百萬英里電池即將面世

Sora

鋰離子研究者之一、物理學家杰夫·達恩

2018年4月，埃隆·馬斯克保證，特斯拉很快就可以讓電動汽車電池的使用壽命超過100萬英里。在那時，這句話聽起來簡直夸張過頭—比特斯拉車主對現(xiàn)有電池的期待壽命多一倍，而現(xiàn)有的特斯拉電池使用壽命，也已經(jīng)超過大多數(shù)電動汽車的電池了。

最近，與特斯拉簽有獨家協(xié)議的達爾豪斯大學電池研究人員小組，在《電化學學會雜志》上發(fā)表了一篇論文，描述了一種鋰離子電池“應該能夠為電動汽車供電超過100萬英里”，而在其生命周期內(nèi)，損失的電池容量不到10%。

秘密醬料

達爾豪斯大學的電池研究小組，由世界上最重要的鋰離子研究者之一、物理學家杰夫·達恩領導。他們的研究成果表明，這種電池性能明顯優(yōu)于以前發(fā)布的任何同類鋰離子電池。研究人員指出，他們的電池對于特斯拉正開發(fā)的自動駕駛出租車和長途電動卡車來說，特別有用。

有趣的是，論文作者們并沒有急著宣稱自己的“突破”，反而愿意與其他研究者分享這一成果。

達恩和他的同事在論文中寫道：“我們已經(jīng)提供了這些電池的全部細節(jié)，包括電極成分、電極負載、電解質(zhì)成分、所用的添加劑等等。這樣做是為了讓其他人可以重新創(chuàng)建這些模塊，并把它們當成研發(fā)工作的基準。”

在電動汽車行業(yè)中，電池是受到嚴格保護的秘密。那么，為什么達恩的研究團隊與特斯拉簽署了獨家合作協(xié)議，卻公開了這種看似獨一無二的電池的配方呢？達恩團隊的一位前成員稱，可能的答案是特斯拉已經(jīng)至少有一種專有的電池化學成分，其性能優(yōu)于基準測試論文中的描述。實際上，在該論文發(fā)表后不久，特斯拉就獲得了一項鋰離子電池的專利，該專利與論文中所描述的鋰離子電池極為相似。拒絕對本文發(fā)表評論的達恩，被列為其發(fā)明者之一。

論文中描述的鋰離子電池，使用鋰鎳錳鈷氧化物NMC作為電池的正極（陰極），使用人造石墨作為負極（陽極）。在電極端子之間傳送鋰離子的電解質(zhì)，則由與其他化合物混合的鋰鹽組成。

眾所周知，NMC/石墨化學物質(zhì)會增加鋰離子電池的能量密度和壽命。幾乎所有的電動汽車，包括日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭Bolt，都在其電池中使用了NMC化學物質(zhì)，但特別的是，特斯拉并沒有使用這種物質(zhì)。

就算是論文中所述的那些材料，在業(yè)界也是眾所周知的。沒有參與這項研究的斯堪尼亞集團鋰離子電池專家馬特·萊西說：“換句話說，秘密醬料中沒有秘密！”

壽命更長

達恩的團隊通過大量優(yōu)化“眾所周知”的成分，并調(diào)整電池正極的納米結構，實現(xiàn)了巨大的性能提升。

該電池并沒有使用許多較小的NMC晶體作為陰極，而是依靠較大的晶體。馬琳，這位在開發(fā)陰極設計方面起了重要作用的達恩實驗室前博士研究生說，這種“單晶”納米結構在電池充電時，不太可能產(chǎn)生裂紋。一般來說，陽極材料中的裂紋，正是導致電池壽命和性能下降的元兇。

在與特斯拉的合作中，達恩團隊承擔了創(chuàng)造鋰離子電池的任務。該鋰離子電池與市售電池相比，可以存儲更多的能量，并且使用壽命更長。在電動汽車中，這些指標可轉換為一次充電可以行駛多遠，以及在電池停止工作之前可以從電池中釋放多少電荷。

一般而言，在能量密度和電池壽命之間需要權衡取舍。如果想獲得其中一樣，那么另一樣就勢必減少。達恩的小組，負責克服這一看似不可能的任務—打破這種平衡。

鋰離子電池的能量密度，是特斯拉Model 3等消費類電動汽車最重要的品質(zhì)之一。消費者希望一次充電就能行駛很長一段距離。特斯拉的新車型，每次充電最多可以行駛370英里，這遠遠超出了其他公司的電動汽車行駛范圍。

實際上，根據(jù)美國人的通勤情況，達恩估計，大多數(shù)電動汽車車主每天只使用約1/4的電量。但是，要打造一支自動駕駛機械車隊或長途電動卡車帝國，特斯拉將會需要一個能夠每天處理“完整充放電周期”的電池。

百萬英里

長途電動卡車和自動駕駛出租車的日常行駛里程，將比普通通勤者更多。這就是為什么馬斯克想要使用壽命達100萬英里的電池。

馬斯克提出需求，達恩完成了任務。正如達恩和他的團隊在其基準測試論文中所詳述的那樣，“不再需要在能量密度和使用壽命之間進行權衡”。該小組測試的電池，可以充放電4000次以上，并且只損失其總容量的10%。作為比較，2014年的一篇論文顯示，類似的鋰離子電池僅經(jīng)過1000次循環(huán)，便損失了一半的容量。

密歇根大學能源研究所電池實驗室的技術主管格雷格·萊斯說：“4000次循環(huán)確實令人印象深刻。使用可充放電4000個循環(huán)的電池，100萬英里的行駛范圍可以輕松完成。”

在基準測試論文發(fā)布幾天后，特斯拉和達恩獲得了一項專利，該專利描述了一種單晶鋰離子電池，該電池幾乎與論文中描述的電池相同。獲得專利的電池，包括一種名為ODTO的電解質(zhì)添加劑，該專利聲稱可以“提高鋰離子電池的性能和壽命，同時降低成本”。

尚不確定，專利中描述的電池是否是馬斯克表示明年將投產(chǎn)的百萬英里電池，但可以肯定的是，特斯拉的專有電池性能會更好。

加州大學圣地亞哥分校能源存儲與轉換實驗室的雪麗·孟說，許多電動汽車公司正在追求比達恩的論文和專利所描述的電池鎳含量更高的電池，以便提高電池的能量密度。孟說，下一步是將那些高密度電池的設計，與電解質(zhì)和添加劑的高性能混合物相結合。

無論最終在特斯拉的巨型工廠投產(chǎn)的電池是什么，都有明顯的跡象表明：100萬英里壽命的電池很快就會到來。