特斯拉Model S新一代90 kWh含硅锂离子电池猜想

特斯拉公司(Telsa)在2015年7月宣布Model S的三项计划:70 kWh后轮驱动车型发布,P85D新增极速驾驶(Ludicrous)模式,85 kWh车型可以升级至90 kWh。

这里我们想讨论的是这个90 kWh的电池。升级后,续航里程可以增加约6%。特斯拉CEO埃隆马斯克宣布这个电池在负极里加入了硅材料,还说这只是锂离子电池使用硅负极的一小步。但这一步也创造了历史。之前还没有任何电动车的电池里用到了硅。

为什么硅负极受到这么大的关注?这是因为硅可以为车用锂离子电池带来质变。比如,美国先进汽车联盟(USABC)发布了2020年电动汽车电池的目标。为了安抚消费者对电动汽车的里程焦虑,单体电池的比能量要达到350 瓦时/公斤,电池包的比能量要达到235瓦时/公斤。

目前锂离子电池使用的石墨负极不可能实现这些目标。据我们所知,单纯使用石墨负极,公开产品的比能量小于250瓦时/公斤(松下3400毫安时的NCR18650B的比能量为243 Wh/kg)。美国亚贡嘎(Argonne)国家实验室的计算数据显示只使用石墨负极的电池包,能量密度不能超过200瓦时/公斤。

硅负极可以实现2020年的目标。原因在于1克硅可以储存3578毫安时的电量,而1个石墨只能存储373毫安时。我们知道电池的能量就是电量和电压的乘积。所以硅负极锂离子电池的能量密度要高。需要指出的是,电池里还有其它组分占份量,如电解液,封装材料和电源管理系统等,所以10倍的比容量不能直接等同于10倍的比能量。我们主页上有一些比能量的电池指标追踪数据

科研界在80年代首先发现了硅负极的高比容量。目前使用的纳米粉体方案是中科院物理所李泓研究员等人在1999年提出的。但目前硅还没有实现大规模的推广应用。主要问题是硅的高比容量意味着在充放电过程中吸纳/吐出大量的锂离子,产生280%的体积变化,导致硅在电池里极不稳定。使用硅做负极的锂离子电池在大批量生产的层次还未见满意的循环寿命。松下曾计划在2012年量产4000毫安时18650硅基锂离子电池,但直到今天我们也没有见到相关产品。

目前的做法是在石墨负极里掺入少量硅(不如5-10%),这种电池仍可获得不错的循环寿命。这可能也是特斯拉的做法。

Table

特斯拉代表了18650车用电池的流派。特斯拉目前85 kWh的电池包使用的是松下3100毫安时NCR18650A。此电池用的是三元系镍钴铝NCA正极和石墨负极。2012年推出的3400毫安时NCR18650B使用的相同正负极。

之后可能的三个18650电池(3400毫安时NCR18650BF,3500毫安时NCR18650GA,3600毫安时NCR18650G)可能含有硅(应该是氧化硅)。我们主页上有一些电池容量的指标追踪数据

NCR18650BF比NCR18650B轻2g,标称容量和电压一样。这样比能量为248瓦时/公斤,比NCR18650B增加2%。NCR18650GA的比能量估计为255瓦时/公斤,比NCR18650B增加5%。NCR18650GA的标称容量高,也重一些48.0克。NCR18650G为3600毫安时,重量和个头也比NCR18650GA要低,比能量估算为269瓦时/公斤,比NCR18650B提高11%。NCR18650GA可以在orbtronic.com和fasttech.com买到。NCR18650G可以在keeppower.com买到。需要指出的是,这三个电池在松下官网上都找不到。

其它电池厂家也可能在用硅,比如LG化学的3500毫安时INR18650-MJ1和三星的3500毫安时INR18650-35E。

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