特斯拉电池黑科技：百万英里的电池寿命布局储能“大计”

这已经是我们对特斯拉电池日的第三次前瞻文章了，不可抗力的疫情让这场堪比汽车界苹果发布会的焦点之战一再跳票。伴随时间推移，海外媒体的一次次“剧透”，让人一度有了“狼来了”之感，但你品、你细品，这个理念、技术以及动作只要不超前就算人设崩塌的品牌，怎么可能让特斯拉的拥趸们失望呢？于是，结合特斯拉此前放出的信号，以及海外媒体给出的蛛丝马迹，咱们就先来一波大胆的猜测，在特斯拉电池日正式“引爆”之前先睹为快。[・百万英里电池寿命：不让电池变炸弹・]特斯拉电池最先曝光和被提及最多的黑科技，当属“百万英里的电池寿命”：三元锂材料的电池寿命普遍在1000次（800-1200次）完整循环上下徘徊时，特斯拉的百万英里电池能达到3000次以上，实验中最高的一组更是超过了5000次。这种寿命成倍的增长绝对是超前，但对于消费者来说太超前了，没有普通用户在换车之前能把车开到100万英里（约160万公里），就算是营运车辆也难以企及。这么看特斯拉这款产品岂不是没有了用武之地了？那不能够，这是特斯拉电池梯次利用、储能“大计”的关键。特斯拉电池储能系统目前，特斯拉已在美国本土的60个超充站布局了电池储能系统（Powerpack），每套设备包含了16个电池仓、温控，以及监控+收集数据智能的模块。这个产品未来将不仅用于超充站的储能，还可以卖给工厂、大型酒店、商圈。特斯拉电池储能系统这种将电池作为电网与充电桩之间的“中间商”的方式有两大好处。第一，可以减小充电站所需求的增容量、或者说降低配电的门槛，从而节省建设的资金投入。第二，也是省钱，省的是用电高峰时段的电费，减少在用电高峰时段对电网的依赖。这方面与蔚来、奥动的换电站，夜间谷时电价充电、给第二天白天“备货”的模式异曲同工。以特斯拉的超充站基数来看，这套从建设和用电两大成本支出端下手的电池储能系统，可省下来的钱数绝对是以“亿美元”为单位的。为确保安全特斯拉电池储能系统配备了水冷循环但问题也随之而来，以降低成本为核心的电池储能系统，用新电池自然是有悖于初衷的。而16个仓位梯次利用的老电池堆叠在一起，稍有变故那可能就是比C4爆炸还劲爆的场面，即便是现阶段的电池储能系统是交流（慢充）的能源存储系统，也难以规避电池变炸弹的风险。当然，除了最重要的安全问题，百万英里寿命电池本身的性能也非常重要。特斯拉肯定是不愿意看到“今年装备的带电池储能系统，明年就衰减得容量大幅缩水了”。频繁换电池那还省什么钱呀。[・再次超前 回应去模组的“饼干桶”圆柱电芯来了・]圆柱电芯成组必是规则几何形状，只能完美匹配平整底盘（电动车专属平台）的问题，特斯拉倒是不用考虑，但圆柱本身空间利用率的先天不足，会影响到电池Pack的能量密度上限，着实是愁坏了特斯拉。从18650到21700的升级，正是因为圆柱体积增加带来了寿命、热损耗的难题，才让此前的这波改变并没有大跨步的超前。虽说也是引领了一波圆柱电芯的行业集体升级，却导致特斯拉此前在现有化学体系下，单看电池内部结构的空间利用率，要逊色于宁德时代CTP（去模组）、比亚迪刀片电池一筹。如今，百万英里电池的成果初现，特斯拉无需真的达到“百万”级别，只要有足够的提升，就能给特斯拉改变电池结构足够的底气。事实上，特斯拉真的这么做了：日前，海外媒体曝光了特斯拉尺寸更大的圆柱电芯，因造型像“饼干桶”而得名，其体积在现有21700（直径21mm、高70mm）电芯基础上，带来了继续的“膨胀”。海外媒体曝光特斯拉新型“饼干桶”圆柱电芯电池最小结构单元的体积和容量的颠覆式改变，带来了一系列的连锁反应：电芯能量密度增加-数量减少-电池内部结构简化-连接件及保险的数量减少-成本大幅降低，到这里，车辆性能逐步提升、车价进一步降低的愿景，似乎现在就已经是一个真命题了。9月17日马斯克在社交媒体用到“疯狂”这个关键词正如前文所言，特斯拉这个不超前就算人设崩塌的品牌，受到了挑战必然会有所回应。电池内部结构不够超前的回应来了，下一步应该就是因3电机版的Model S(参数|图片)没有量产、公开销售，被保时捷Taycan(参数|图片)抢走的“最速量产电动车”了。[・超级电容的“物尽其用”与“后来居上”・]电池内部的空间利用率算是直观的“量变”，电化学体系才是深层次的“质变”……2019年初特斯拉以溢价55%的2.18亿美元收购Maxwell，就为引入后者全球领先的超级电容技术埋下了伏笔。如今再次提及算得上老生常谈了，而一次次的拿出来说，都没见到除特斯拉之外的任何一家电池企业或车企在这方面给出计划，足见这项技术大规模应用（技术与成本）的难度，特斯拉的超前之说由此可见一斑。超级电容被认为是第三代储能装备，是继电网、UPS不间断电源的第一代机械储能，电池的第二代化学储能之后，极具前景的前瞻技术。其优缺点都十分突出：在充放电速度、循环性能以及安全性方面，远超所有材料的锂电池，但能量密度仅为锂电池的10%左右。所以超级电容+锂电池取长补短的路线相当明朗：超级电容负责能量回收（制动、滑行等）、急加速和减速等电池无法“照单全收”的实际工况，电池负责能量储备，二者各司其职、物尽其用，达到高效率、高性能，与通过提升耐用性来延长电池寿命的目标。原理看似简单却没有企业开发，很多人将决定性因素归结于Maxwell，毕竟特斯拉本身是没有相关技术储备的，实则不然。全球领先的电容研发与生产企业除了Maxwell，如村田（MUEATA）、TDK等都集中在日本，马自达更是最早将电容用在发动机自动启停i-Stop系统的车企，5年前，笔者2014年首次试驾第一批阿特兹(参数|图片)时就被圈粉了。在北京的西二环走走停停的路况，稍微充上一点电就能启用的高效、通过本身特性+放电精细控制带来的平顺性，充分的展示了电容相比12V电瓶的优势。马自达阿特兹以电容为储能设备的自动启停然后就没有然后了，直到特斯拉将电容这个被看好的第三代储能设备推到台前，反而让人们以为特斯拉就是这方面尝鲜的。由此形成了强烈的反差：即日系车企在电动化方面的裹足不前，特斯拉贯穿品牌始末的敢想敢干。[・干电极+预锂化：能量密度最高500Wh/kg 直接原地翻倍・]如果说电容+电池两代储能之间的结合，是对现有技术的继续压榨，那么Maxwell深耕了6年之久的干电极，以及以此衍生出来的预锂化技术，算是半固态电池都摇摇无期之时的一个阶段性突破。划分电池内部的导电媒介：有现阶段的液态电解液，终极目标的固态电解质，以及介于二者之间的半固态。而干电极是介于液态和半固体之间的另一种形态，用少量(约5-8%)细粉状粘合剂(PTFE)，与电极的金属箔通过压片机结合在一起，令其形成咀嚼过的口香糖形态，最终形成一体的电极材料薄膜。虽然这项技术的本质，并不是在电解液上做文章，但也算是一种“曲线救国”，通过材料的一次小的突破，实现了固态电解质效果的一部分。简单来说就是，换了个切入角度，让液态电解液朝着“固化”迈出了一小步，最终达到提升电池活性与能量密度的目的。有了干电极做铺垫，从中衍生出的预锂化技术的优势也就随之呈现出来了。不做预锂化的电力电池，制造出来首次充放电负极与的电解液发生反应会形成SEI膜，使得电池总容量缩水。有了预锂化就能让这部分损失“可逆”，提升交付给车主的电池能量密度。今年4月份刊登在能源期刊Joule上的论文显示：特斯拉的预锂化技术可提升其现有电池20%的能量密度，使用该技术的新型电池能量密度可达300Wh/kg，继续发展的上限能接近500Wh/kg，相比现在电池Pack（非成组装车）的最高水平直接翻倍。能源期刊Joule 论文配图：基于干电极的预锂化原理示意图而同样是预锂化技术，笔者此前与国内两家行业领先电池企业的研发人员进行过沟通。他们也在推进这项技术，只是效果相距甚远：现阶段的提升比例还很难突破到两位数的百分点，即最多也就在10%以下，尚无法平衡收益与成本投入的性价比问题。情况就是这么个情况，特斯拉往电池内加嚼过的“口香糖”，这么一个说起来简单（做起来很难）的操作，就超了专攻电池的龙头企业一倍多，也难怪会有“特斯拉威胁到了领先的电池企业”之说。[・不少人玩成本高的石墨烯 特斯拉玩“难度大”的硅碳负极・]现阶段锂电池的负极材料均为碳类物质，汽车的动力电池主要是石墨，其储能和释放能量的职能太关键了，这项材料的突破将直接决定能量密度，以及电池的体积比容量。相比前文4个根据蛛丝马迹而来的猜想，特斯拉开发硅碳负极材料这件事，一直没有放出更多消息，海外的相关论文也都只提技术、没有商业化方面的大胆预测。特斯拉电池日预告图的背景“剧透”了硅纳米线技术而可以肯定的是，特斯拉已经确定了将重心偏向技术难度更大硅纳米线结构，而非可与黄金价格相提并论的石墨烯（非高纯度、导电用的石墨烯价格在每克200-300元人民币区间浮动）。这倒也符合特斯拉看重成本的一贯风格，与坚持不使用高成本激光雷达的做法异曲同工。两种材料方案都能解决大问题，玩家的选择却存在差异：先说硅碳负极，特斯拉的方案海外媒体更倾向于硅纳米线技术，因为这方面技术储备深厚的Amprius公司，就在特斯拉美国加州的弗里蒙特工厂附近。这种单晶硅与碳类物质复合在一起的负极材料，能让电池的能量密度提升50%以上，而且要比单晶正极材料的技术难度低，更容易在特斯拉400Wh/kg能量密度目标中提供助力。《化学工程》杂志关于Si / C @ NGs（硅碳）复合材料论文配图硅碳负极的难点在于技术层面，硅体积变化率大、容易发生断裂，包括特斯拉硅纳米线技术在内的所有硅碳复合材料，都面临着让硅“听话”的技术难题。再看石墨烯负极，前日广汽集团刚刚成立了研发与制造石墨烯材料的新公司巨湾技研，主攻3DG石墨烯制备技术，力求将这项材料的成本降低到可商业化水平，争取早日将让高能量密度、充电快、长寿命、重量轻的先天优势“装车”。石墨烯的核心难点就是成本。现阶段研发石墨烯的企业、机构很多，但利用其电子性能（导电）的实际产品尚且没有。集成在小米10手机中板上的石墨烯是发挥了导热性能好；中科院宁波材料所制造的护目镜，是利用石墨烯的光学特性（高透光率、不起雾），今年支援了一批给抗疫前线的医护人员。小米10手机内部拆解图[・写在最后・]在特斯拉电池日延期的这段时间里，官方的动作以及海外媒体的“剧透”，确实让这场发布会失去了一些神秘感，但这是特斯拉呀，一个不超前就算人设崩塌的品牌，从不缺“爆点”，并且已无数次让人惊叹。