提 Braga Glass 這個詞。

　　2019 年年末，「鋰電之父」Goodenough 聯(lián)合克雷爾學(xué)院高級研究員 Maria Helena Braga 共同發(fā)布重磅論文《安全充電電池的替代方案》，他們研發(fā)的這款新電池擁有低成本、全固態(tài)、不易燃、長壽命、高能量密度、快速充放電，耐低溫等特性。

　　論文中還指出，新電池的電芯制造難度與成本都更低，能量密度更是現(xiàn)有鋰電池的 3 倍，可循環(huán)充放次數(shù)也更多。

　　2018 年 6 月，Braga 團隊又發(fā)表了名為《非傳統(tǒng)高壓長循環(huán)壽命安全充電電池》的第二篇論文。

　　不過，論文的發(fā)表不代表研究人員找到了什么突破口，Braga 團隊甚至遭到了許多業(yè)內(nèi)大牛的質(zhì)疑。

　　簡言之，Braga 的玻璃電池現(xiàn)在還是猶抱琵琶半遮面，第二篇論文中 2.3 萬次的充放循環(huán)、自充電等特性更是令人難以置信。再加上第一篇論文中提到的超高能量密度，如果這款玻璃電池能大規(guī)模量產(chǎn)，對電動車行業(yè)來說簡直是核武器一般的存在。

　　第一篇有關(guān)玻璃電池的論文發(fā)布一年后，Elon Musk 在電話會上也談到了這個問題：

　　「在我看來，如果你手上真有突破性的電池技術(shù)，可以寄給我們樣品。如果你不相信特斯拉，也可以到第三方實驗室進行驗證。要不然，還是閉嘴吧。有人還說自己能在銀河系玩瞬間轉(zhuǎn)移呢，但也沒見他們真的實現(xiàn)。」

　　時任特斯拉 CTO 的JB Straubel則指出，「我同意 Elon 的觀點，特斯拉接觸過很多家做固態(tài)電池的公司，甚至測試過多款原型產(chǎn)品，但從結(jié)果來看我們暫時還不會切換既定戰(zhàn)略。當然，如果真有人能取得電池技術(shù)突破，我們也會成為第一個投入應(yīng)用的公司。」

　　對于自己的新成果，Goodenough則表示，「我們計劃將固態(tài)電池技術(shù)授權(quán)給多家廠商，而不是讓某家廠商獨享。對大公司來說，制造一款全新電芯兩年時間就夠了，現(xiàn)在則有 50 多家公司對我們的技術(shù)感興趣，它們未來都可幫忙驗證。」

　　也就是說，即使松下和特斯拉能搶先落地固態(tài)電池，其他廠商也能盡快跟上。

　　顯然，這會損害特斯拉在業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先優(yōu)勢，甚至?xí)蔀槁裨崴鼈兊纳羁印?/p>

　　事實上，各家巨頭都或多或少投資了一些固態(tài)電池新創(chuàng)公司，期待著哪一天在技術(shù)上取得突破。

　　福特、寶馬與現(xiàn)代就聯(lián)合投資了名為 Solid Power 的新創(chuàng)公司。

　　本田則選擇與 NASA 噴氣推進實驗室及加州理工合作，試圖搞出將能量密度提升 10 倍的新產(chǎn)品（不過該項目依然在用電解液）。

　　通用方面，不但拿到了美國能源部的 200 萬美元獎勵，還攜手 LG 化學(xué)投資 2 億美元繼續(xù)開發(fā)非固態(tài)鋰電池，為旗下雪佛蘭 Bolt 電動車提供「彈藥」。

　　與福特建立同盟關(guān)系的大眾，則向美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司 QuantumScape 投資 1 億美元，不過它們的生產(chǎn)線 2025 年才能建成，至于大規(guī)模量產(chǎn)要到 2030 年了。

　　豐田走的最快，它準備趁著東京奧運會發(fā)布一款搭載固態(tài)電池的電動車。不過，量產(chǎn)恐怕要再等五六年。

　　除此之外，豐田還聯(lián)合本田、日產(chǎn)與松下搞了日本固態(tài)電池研發(fā)小聯(lián)盟，預(yù)計 2025 年能將電動車續(xù)航提升至 340 英里（約合 547 公里），2030 年則進一步增加到 500 英里（約合 804 公里）。有趣的是，松下曾表示固態(tài)電池未來十年內(nèi)都難以投入商用。

　　總而言之，業(yè)界普遍認為，固態(tài)電池真正落地時間會在 2025-2030 年之間。

　　特斯拉收購 Maxwell

　　2019 年 2 月，特斯拉以 2.18 億美元溢價收購電池技術(shù)公司 Maxwell。

　　這家公司不僅手握重要的干電極技術(shù)，就連 Musk 最近都表示，這項技術(shù)比大家想象中重要很多。

　　除此之外，Maxwell 的武器庫里還有超級電容技術(shù)。簡單理解，就是通過靜電方式存儲電能——這項技術(shù)在未來可能會成為特斯拉的定海神針。

　　要說 Maxwell 的干電極技術(shù)的最大不同所在，就不得不提傳統(tǒng)鋰電池制造時使用的含粘合劑材料的溶劑。

　　這種溶劑有毒，必須小心回收并進行純化后才能再利用。

　　此外，它還需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機配合。Maxwell 的干電極技術(shù)則徹底剔除了這種溶劑。

　　通過這項技術(shù)，Maxwell 不僅能將能量密度提升到 300 Wh/kg，還能讓電池壽命乘以 2。當然，對特斯拉最重要的還是降成本。

　　據(jù)悉，干電極技術(shù)能比傳統(tǒng)的濕電極技術(shù)節(jié)省 10-20 個百分點的成本，而且生產(chǎn)速度更快。除了免除有毒溶劑，干電極技術(shù)還可以剔除鈷這一原料，為環(huán)保貢獻一份力。

　　從現(xiàn)有信息來看，Maxwell 的干電極生產(chǎn)一共分為三步：

• 第一步，電極粉末的混合;

• 第二步，用擠壓機將粉末擠成電極材料帶;

• 最后壓在金屬箔集電體上產(chǎn)出干電極。

　　Maxwell 的干電極技術(shù)研發(fā)始于 2011 年，10 年的時間相信這項技術(shù)已經(jīng)離正式商用不遠了。

　　如果再加上特斯拉今年才收購的 Hibar System，就更加如虎添翼了。事實上，這家新收購的公司并不是做電池的，它的絕活是泵系統(tǒng)，能將電解液加注到電池內(nèi)。

　　當然，大家千萬別將 Maxwell 的干電極技術(shù)與固態(tài)電池混為一談，特斯拉當下依然專注傳統(tǒng)鋰電池，但會借助 Jeff Dahn 的技術(shù)為電池加入兩種新的混合物，將正極材料升級為鋰鎳猛鈷化合物，而負極則會用上自然或人工石墨。

　　簡言之，今年的電池日上，特斯拉可能會對手上的新技術(shù)進行一次大整合，將 Maxwell 的干電極技術(shù)，Hibar 的泵系統(tǒng)和 Jeff Dahn 的電化學(xué)技術(shù)串在一個鏈條上。

　　如果真如 Maxwell 所言，自家技術(shù)未來能將傳統(tǒng)鋰電池的能量密度推高至 500 Wh/kg，恐怕短期內(nèi)特斯拉不會碰固態(tài)電池。

　　當然，特斯拉才不會把雞蛋放在一個籃子里，Maxwell 的技術(shù)同樣也可用在固態(tài)電池上。

　　不出意外的話，在今年 4 月舉辦的電池日上，特斯拉不但會大談特談新的電化學(xué)技術(shù)，還會帶來新的電池模組架構(gòu)及通向 1TWh 電池年產(chǎn)量的清晰路線圖。

　　敬請期待吧。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的剧透特斯拉电池日，马斯克会拿出什么杀手锏？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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