解析特斯拉如何增加動(dòng)力電池的電量

　　近期，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(píng)估。這意味，Model S/X 100D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，都必須經(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。本文，我們來探究下，這個(gè)100kWh是如何做到的？

　　Elon Musk曾經(jīng)說過，特斯拉的續(xù)航（電量）要以每年5%的速度增加。從當(dāng)前電池組的迭代情況來看，這個(gè)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。除作為入門級(jí)配置的60kWh外，70kWh、85kWh均已分別升級(jí)為75kWh和90kWh。

　　不久之后，100kWh和120kWh的電池組也將進(jìn)入選配清單。目前，60kWh仍然作為一個(gè)乞丐版配置存在，以促進(jìn)特斯拉的銷量。真正有故事的，是70kWh和85kWh，是如何各增加5kWh電量的。

　　有一點(diǎn)可以肯定，那就是電池組電量增加過程中，其電池組的結(jié)構(gòu)是沒有改變的。內(nèi)部電池包（Battery Module）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組的內(nèi)部構(gòu)造。

　　60kWh內(nèi)部有14個(gè)電池包，每個(gè)電池包內(nèi)含384個(gè)電芯，共計(jì)有5376個(gè)電芯組成；85kWh由16各電池包組成，每個(gè)電池包內(nèi)含444個(gè)電芯，共計(jì)7102個(gè)電芯組成。

　　后來加入的70kWh，實(shí)際上是一個(gè)75kWh電池組，經(jīng)過軟件限制而來的。多余的5kWh，最初被當(dāng)做一個(gè)價(jià)值3000美元的選裝包提供給車主。只要通過OTA軟件更新，70D就可以變?yōu)?5D。

　　那么問題來了，75kWh電池組是怎么來的？關(guān)于這個(gè)問題，特斯拉官方并沒有做出技術(shù)解釋。根據(jù)作者的判斷，75kWh其實(shí)是85kWh電池組，減少2個(gè)電池包而來的。在85kWh電池中，每個(gè)電池包的容量是5.3kWh，14個(gè)這樣的電池包就是74.2kWh。

　　這就是70kWh、75kWh，以及85kWh之間的關(guān)系。至于60kWh，這只是一個(gè)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(gè)電池包嗎？在85kWh的電池組結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)無法再疊加電池包。唯一的可能性就是更換了新的電芯。當(dāng)然，其采用的依然是18650型號(hào)的電芯，只不過化學(xué)材料有所調(diào)整，增加了能量密度。

　　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，已是電池領(lǐng)域公認(rèn)的可以提升能量密度的辦法。為避免不斷疊加電池包，而造成的電池組質(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，對(duì)于三元鋰離子電池來說，要想通過硅來增加能量密度，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(duì)鋰離子的吸納能力增強(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，硅在充分吸納鋰離子后，其體積會(huì)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(huì)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(huì)降低。

　　另外一層因素，是硅陽極由于充放電時(shí)的膨脹/伸縮特性，會(huì)破壞鋰電池電解質(zhì)SEI膜的形成。這個(gè)膜是在鋰電池初次循環(huán)時(shí)所形成的，對(duì)于陽極材料有保護(hù)作用，可以防止材料結(jié)構(gòu)崩塌。

　　基于上述原因，采用硅材料做陽極，雖然能量密度可以顯著提升，但也伴隨著副作用，最終會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短。所以，特斯拉采取的方案是，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電池是由松下生產(chǎn)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Model 3正式投產(chǎn)后，新型21700電池將取代18650，成為新的電芯。

　　21700電池依然是三元鋰電池，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(dòng)力電池解決方案。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，需要有較為出色的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電池組采用的是NCR18650B型電池，額定電壓3.6V，容量3.1Ah。

　 　90kWh的電池型號(hào)不得而知，但應(yīng)該不是直接由松下提供成品，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，松下生產(chǎn)的18650電 池中，NCR18650G型是容量最高的型號(hào)，達(dá)到了3.6Ah。如果按照這個(gè)計(jì)算的話，85kWh電池組中的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電池組中，電芯是NCR18650G型；而85kWh電池組中，電芯是NCR18650B型?？傊?，在電芯數(shù)量不變（電池組結(jié)構(gòu)不變）的情況下，只有把單個(gè)電芯的容量提升至3.6Ah，才能確保90kWh的電量。

　　而要實(shí)現(xiàn)100kWh，有2個(gè)方案：一是再疊加2個(gè)電池包，按照每個(gè)電池包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(gè)方案。

　　因?yàn)?0kWh是基于85kWh的電池組結(jié)構(gòu)而來的。這個(gè)結(jié)構(gòu)在18650電池規(guī)格下，已經(jīng)定型，更改其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的成本是很高的。事實(shí)上，電池組中已經(jīng)沒有空間再疊加更多的電池包了。

　　如果增加電池包，不但電池組質(zhì)量會(huì)增加，電池組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)都要改動(dòng)。所以，提升電芯容量，才是最經(jīng)濟(jì)可行的方案。

　　試想，在100kWh的電池組中，不改動(dòng)電池組結(jié)構(gòu)的情況下，單個(gè)電芯的容量要提升至3.9Ah，才有可能實(shí)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。