鉅大LARGE | 點擊量：1097次 | 2021年08月08日
揭特斯拉電池的秘密：要怎么樣新增電量
近日，特斯拉的100kWh車型已經(jīng)通過了歐盟認證機構(gòu)RDW的評估。這意味，ModelS/X100D車型即將問世!其續(xù)航里程理論值將達到613km(基于NEDC標準)。
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)機構(gòu)的認證方可。RDW是特斯拉委托的一家荷蘭的公司，經(jīng)其認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。從當前電池包的迭代情況來看，這個目標基本實現(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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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。當然，其采用的仍舊是18650型號的電芯，只不過化學材料有所調(diào)整，新增了能量密度。
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，導致陽極對鋰離子的吸納能力加強。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。
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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