車輛報廢也不用換電池,特斯拉成功申請 4,000 次充放電和 160 萬公里電池專利

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 06 日 8:30 | 分類 交通運輸 , 汽車科技 , 電動車 Telegram share ! follow us in feedly


近日,外媒報導特斯拉 CEO 馬斯克(Elon Musk)希望將電動汽車電池的使用壽命延長到 160 萬公里,該公司提交的新專利證實特斯拉正在加速朝這個目標邁進。

該項新專利描述新的電池鋰化製造過程中採用的鎳鈷鋁(NCA)電極合成方法與製程,新製程能夠極大提升電池壽命,同時還能降低電池製造成本。

特斯拉為該項新技術申請美國專利和國際專利,有消息指出,特斯拉公司已經透過加拿大特斯拉分公司,就該電池技術申請國際專利。

特斯拉研發超長壽命電池不是祕密

這次特斯拉電池新專利的曝光,從 2019 年就有消息透露特斯拉正在研發超長使用壽命電池。

2019 年,特斯拉的電池研究方向合作商 JeffDahn 發表一篇關於電池的新論文,論文中提到正在與特斯拉合作開發的電池使用里程超過 160 萬公里,新電池在攝氏零下 40 度的極端溫度下能持續進行 4,000 次充放電循環。

同樣是在 2019 年,特斯拉在電池領域動作頻頻,宣布 2.18 億美元以溢價 55% 收購 Maxwell 電池公司、自建電池祕密研究中心和高校合作研究新電池技術等。

這次,特斯拉提交的新專利名為「鎳鈷鋁(NCA)電極合成方法」,描述了電池生產當中新的高效新電極合成方法,被稱為鎳鈷鋁電極加熱製程。

以前的加熱方法有時會導致名為鋰基板(L15AIO4)的雜質形成,而降低電池中的鋰含量,雖然可以減少污染,但也會導致電化學性能較差。

針對這種現象,新專利中提到,電池將被加熱到足以使單晶生長的溫度。修正後的鋰與其他金屬的比例,將限制第一次加熱過程中雜質形成。鋰將在低於第一個加熱週期的溫度下,進行第二次加熱。

參與該專利的研究人員指出,這一過程有助於開發無雜質的單晶 NCA,使電池可以達到 4,000 多次充放電循環,進而使電池使用壽命高達 160 萬公里。

現階段,特斯拉車型所使用的電池壽命遠遠達不到 160 萬公里,其實車輛設計之初就已經考慮到 160 萬公里使用目標,目前車身結構、電驅系統及電子系統壽命都可以做到,但電池無疑是短板。當前特斯拉動力電池壽命只有 50 萬公里左右。

屆時特斯拉的 160 萬公里使用壽命電池問世,對車用電池行業絕對是一次革命式創新,絕對是非常偉大成就。

目前許多車型上三元鋰電池充放次數大概在 1,000 次左右,最耐用的磷酸鐵鋰電池也僅在 2,000 次左右充放次數;待未來充放次數可以達到 4,000 多次的特斯拉新電池問世後,毫無疑問具有壓倒性優勢。

不過這個新款電池搭載到了特斯拉各個車型上,也不代表這輛車就能開到 160 萬公里,因為汽車使用壽命取決於很多因素,與車零組件品質、製造和車輛製程都有很大關係。

內燃機汽車從誕生到使用已經一百多年,生活中行駛里程在 100 萬公里以上並不多見。

內燃機技術目前已經非常成熟,生產成本也比較低,可維修性很強。電動車電池一旦出現問題需要更換,成本不僅昂貴且維修難度也非常大,開發長續航電池是急需解決的問題,而研發超長使用壽命電池也是大的行業趨勢。

中國新能源汽車兩種主流電池

目前,中國新能源汽車領域使用最多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池這兩種類型電池。

酸磷鐵鋰電池

這是用酸磷鐵鋰為正極材料的鋰離子電池(鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰等)。

  • 優勢:造價低、便宜;安全穩定,耐高溫、不易燃。穩定性是目前車用車用電池中最好的,前文提到兩千次左右充放次數也是目前電池種類中最高的。
  • 劣勢:能量密度較三元鋰電池、鈷酸鋰電池仍有不小的差距。體積大、較重,裝車時會占用車內大量空間,並迫使整車重量的增加。溫度過低的情況下,會嚴重影響使用壽命。

三元鋰電池

這是指正極材料為鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池。

  • 優勢:體積小,能量密度高,存電能力強(高階電動車首選電池方案),能較好適應寒冷天氣,低溫時充放電,電池更加穩定。
  • 劣勢:循環使用壽命低,對車輛使用是一種成本提升;成本較高(雖然經過這兩年提升三元鋰電池規模,製造成本已經大幅下降,對售價低車型仍然屬於售價偏高);穩定性差,三元鋰電能量密度比高,安全穩定性必然比酸磷鐵鋰電池低(並且三元鋰材料的化學反應尤其強烈,攝氏 50~300 度就會產生分解,一旦釋放氧分子,在高溫作用下電解液迅速燃燒,隨即發生爆燃現象)。

石墨烯電池近幾年被炒得火熱,在實驗中,石墨烯電池可把數小時的充電時間壓縮至不到一分鐘。在鋰電池內添加石墨烯,可以幫助鋰電池降低產能時的熱量,最大限度上減少能量損失,避免了大量能量被浪費,減少了熱量對電池的損害,提高了電池的使用壽命。

石墨烯電池又稱「純金」打造的電池,在鋰電池內添加石墨烯,生產成本太過昂貴,大約 2,000 人民幣左右 / 克,根本無法大規模應用,石墨烯電池現階段僅用於航空航太這些不計成本的行業。

目前新能源汽車石墨烯電池仍處於實驗階段,還沒有一款量產車型搭載。

當下磷酸鐵鋰電池在電動車行業已經使用非常廣泛,除了小型新能源汽車,像電動公車和其他重型車輛都在使用磷酸鐵鋰電池。

三元鋰電池這些年在中國迅速發展離不開中國前幾年新能源補貼政策,這幾年來中國在補貼上偏向長續航里程、電池系統能量密度高的車型,因此許多車企的產品都在向三元鋰電池靠攏。

但當補貼減少之後,很多低價和主打高性價比的車型,就不得不重新考慮使用成本更低的磷酸鐵鋰電池。

特斯拉為什麼要開發超長壽命電池?

目前特斯拉使用單節 18650 以及最新 21700 電池,這兩種類型電池壽命現今遠遠達不到特斯拉新專利當中提到的 160 萬公里使用壽命。

2017 年 1 月 4 日,特斯拉宣布與松下聯合研發的新型 21700 電池開始量產。

在 21700 電池使用後,特斯拉官方也稱 21700 電池比 18650 電池能量密度提升 20%,系統成本預計下降 9% 左右,重量也下降 10% 左右,目前特斯拉 Model 3 所使用的電池,由松下和 LG 化工這兩家公司生產提供。但是不管是 18650 電池還是 21700 電池,都屬於三元鋰離子電池。

2017 年,「易到用車」被拍賣的 12 輛特斯拉營運車隊中,法院對車輛殘值採用電池的實際儲存容量進行估算。

這 12 輛特斯拉 Model S 平均行駛里程 16 萬公里,原始續航力 550 公里,平均電池循環 290 多次,經過估算後平均續航力僅剩 361 公里。安裝百分比來算這些車輛 16 萬公里後衰減了 34.36%,相當於電池已接近報廢標準,與其特斯拉官方宣布的 5% 相差甚遠。這在當時一定程度上影響到消費者對特斯拉電池的信心,也嚴重影響後來特斯拉車型在二手市場保值率。

電池衰減問題一直困擾著所有新能源車企,就算業界最優秀的特斯拉同樣如此,在使用三元鋰電池後,特斯拉經過 3,000 次測試也只能保持 70% 的電量,開發超長壽命也是極其緊迫的事。

160 萬公里超長壽命電池離不開的電池管理系統

未來特斯拉新專利當中描述的 160 萬公里電池問世後,也不要忽視另一個核心。電池是電動汽車核心,而電池的核心在電池管理系統(BMS)。

包括特斯拉在內,許多新能源汽車企業,都將電池管理系統做為企業核心的技術來看待。

電池管理系統對於電動汽車來說是最重要系統之一,關乎電池的安全,是用來連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。

其主要功能包括:電池狀態預估、電池物理參數即時監測、線上安全報警和預警、充放電控制、熱管理等。

在特斯拉電動汽車「三大件」中,電池、電機和其他組件都採用外部採購,但特斯拉一直堅持自主研發電池管理系統。

特斯拉所申請的核心智慧財產權,大都與電池管理系統相關,可見電池管理系統對於新能源汽車的重要性。

簡單理解,iPhone 手機在各項配置可能不如同價位品牌手機高,但透過 iOS 系統監控,使得每個零件之間相互配合,讓整部手機在流暢度、耗電量以及啟動速度各方都處於最理想狀態。

透過預測,未來超長壽命電池問世後,或許會有新的電池管理系統跟著推出,兩者之間相互配合進而達到專利描述的 160 萬公里超長壽命,如果沒有特斯拉的那一套電池管理系統,假設新電池授權給其他新能源車企使用也預計達不到 160 萬公里壽命。

總結

目前在電池領域,特斯拉已於最初與松下合作發展成松下、LG 化工、寧德時代這 3 家電池供應商。新專利曝光看的出特斯拉是想結束在電池受制於人的狀態,打造電動車重要三電系統,均由自己生產控制局面。

除了自動駕駛技術和電池管理系統做到行業領先,相信在自研新能源汽車電池這個領域,特斯拉的新電池會比大家預計來得更快。特斯拉做為一家即造車又造火箭的綜合性科技公司,馬斯克的野心也比大家想像得要大。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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