特斯拉生产平价电动汽车的计划似乎总是指向内华达州的里诺市,该公司正在这里兴建价值50亿美元的超级电池厂,它的目标是在2017年底前获得足够的产能,以便将锂离子电池组的每千瓦时成本削减30%以上。
许多公司都表示要降低电池价格并提高容量,并且正在确立相应的概念。特斯拉的最终目标是推出比Model S豪华电动汽车便宜一半的产品。实际情况表明,该公司有好几条路可走。
特斯拉的最新方向是硅。不是硅谷,而是硅这种材料,它正在改变电池的生产方式。上周五,特斯拉展示了新的90千瓦时电池组,这种升级产品的容量提高了5%,可以让特斯拉的电动汽车多行驶15英里(约24公里)左右。虽然外观可能没有变化,但它使用了硅,这是锂离子电池技术的一个进步。
上周,特斯拉首席执行官埃隆·穆斯克在电话里告诉记者,该公司对电池进行了改进,具体方法是在阳极中使用了一些硅材料,进而改变了电池的化学反应过程。
穆斯克说:“我们的方向是用硅来做阳极,以上做法只是迈出一小步。我们用的主要材料仍是人造石墨,但我们会慢慢地在阳极中加入越来越多的硅。”
对外行来说,这听起来也许跟镜面加工很像。而实际上,这样做有可能让电池变得更好、更廉价;对特斯拉(和其他电池制造商)来说,它既重要又难度极大。加拿大新斯科舍省戴尔豪西大学锂离子电池首席研究员杰夫·达恩教授最近和特斯拉签订了为期五年的独家合作协议。他说:“电池厂商正在争相提高电池中的硅含量。在全球锂离子电池领域,正在进行硅课题攻关的研究人员不计其数。许多学术界和实业界人士也在非常努力地钻研这个问题。”
锂离子电池小科普
电池有两端,一端是阳极,另一端是阴极,二者之间是电解液。在充电和放电过程中,离子通过电解液在两极之间移动。
商用锂离子电池的阳极一般由石墨制成。如果用硅制作阳极,其单位体积锂离子容量可达到前者的10倍左右。理论上,如果用硅大量取代石墨,石墨阴极就可能变细,从而扩大容纳活性材料的空间。这样就可以提高电池的能量密度,也就是单位体积能量存储能力。
换句话说就是,尺寸不变,能量增多。同时,在锂离子电池中,硅的质量不需要像太阳能电池或集成电路中那么高,这就意味着价格较低。电池中的硅越多,就越容易降低成本。
这就是所有电池厂商的目标——提高产品质量,降低成本。
听起来很容易吧?但达恩说,难得很。达恩正在3M或者加拿大自然科学与工程研究理事会资助的一个项目中,这个项目就是要开发持续时间更长、成本更低的锂离子电池。完成了3M的研究项目后,达恩将从2016年6月开始和特斯拉进行独家合作。
把锂和硅放在一起的难点在于,最终出现的原子数量几乎是初期的五倍,而这会带来各种各样的问题。
参加聚会的电极颗粒
达恩解释说,大家可以把电池电极想象成一个房间,电极中的大量颗粒就像在房间里聚会的人。如果这些人都突然变得很胖,房间里就装不下那么多人了。
他说:“如果大家都挤了进去,然后他们都变得有400磅重,那就会带来大麻烦。”
用硅制作所有电极颗粒就会出现这样的情景。但如果房间里只有一些人变胖,问题就不那么大,大家可以挪动一下,给胖人留下足够的空间。
达恩指出:“最初只添加少量硅的原因就在这里。”
但使用硅材料的问题还不止于此。我们还用上面的比喻来解释,大家可以想象一下,这些胖人(或者说较大的电极颗粒)在充电时变瘦,放电时再次变胖。其体积的大幅变化会引发另一个问题。所有硅电极颗粒都浸泡在电解液中,当它们变大时,就会不断拉伸包裹着它们的保护膜;当它们缩小时,保护膜则有可能脱落,这可能影响到电池的使用寿命。
达恩说,这种情况意味着用的硅越多,电池的寿命就越难保证。
这就是目前电池厂商和研究人员的处境。
达恩说:“眼下只能加一点点硅,就像洒魔粉那样,这样的量还可以接受。几年后,硅会用得越来越多。这是件好事,因为它意味着这些产品会越变越好。”
达恩的研究团队打算既提高锂离子电池的能源密度,又延长它的使用寿命。这或许有助于降低电动汽车和电网能源存储的成本。但正在这么做的不光是他们。达恩指出:“世界上有好些公司都在往阴极里添加硅。不仅仅是为特斯拉提供电池的松下,三星和其他一些公司也在这样做。”
萨姆·杰斐曾在清洁能源研究和分析机构Navigant Research长期从事分析工作,现在他是初创公司Cygnus Energy Storage的首席执行官。他认为,目前大多数电池中的硅含量都非常低,包括消费电子产品使用的电池。
问题在于特斯拉用了多少硅。杰斐说,业界标准是硅占电池原材料的1-3%。他认为特斯拉已经找到了提高硅含量的办法。
他指出:“特斯拉已经显著改变了电池的能源密度,而且公开宣称是硅让他们做到了这一点,这让我觉得他们在提高电池硅含量方面已经取得了进展。当然,现在这只是猜测。”
Model X和作为供应商的特斯拉
车辆估值及汽车市场研究机构Kelley Blue Book高级分析师卡尔?布劳尔对《财富》杂志表示:“所有业内人士都有很大的动力来不断改进电池技术。这当然是特斯拉的命根子。”
他说,特斯拉的Model X SUV备受期待,为此该公司必须提高电池容量。这是因为Model X较重,不提高电池容量的话,行驶里程就会缩短。
布劳尔认为,特斯拉把精力集中在电池技术上不光是为了做出更好的汽车,它还想转型为供应商。
许多公司都预计价格更低、性能更好的锂离子电池将投入使用,并且争相把这项技术用于民用和商用电网中。上述举措有可能让特斯拉成为这个新兴革命性能源行业中的领跑者。
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