特斯拉電池黑科技：百萬英里的電池壽命布局儲能“大計”

這已經(jīng)是我們對特斯拉電池日的第三次前瞻文章了，不可抗力的疫情讓這場堪比汽車界蘋果發(fā)布會的焦點之戰(zhàn)一再跳票。伴隨時間推移，海外媒體的一次次“劇透”，讓人一度有了“狼來了”之感，但你品、你細(xì)品，這個理念、技術(shù)以及動作只要不超前就算人設(shè)崩塌的品牌，怎么可能讓特斯拉的擁躉們失望呢？

于是，結(jié)合特斯拉此前放出的信號，以及海外媒體給出的蛛絲馬跡，咱們就先來一波大膽的猜測，在特斯拉電池日正式“引爆”之前先睹為快。

[·百萬英里電池壽命：不讓電池變炸彈·]

特斯拉電池最先曝光和被提及最多的黑科技，當(dāng)屬“百萬英里的電池壽命”：三元鋰材料的電池壽命普遍在1000次（800-1200次）完整循環(huán)上下徘徊時，特斯拉的百萬英里電池能達(dá)到3000次以上，實驗中最高的一組更是超過了5000次。

這種壽命成倍的增長絕對是超前，但對于消費者來說太超前了，沒有普通用戶在換車之前能把車開到100萬英里（約160萬公里），就算是營運車輛也難以企及。這么看特斯拉這款產(chǎn)品豈不是沒有了用武之地了？那不能夠，這是特斯拉電池梯次利用、儲能“大計”的關(guān)鍵。

特斯拉電池儲能系統(tǒng)

目前，特斯拉已在美國本土的60個超充站布局了電池儲能系統(tǒng)（Powerpack），每套設(shè)備包含了16個電池倉、溫控，以及監(jiān)控+收集數(shù)據(jù)智能的模塊。這個產(chǎn)品未來將不僅用于超充站的儲能，還可以賣給工廠、大型酒店、商圈。

特斯拉電池儲能系統(tǒng)

這種將電池作為電網(wǎng)與充電樁之間的“中間商”的方式有兩大好處。

第一，可以減小充電站所需求的增容量、或者說降低配電的門檻，從而節(jié)省建設(shè)的資金投入。第二，也是省錢，省的是用電高峰時段的電費，減少在用電高峰時段對電網(wǎng)的依賴。這方面與蔚來、奧動的換電站，夜間谷時電價充電、給第二天白天“備貨”的模式異曲同工。

以特斯拉的超充站基數(shù)來看，這套從建設(shè)和用電兩大成本支出端下手的電池儲能系統(tǒng)，可省下來的錢數(shù)絕對是以“億美元”為單位的。

為確保安全特斯拉電池儲能系統(tǒng)配備了水冷循環(huán)

但問題也隨之而來，以降低成本為核心的電池儲能系統(tǒng)，用新電池自然是有悖于初衷的。而16個倉位梯次利用的老電池堆疊在一起，稍有變故那可能就是比C4爆炸還勁爆的場面，即便是現(xiàn)階段的電池儲能系統(tǒng)是交流（慢充）的能源存儲系統(tǒng)，也難以規(guī)避電池變炸彈的風(fēng)險。

當(dāng)然，除了最重要的安全問題，百萬英里壽命電池本身的性能也非常重要。特斯拉肯定是不愿意看到“今年裝備的帶電池儲能系統(tǒng)，明年就衰減得容量大幅縮水了”。頻繁換電池那還省什么錢呀。

[·再次超前 回應(yīng)去模組的“餅干桶”圓柱電芯來了·]

圓柱電芯成組必是規(guī)則幾何形狀，只能完美匹配平整底盤（電動車專屬平臺）的問題，特斯拉倒是不用考慮，但圓柱本身空間利用率的先天不足，會影響到電池Pack的能量密度上限，著實是愁壞了特斯拉。

從18650到21700的升級，正是因為圓柱體積增加帶來了壽命、熱損耗的難題，才讓此前的這波改變并沒有大跨步的超前。雖說也是引領(lǐng)了一波圓柱電芯的行業(yè)集體升級，卻導(dǎo)致特斯拉此前在現(xiàn)有化學(xué)體系下，單看電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間利用率，要遜色于寧德時代CTP（去模組）、比亞迪刀片電池一籌。

如今，百萬英里電池的成果初現(xiàn)，特斯拉無需真的達(dá)到“百萬”級別，只要有足夠的提升，就能給特斯拉改變電池結(jié)構(gòu)足夠的底氣。事實上，特斯拉真的這么做了：

日前，海外媒體曝光了特斯拉尺寸更大的圓柱電芯，因造型像“餅干桶”而得名，其體積在現(xiàn)有21700（直徑21mm、高70mm）電芯基礎(chǔ)上，帶來了繼續(xù)的“膨脹”。

海外媒體曝光特斯拉新型“餅干桶”圓柱電芯

電池最小結(jié)構(gòu)單元的體積和容量的顛覆式改變，帶來了一系列的連鎖反應(yīng)：電芯能量密度增加-數(shù)量減少-電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化-連接件及保險的數(shù)量減少-成本大幅降低，到這里，車輛性能逐步提升、車價進一步降低的愿景，似乎現(xiàn)在就已經(jīng)是一個真命題了。

9月17日馬斯克在社交媒體用到“瘋狂”這個關(guān)鍵詞

正如前文所言，特斯拉這個不超前就算人設(shè)崩塌的品牌，受到了挑戰(zhàn)必然會有所回應(yīng)。電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠超前的回應(yīng)來了，下一步應(yīng)該就是因3電機版的Model S(參數(shù)|圖片)沒有量產(chǎn)、公開銷售，被保時捷Taycan(參數(shù)|圖片)搶走的“最速量產(chǎn)電動車”了。

[·超級電容的“物盡其用”與“后來居上”·]

電池內(nèi)部的空間利用率算是直觀的“量變”，電化學(xué)體系才是深層次的“質(zhì)變”……

2019年初特斯拉以溢價55%的2.18億美元收購Maxwell，就為引入后者全球領(lǐng)先的超級電容技術(shù)埋下了伏筆。如今再次提及算得上老生常談了，而一次次的拿出來說，都沒見到除特斯拉之外的任何一家電池企業(yè)或車企在這方面給出計劃，足見這項技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用（技術(shù)與成本）的難度，特斯拉的超前之說由此可見一斑。

超級電容被認(rèn)為是第三代儲能裝備，是繼電網(wǎng)、UPS不間斷電源的第一代機械儲能，電池的第二代化學(xué)儲能之后，極具前景的前瞻技術(shù)。其優(yōu)缺點都十分突出：在充放電速度、循環(huán)性能以及安全性方面，遠(yuǎn)超所有材料的鋰電池，但能量密度僅為鋰電池的10%左右。

所以超級電容+鋰電池取長補短的路線相當(dāng)明朗：超級電容負(fù)責(zé)能量回收（制動、滑行等）、急加速和減速等電池?zé)o法“照單全收”的實際工況，電池負(fù)責(zé)能量儲備，二者各司其職、物盡其用，達(dá)到高效率、高性能，與通過提升耐用性來延長電池壽命的目標(biāo)。

原理看似簡單卻沒有企業(yè)開發(fā)，很多人將決定性因素歸結(jié)于Maxwell，畢竟特斯拉本身是沒有相關(guān)技術(shù)儲備的，實則不然。

全球領(lǐng)先的電容研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)除了Maxwell，如村田（MUEATA）、TDK等都集中在日本，馬自達(dá)更是最早將電容用在發(fā)動機自動啟停i-Stop系統(tǒng)的車企，5年前，筆者2014年首次試駕第一批阿特茲(參數(shù)|圖片)時就被圈粉了。在北京的西二環(huán)走走停停的路況，稍微充上一點電就能啟用的高效、通過本身特性+放電精細(xì)控制帶來的平順性，充分的展示了電容相比12V電瓶的優(yōu)勢。

馬自達(dá)阿特茲以電容為儲能設(shè)備的自動啟停

然后就沒有然后了，直到特斯拉將電容這個被看好的第三代儲能設(shè)備推到臺前，反而讓人們以為特斯拉就是這方面嘗鮮的。由此形成了強烈的反差：即日系車企在電動化方面的裹足不前，特斯拉貫穿品牌始末的敢想敢干。

[·干電極+預(yù)鋰化：能量密度最高500Wh/kg 直接原地翻倍·]

如果說電容+電池兩代儲能之間的結(jié)合，是對現(xiàn)有技術(shù)的繼續(xù)壓榨，那么Maxwell深耕了6年之久的干電極，以及以此衍生出來的預(yù)鋰化技術(shù)，算是半固態(tài)電池都搖搖無期之時的一個階段性突破。

劃分電池內(nèi)部的導(dǎo)電媒介：有現(xiàn)階段的液態(tài)電解液，終極目標(biāo)的固態(tài)電解質(zhì)，以及介于二者之間的半固態(tài)。而干電極是介于液態(tài)和半固體之間的另一種形態(tài)，用少量(約5-8%)細(xì)粉狀粘合劑(PTFE)，與電極的金屬箔通過壓片機結(jié)合在一起，令其形成咀嚼過的口香糖形態(tài)，最終形成一體的電極材料薄膜。

雖然這項技術(shù)的本質(zhì)，并不是在電解液上做文章，但也算是一種“曲線救國”，通過材料的一次小的突破，實現(xiàn)了固態(tài)電解質(zhì)效果的一部分。簡單來說就是，換了個切入角度，讓液態(tài)電解液朝著“固化”邁出了一小步，最終達(dá)到提升電池活性與能量密度的目的。

有了干電極做鋪墊，從中衍生出的預(yù)鋰化技術(shù)的優(yōu)勢也就隨之呈現(xiàn)出來了。不做預(yù)鋰化的電力電池，制造出來首次充放電負(fù)極與的電解液發(fā)生反應(yīng)會形成SEI膜，使得電池總?cè)萘靠s水。有了預(yù)鋰化就能讓這部分損失“可逆”，提升交付給車主的電池能量密度。

今年4月份刊登在能源期刊Joule上的論文顯示：特斯拉的預(yù)鋰化技術(shù)可提升其現(xiàn)有電池20%的能量密度，使用該技術(shù)的新型電池能量密度可達(dá)300Wh/kg，繼續(xù)發(fā)展的上限能接近500Wh/kg，相比現(xiàn)在電池Pack（非成組裝車）的最高水平直接翻倍。

能源期刊Joule 論文配圖：基于干電極的預(yù)鋰化原理示意圖

而同樣是預(yù)鋰化技術(shù)，筆者此前與國內(nèi)兩家行業(yè)領(lǐng)先電池企業(yè)的研發(fā)人員進行過溝通。他們也在推進這項技術(shù)，只是效果相距甚遠(yuǎn)：現(xiàn)階段的提升比例還很難突破到兩位數(shù)的百分點，即最多也就在10%以下，尚無法平衡收益與成本投入的性價比問題。

情況就是這么個情況，特斯拉往電池內(nèi)加嚼過的“口香糖”，這么一個說起來簡單（做起來很難）的操作，就超了專攻電池的龍頭企業(yè)一倍多，也難怪會有“特斯拉威脅到了領(lǐng)先的電池企業(yè)”之說。

[·不少人玩成本高的石墨烯 特斯拉玩“難度大”的硅碳負(fù)極·]

現(xiàn)階段鋰電池的負(fù)極材料均為碳類物質(zhì)，汽車的動力電池主要是石墨，其儲能和釋放能量的職能太關(guān)鍵了，這項材料的突破將直接決定能量密度，以及電池的體積比容量。相比前文4個根據(jù)蛛絲馬跡而來的猜想，特斯拉開發(fā)硅碳負(fù)極材料這件事，一直沒有放出更多消息，海外的相關(guān)論文也都只提技術(shù)、沒有商業(yè)化方面的大膽預(yù)測。

特斯拉電池日預(yù)告圖的背景“劇透”了硅納米線技術(shù)

而可以肯定的是，特斯拉已經(jīng)確定了將重心偏向技術(shù)難度更大硅納米線結(jié)構(gòu)，而非可與黃金價格相提并論的石墨烯（非高純度、導(dǎo)電用的石墨烯價格在每克200-300元人民幣區(qū)間浮動）。這倒也符合特斯拉看重成本的一貫風(fēng)格，與堅持不使用高成本激光雷達(dá)的做法異曲同工。

兩種材料方案都能解決大問題，玩家的選擇卻存在差異：

先說硅碳負(fù)極，特斯拉的方案海外媒體更傾向于硅納米線技術(shù)，因為這方面技術(shù)儲備深厚的Amprius公司，就在特斯拉美國加州的弗里蒙特工廠附近。這種單晶硅與碳類物質(zhì)復(fù)合在一起的負(fù)極材料，能讓電池的能量密度提升50%以上，而且要比單晶正極材料的技術(shù)難度低，更容易在特斯拉400Wh/kg能量密度目標(biāo)中提供助力。

《化學(xué)工程》雜志關(guān)于Si / C @ NGs（硅碳）復(fù)合材料論文配圖

硅碳負(fù)極的難點在于技術(shù)層面，硅體積變化率大、容易發(fā)生斷裂，包括特斯拉硅納米線技術(shù)在內(nèi)的所有硅碳復(fù)合材料，都面臨著讓硅“聽話”的技術(shù)難題。

再看石墨烯負(fù)極，前日廣汽集團剛剛成立了研發(fā)與制造石墨烯材料的新公司巨灣技研，主攻3DG石墨烯制備技術(shù)，力求將這項材料的成本降低到可商業(yè)化水平，爭取早日將讓高能量密度、充電快、長壽命、重量輕的先天優(yōu)勢“裝車”。

石墨烯的核心難點就是成本?，F(xiàn)階段研發(fā)石墨烯的企業(yè)、機構(gòu)很多，但利用其電子性能（導(dǎo)電）的實際產(chǎn)品尚且沒有。集成在小米10手機中板上的石墨烯是發(fā)揮了導(dǎo)熱性能好；中科院寧波材料所制造的護目鏡，是利用石墨烯的光學(xué)特性（高透光率、不起霧），今年支援了一批給抗疫前線的醫(yī)護人員。

小米10手機內(nèi)部拆解圖

[·寫在最后·]

在特斯拉電池日延期的這段時間里，官方的動作以及海外媒體的“劇透”，確實讓這場發(fā)布會失去了一些神秘感，但這是特斯拉呀，一個不超前就算人設(shè)崩塌的品牌，從不缺“爆點”，并且已無數(shù)次讓人驚嘆。