特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向

旭恩 2021-02-01 13:28:21

电动汽车作为燃油车的终结者,其续航焦虑是必须克服的一个“软肋”,另外,也有业内人士认为电动汽车的竞争归根结底本质上其实是“电池的竞争”。作为电动汽车界的“一哥”,特斯拉深知电池对于自身的重要性。


对于特斯拉下一步将会使用什么电池,浙江大学材料科学与工程学院涂江平在接受采访时表达了自己的看法,他告诉DeepTech:“未来特斯拉应该会使用大容量电池,管理系统比较简单,材料体系则会往准固态走。”


数据显示,目前电动汽车产业电池成本能够占到整车的40%左右,电池占据电动汽车成本的大头,同时,电池的性能直接关乎汽车的整体性能表现,比如核心的续航能力等。


特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向


图|特斯拉电动汽车(来源:特斯拉官网)


类似于手机的超长待机,超长续航是特斯拉所一直追求和突破的,而电池正是决定电动汽车续航的核心。然而,想提高电动汽车的续航,一味地靠加大电池容量并非明智之举,提升电池的能量密度才是正道,而固态电池正是目前极具潜力的新型电池之一。


全固态电池为什么让特斯拉“爱恨交加”


提到新型电池必然少不了固态电池——这个被业界普遍看好的电池品类。首先解释一下什么是固态电池?其全名是固态锂离子电池,是一种没有液体电解质的电池。与之相反的则是液态锂电池,比如大家最常见的锂离子电池,也就是你手中手机的电池。


值得注意的是,“固态电池”和“全固态电池”是两个不同的概念。据了解,根据电解质的种类,锂离子电池可以分为液态锂电池、固液混合锂电池和全固态锂电池三类。


特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向


图|液态锂电池和固态锂电池结构示意(图片来源伊维智库)


它们最主要的区别是电池内部液体电解质与固体电解质的比例不同。比如固液混合锂电池内含有一定量的液体电解质,而全固态锂电池内没有液体电解质,全部都是固态电解质。


得益于全新材料和独特结构,全固态电池所具备的优势几乎是压倒性的,综合安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等性能等各个方面都表现优异,很明显,这些优点恰恰都是特斯拉“梦寐以求”的。但全固态电池也有一个致命缺点,那就是成本过高,确切的说是现阶段成本很高,显然,这又让特斯拉“望而却步”。


关于全固态电池,中国工程院院士陈立泉曾对媒体表示:“液态锂电池容易引发安全忧虑,300Wh/kg的能量密度也已到达极限。下一步要发展固态电池,或者逐渐过渡到全固态锂电池。”他补充称:“固态电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极,正极可以是锰酸锂、富锂锰基材料或不含锂的正极材料,电解质是固体电解质,能量密度可达300~450Wh/kg。”


对于全固态电池的技术现状,中国科学院物理研究所李泓也曾公开表示:“总体而言,固态电池在世界范围内尚处于研发阶段,目前还没有企业展示综合性能及成本都能与液态锂电池相媲美的大容量固态动力电池。”他还说:“由于全固态锂电池目前尚未完全解决循环过程中固相界面接触及体积膨胀问题,材料体系、生产工艺、应用技术因此也不成熟,并未形成供应链、得到充分验证,短期内无法实现大规模量产,预计还需约5年时间。”


就在前不久,中国科学院院士、汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高也曾说过类似的话:“如果某一位说他的车既能跑一千公里,又能几分钟充完电,还特别地安全,而且成本还非常低,那大家不用相信,因为这在目前是不可能同时达到的。”


显然,就现阶段而言,虽然全固态电池优势突出,但受到目前工业技术水平的限制,短期内难以实现规模化量产。


特斯拉放大招,自研的4680新型电池是何来头?


既然短期内等不来全固态电池,于是特斯拉便开始“自立门户”研发制造新型电池。


去年9月,特斯拉在“电池日”上发布了全新的4680电池。据了解,这款电池的直径为46mm、高度为80mm,其最大的特征是采用了激光雕刻的无极耳技术,突破圆柱电池的尺寸限制,由于没有了电池主要发热部件,电池的热稳定可控性更高。而且这样的设计令功率输出提升了6倍,续航里程提升了16%,每千瓦时的成本下降了14%,而且充电时间也大幅缩减。


特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向


图|特斯拉4680电池的外观(来源:特斯拉官方微博)


特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向


图|特斯拉4680电池的内部结构(来源:特斯拉官方微博)


新型4680电池在能量密度、性能、成本、安全等多个维度都实现了不小的跨越,与目前正在使用的2170电池相比,其能量密度提升了5倍。在“电池日”上特斯拉还展示了4680电池的组装信息,据介绍,新的电池包采用无模组设计,大约由960个4680电池组成,相比上千个2170电池组成的电池组要少一些,而且电池包的能量密度达到了300Wh/kg。


使用新型电池后,特斯拉电动汽车的续航里程将增加54%,成本将下降56%。显然,这种4680电池一旦量产,将大大助力特斯拉实现降低制造成本的目的。


简单概括总结一下就是:特斯拉开发的4680新型电池成本更低、能量密度更大、充放电功率效率更高。


对此,有业内人士根据特斯拉Model 3的目前售价进行了粗略估算,若采用这种4680新型电池后其售价很可能低至16万元左右。


特斯拉电池:自研4680还是全固态?业内人士:准固态材料是新方向


图|特斯拉4680电池的“无极耳”技术


早在2020年5月特斯拉便披露了4680电池无极耳技术:其核心设计理念是通过正负极集流体与盖板/壳体直接连接,成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离,从而大幅降低电池内阻,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率;并通过优化电池结构件、简化电池生产工艺流程等,提升电池标准化生产能力、降低电池成本。


对于特斯拉的4680电池技术,涂江平告诉DeepTech:“这个是成熟技术,他们叫无极耳技术,我们叫全集流体技术,早在2014年我们就获专利了,国内大圆柱电池现在基本都采用这个结构设计和工艺。”


特斯拉快马加鞭,加速自研电池落地量产


特斯拉作为一家车企,起初在电池领域的技术沉淀较少,只是通过第三方采购电池或者合资共建的方式保障电池供应。


从1865电池到2170电池,特斯拉一直都在坚持提升电池能量密度、降低电池成本的策略。2017年,特斯拉引入电池科学家Jeff Dahn研究团队从技术、工艺等方面重新布局电池领域。2020年,特斯拉宣布自建新型电池试验线,同年5月披露“无极耳”电池专利,9月正式发布4680新型电池。


据悉,目前特斯拉正计划在德国的格林海德市建设一个超级工厂,由汽车工厂和电池工厂两部分构成,分别生产新款Model Y电动汽车和新型电池。德国联邦经济和能源部也在上周批准了启动电池工厂建设初步方案。


目前,特斯拉正计划为电池工厂招募员工。有媒体消息称:“特斯拉计划在这个电池工厂大批量生产性能更佳的4680新型电池。”


马斯克去年就曾表示,已经在美国的得克萨斯州“试点工厂”试制4680电池。未来,随着格林海德市电池工厂的建成,届时或将成为世界上规模最大的汽车电池工厂。


依托自研自制的4680新型电池,特斯拉还能让整车的综合成本进一步降低,这很好的契合了特斯拉“低价抢市场”的商业策略,以加速特斯拉拓展全球市场,尤其是东南亚、南美等欠发达地区市场。


4680和全固态,哪个会是特斯拉未来的押宝对象?


特斯拉大费周章的自研电池,那这种4680电池会是特斯拉未来的押宝对象吗?短期是,但长远看未必。结合消费市场、商业策略等综合因素分析,特斯拉使用4680电池更像是一种“不得已的选择”,也可以理解为是一种过渡。


回顾去年“特斯拉电池日”,发布会上展示更多的是特斯拉自研电池的创新思路,包括外观、结构以及制造工艺等等。细看不难发现,其实4680新型电池的核心电化学体系并没有革命性的创新,也没有超越包括宁德时代、LG化学、松下等专业电池企业的研发范畴。


在电池技术日新月异的当下,国内的一些电动汽车品牌也相继推出了全新电池品类,比如固态电池、石墨烯电池等等,然而相较于这些,特斯拉的4680电池似乎是最接近能够实现量产的。


至于最近热度颇高的石墨烯电池,就目前而言,石墨烯在电池领域的应用,一是作为负极材料,二是作为导电添加剂。事实上,用石墨烯做负极材料会导致成本极高,且目前技术尚不成熟。但如果是被用作导电添加剂,严格来说,这种电池应该被称为“石墨烯基电池”或“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”,显然这和传统意义上的“石墨烯电池”是两个不同概念。


对此,中国科学院山西煤炭化学研究所研究员陈成猛曾向DeepTech透露:“在锂离子电池领域,石墨烯目前仅作为辅助性的填料使用,在主体材料或电化学体系没有技术突破的情况下,其应用仅可改善储电部分性能,但效果远达不到‘颠覆’的程度,将这类电池称为‘石墨烯电池’也是不科学的。”


纵观过往,任何科技产品的普及都要经历一个由研发到量产的过程,只是这个过程或长或短。具体到全固态电池,从实验室研发,到投产制造,再到大规模量产,整个时间周期很长,更为关键的是成本。


特斯拉的商业策略是“低价抢市场”,在这个策略下,虽然全固态电池“无限好”,但成本是个“硬伤”,而且距离大规模量产还有很长一段路要走,所以,特斯拉短期内使用的可能性不大。当然,也不排除特斯拉试验性地将全固态电池率先应用在非量产尖端车型的可能。


最后,不妨大胆的猜想预测:特斯拉下一步大概率会使用全固态电池,但在全固态电池成本尚未降到合理水平时,自研的4680电池无疑是一个很好的过渡。

来源:DeepTech深科技

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