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揭特斯拉電池的秘密:要怎么樣新增電量

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1096次  |  2021年08月08日  

近日,特斯拉的100kWh車型已經(jīng)通過了歐盟認(rèn)證機(jī)構(gòu)RDW的評估。這意味,ModelS/X100D車型即將問世!其續(xù)航里程理論值將達(dá)到613km(基于NEDC標(biāo)準(zhǔn))。


按照歐盟規(guī)定,在歐盟成員國上市銷售的車型,都非得經(jīng)過其授權(quán)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司,經(jīng)其認(rèn)證后即可獲得在歐盟銷售的許可。我們來探究下,這個100kWh是要怎么樣做到的?


ElonMusk曾經(jīng)說過,特斯拉的續(xù)航(電量)要以每年5%的速度新增。從當(dāng)前電池包的迭代情況來看,這個目標(biāo)基本實現(xiàn)。除作為入門級配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分別升級為75kWh和90kWh。


不久之后,100kWh和120kWh的電池包也將進(jìn)入選配清單。目前,60kWh依然作為一個乞丐版配置存在,以促使特斯拉的銷量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是要怎么樣各新增5kWh電量的。


有一點(diǎn)可以肯定,那就是電池包電量新增過程中,其電池包的結(jié)構(gòu)是沒有改變的。內(nèi)部電池組(batteryModule)的數(shù)量也并未發(fā)生改變。我們先來簡單了解下特斯拉電池包的內(nèi)部構(gòu)造。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

60kWh內(nèi)部有14個電池組,每個電池組內(nèi)含384個電芯,共計有5376個電芯組成;85kWh由16各電池組組成,每個電池組內(nèi)含444個電芯,共計7102個電芯組成。


后來加入的70kWh,實際上是一個75kWh電池包,經(jīng)過軟件限制而來的。多余的5kWh,最初被當(dāng)做一個價值3000美元的選裝包供應(yīng)給車主。只要通過OTA軟件更新,70D就可以變?yōu)?5D。


那么問題來了,75kWh電池包是怎么來的?有關(guān)這個問題,特斯拉官方并沒有做出技術(shù)解釋。依據(jù)作者的判斷,75kWh其實是85kWh電池包,減少2個電池組而來的。在85kWh電池中,每個電池組的容量是5.3kWh,14個這樣的電池組就是74.2kWh。


這就是70kWh、75kWh,以及85kWh之間的關(guān)系。至于60kWh,這只是一個為了降低準(zhǔn)入門檻而設(shè)置的配置而已。那么,90kWh又是怎么來的呢?


從85kWh到90kWh,多了5kWh。是多加了一個電池組嗎?在85kWh的電池包結(jié)構(gòu)中,已經(jīng)無法再重疊電池組。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當(dāng)然,其采用的仍舊是18650型號的電芯,只不過化學(xué)材料有所調(diào)整,新增了能量密度。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

在這道工序中,特斯拉將電芯的石墨陽極中,添加了少量的硅,從而提升了電芯的能量密度。


在陽極中加入硅,已是電池范疇公認(rèn)的可以提升能量密度的方法。為戒備不斷重疊電池組,而造成的電池包質(zhì)量過大,特斯拉接下來只能把重點(diǎn)放在研發(fā)高能量密度的電芯上。然而,有關(guān)三元鋰離子電池來說,要想通過硅來新增能量密度,遠(yuǎn)沒有那么簡單。


其基本原理是:在石墨陽極中加入硅后,由于硅原子的結(jié)構(gòu)相比石墨能夠容納更多的鋰離子,導(dǎo)致陽極對鋰離子的吸納能力加強(qiáng)。單次充放電循環(huán)中,陽極鋰離子越多,能量密度也就越大。


然而,硅在充足吸納鋰離子后,其體積會膨脹300%,比石墨吸納鋰離子后的膨脹率7%要大很多。這種反復(fù)的體積變化,會造成固態(tài)電極變得松軟,容易崩離。以此,電池的循環(huán)壽命就會降低。


另外一層因素,是硅陽極由于充放電時的膨脹/伸縮特性,會破壞鋰離子電池電解質(zhì)SEI膜的形成。這個膜是在鋰離子電池初次循環(huán)時所形成的,有關(guān)陽極材料有保護(hù)用途,可以戒備材料結(jié)構(gòu)崩塌。


基于上述原由,采用硅材料做陽極,雖然能量密度可以顯著提升,但也伴隨著副用途,最終會導(dǎo)致電池壽命縮短。所以,特斯拉采取的辦法是,逐步在石墨陽極中添加少量的硅,在能量密度和循環(huán)壽命中尋找平衡點(diǎn)。


眾所周知,特斯拉采用的18650電池是由松下加工的。隨著雙方合作加深,特斯拉也在研發(fā)新的圓柱形電池。在Model3正式投產(chǎn)后,新型21700電池將取代18650,成為新的電芯。


21700電池仍舊是三元鋰離子電池,陰極材料是鎳鈷鋁酸鋰(NCA)。這種圓柱形三元電池,是目前能量密度最高的動力鋰離子電池處理辦法。相比方塊形電池,此類電池雖然能量密度高,但穩(wěn)定性較差,要有較為出色的bMS(電池管理系統(tǒng))支持。


特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh電池包采用的是NCR18650b型電池,額定電壓3.6V,容量3.1Ah。


90kWh的電池型號不得而知,但應(yīng)當(dāng)不是筆直由松下供應(yīng)成品,而是特斯拉與松下共同研發(fā),專供特斯拉車型的定制化電芯。目前,松下加工的18650電池中,NCR18650G型是容量最高的型號,達(dá)到了3.6Ah。倘若按照這個計算的話,85kWh電池包中的7102顆電芯,替換為G型電池,正好是90kWh。


所以,有一種可能性就是90kWh電池包中,電芯是NCR18650G型;而85kWh電池包中,電芯是NCR18650b型??傊陔娦緮?shù)量不變(電池包結(jié)構(gòu)不變)的情況下,惟有把單個電芯的容量提升至3.6Ah,才能確保90kWh的電量。


而要實現(xiàn)100kWh,有2個辦法:一是再重疊2個電池組,按照每個電池組5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替換能量密度更高的電芯。作者認(rèn)為,后者是最佳,也是最有可能的一個辦法。


因為90kWh是基于85kWh的電池包結(jié)構(gòu)而來的。這個結(jié)構(gòu)在18650電池規(guī)格下,已經(jīng)定型,更改其設(shè)計結(jié)構(gòu)的成本是很高的。事實上,電池包中已經(jīng)沒有空間再重疊更多的電池組了。


倘若新增電池組,不但電池包質(zhì)量會新增,電池包的冷卻循環(huán)系統(tǒng)都要改動。所以,提升電芯容量,才是最經(jīng)濟(jì)可行的辦法。


試想,在100kWh的電池包中,不改動電池包結(jié)構(gòu)的情況下,單個電芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能實現(xiàn)100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已經(jīng)與松下研發(fā)出了3.9Ah的18650電芯。這一功勞只能歸功于陽極中的硅。


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