《特斯拉如何备战下一代动力电池?》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-08-13
  • 虽然Maxwell主要以生产超级电容器而闻名,但业内认为特斯拉对Maxwell用于锂离子电池的新型干电极技术更感兴趣。

    特斯拉的成功得益于其先进的动力电池技术,目前其电池技术又获得了新的突破。

    外媒报道称,特斯拉电池专家Jeff Dahn(杰夫达恩)及其团队发布研究报告称,他们与合作伙伴开发出了一种比固态电池能量密度更高且更稳定的新型锂电池,这或许将改变下一代动力电池技术的发展路线。

    该技术报告的全称为:LiDFOB/LiBF4液态电解质无阳极锂金属电池研究报告。其中核心的信息显示,此前很多研究对于下一阶段的锂金属电池不看好,认为电池中使用的传统液态电解质必须由固态电解质代替,以保持长期稳定循环所需的寿命和高能量密度。

    报告显示,实现锂金属负极的另一个潜在途径是使用固态电解质,这被许多研究认为是未来最可行的技术手段。但目前固态电解质在多次充放电后无法实现稳定无枝晶的状态(稳定性),同时在大规模量产方面也存在问题,生产线动辄就需要数十亿美元的投入。

    而Jeff Dahn与其团队在试验中发现,采用LiDFOB/LiBF4液态电解质的无负极锂金属电池在90次充放电循环后,仍可以剩余80%的电池容量和较高的稳定性,在能量密度上也并不亚于固态电池。即使在50次充放电循环后,液态电解质也可以实现无密度树枝状的锂形态,包括密集填充的色谱柱。

    这意味着导致电池发生短路起火的锂枝晶被消除或极大减少了,从而提高了锂电池的安全性。

    报告中还提到了如何解决用锂金属取代传统石墨负极而不必使用固态电解质的问题。

    众所周知,特斯拉使用的是高比能18650电池,新车型Model 3使用的是能量密度更高的21700电池。特斯拉采用液冷式热管理系统设计能够确保其电池以最高效率、最优化状态运行,从而最大化电池寿命以及效能表现。

    而此次特斯拉宣称研发出了比固态电池能量密度更高、寿命更长、成本更低的新型锂电池,有助于进一步提升其产品竞争力。

    但特斯拉是否会采用该新型电池以替代圆柱电池还不得而知,在正式商业化量产之前也要经过足够的验证和测试。

    值得注意的是,除了该新型锂电池之外,特斯拉还在采用其它技术研发新的电池。

    外媒报道称,电动汽车制造商特斯拉首席执行官埃隆•马斯克(Elon Musk)暗示,或者说几乎已经证实,该公司正在利用从麦克斯韦(Maxwell)那里收购的新技术自主开发电池。

    虽然Maxwell主要以生产超级电容器而闻名,但业内认为特斯拉对Maxwell用于锂离子电池的新型干电极技术更感兴趣。

    Maxwell在去年发表的一篇“干电极涂层技术”论文中,Maxwell的首席化学家和电池科学家描述了他们的涂层技术:与传统的浆液浇注湿涂层电极不同,浇注的DBE电极具有显著的高负载,并能产生厚电极,在不影响物理性能和电化学性能的情况下,实现高能量密度电池。与湿涂电极相比,Maxwell的DBE电极具有更好的放电速率性能。

    Maxwell通过生产具有出色的长期电化学循环性能的坚固的自支撑干涂层电极薄膜,以及大于10Ah容量的大型袋式电池原型,证明了其可扩展性。

    Maxwell宣称,在2c放电条件下,一组包含干涂层电极的五个电池的容量保持率在90%以上。至于耐用性,Maxwell公司声称,其电池技术在经过近1500充放电次循环后,仍可保持近90%的容量

    此外,Maxwell还声称,其电极能使当前演示单体电池的能量密度超过300 Wh/kg,并且它们能看到超过500 Wh/kg的实现路径。

    由此可见,特斯拉正在通过多种路径研发新型锂电池或者其它电池技术,目的是将电池核心技术掌握在自己手中。尽管特斯拉并没有表明是否会自己生产电池,但公司正在逐步掌握先进电池的研发和生产能力,以确保其在电动汽车领域保持领先优势和地位。

相关报告
  • 《如何利用先进材料提高下一代EV电池的效率》

    • 来源专题:工程机械与高端装备
    • 编译者:Hazel
    • 发布时间:2025-05-07
    • 随着电动汽车需求激增,对高效可靠电池技术的需求日益迫切。先进材料将成为突破下一代动力电池性能瓶颈的核心钥匙,工程师需通过以下战略布局引领电动出行革命。 电动汽车电池面临的挑战 由于多种因素,电动汽车市场目前在电池设计方面面临巨大压力。一个主要问题是采购原材料,例如锂、钴、镍和石墨。这些物品对于当今EV电池的功能至关重要,但它们的需求正在飙升。研究人员预测,到2050年,需求将增长26倍,其中钴增长6倍,镍增长12倍,石墨增长9倍。由于全球努力实现交通脱碳,从而加剧了资源争夺,供应链紧张导致成本飙升。 另一个挑战是温度对电池性能和使用寿命的影响。高温会加速电动汽车电池内的化学反应速度,导致热失控和锂镀等问题。这些情况会降低电池质量,损坏电池保护层并减少活性锂的数量。 最后,在不影响安全性或使用寿命的情况下实现更高的能量密度仍然是一个持续的挑战。当前的设计通常需要权衡。例如,增加能量密度会降低热稳定性,使电池更容易过热或退化。这种平衡行为使材料选择和电池架构复杂化。因此,电动汽车市场对能够在各个方面提供的创新解决方案有更大的需求。 电动汽车电池中的先进材料 性能、安全性和可持续性方面的最新发展极大地改进了EV电池。一些关键创新包括以下内容: 1.硅基阳极 工程师越来越多地将硅基阳极集成到锂离子电池中,以提高能量密度。与石墨阳极相比,硅具有更高的锂存储容量,可能会增加电池续航里程。然而,循环期间的体积膨胀需要纳米级工程和复合材料等解决方案来保持结构完整性。 2.固态电解质 这些材料作为液体电解质的更安全替代品而受到关注。它们通过消除易燃组件来降低热失控的风险。此外,它们还支持使用锂金属阳极,从而提高能量密度。固态电池还可以在10分钟内充电,并在80次充电循环后保持6,000%的容量。目前的研究重点是提高离子电导率和扩大生产以实现商业可行性。 3.高镍阴极 高镍阴极提高了能量密度,同时减少了对钴的依赖,钴是一种昂贵且存在争议的材料。它们提高了电池续航里程和功率输出。然而,它们对降解和热不稳定性的敏感性带来了一些问题,先进的涂层和掺杂技术可能会解决。 4.硫化物固态材料 硫化物固态材料是下一代固态电池的有前途的组件。它们具有出色的离子电导率和柔韧性,使其适用于大规模应用。它们与高容量阳极兼容,进一步提高了它们彻底改变EV电池设计的潜力。 5.石墨烯与碳纳米管 石墨烯和碳纳米管可以提高电池的导电性和耐用性。这些材料有助于加快充放电循环并提高机械稳定性,尤其是在高能量密度电池中。研究这些材料的可扩展制造工艺对于提高采用率至关重要。 在EV电池中利用先进材料的策略 利用先进材料可能会带来成本、可持续性和可扩展性方面的挑战。以下方法有助于克服问题,同时提高性能和效率: 1.采用纳米技术和2D材料 纳米技术和2D材料使工程师能够实现更高的性能,同时最大限度地减少重量和成本。例如,石墨烯的导电性和机械强度改善了电池内的电子流动。虽然这种2D材料提高了充电速度,但它减少了运行过程中的能量损失。将这种材料加入电池电极,设计人员可以在不牺牲性能的情况下实现更轻、更高效的设计。 2.根据应用需求优化材料选择 设计下一代电动汽车电池需要了解特定的性能需求,例如能量密度、安全性、充电速度或成本效益。然后,工程师选择与这些目标相关的材料,以最大限度地提高电池性能,同时应对挑战。例如,芝加哥大学的研究人员使用碳纳米管复合材料开发了一种锂硫电池,以克服硫在充电循环过程中降解的趋势。结果是原型的能量密度是传统锂离子电池的三倍 。如果工程师想要实现卓越的性能和更长的电池寿命,他们可以考虑这种类型的创新。 3.尝试新的制造技术 3D打印等新的制造方法可以改进电池生产流程并创造尖端设计。3D打印可以更精确地制造电池组件,实现优化材料使用和能量密度的复杂设计。借助3D打印,设计师可以创建具有可定制形状和结构的电极,从而确保更好的离子流和更高的性能。例如,印刷的多孔电极为反应提供了更大的表面积,从而提高了充电速率和整体电池容量。 4.数字孪生与预测建模降低原型开发成本 先进的原型技术为降低研发成本、加速动力电池开发提供了创新路径。工程师可利用数字孪生技术构建电池系统的虚拟镜像,模拟不同工况下的性能表现。这项突破性技术既能实现设计的快速迭代优化,又能减少材料浪费与制造成本。通过实时仿真,研发团队可在早期阶段识别潜在问题,确保更顺畅的产业化过渡。 预测性人工智能(AI)物理模型进一步强化了这一流程:基于机器学习算法分析材料相互作用,预测电池长期演变规律。该系统不仅能定位性能薄弱环节,更能为材料优化提供数据洞见,最终实现效率最大化。 5.使用轻量化材料提升能效 轻量化材料对于提高能效、延长续航和提升整体性能至关重要。以长纤维热塑性塑料(LFTs)为例,其材料密度较金属减轻40%,有效降低电池包重量,从而提升能源效率并扩展车辆续航里程。LFTs特别适用于替代电池外壳和支撑结构中的重金属部件。这类材料不仅能增强设计灵活性,还具备优异的抗冲击性能,完全满足电动汽车严苛的应用要求。此外,改用热塑性材料可显著降低生产和运输成本,助力制造商打造更高能效、更具成本优势的电动车型,以应对市场对高性能车辆日益增长的需求。 电动汽车电池设计的创新突破 采用先进材料是推动下一代电动汽车性能跃升的必由之路。这不仅能够满足电动汽车市场快速增长的需求,更能提供更安全、高效且环保的电池解决方案。随着行业不断发展,工程师需要持续突破技术边界。当下对这些先进技术的投入,将为构建更清洁、更电气化的未来奠定坚实基础。
  • 《晶体硅异质结太阳电池或将成为下一代主流光伏电池》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-11-08
    • 相对于其他太阳能电池,HIT电池的优势主要体现在:效率高、低光衰、温度系数低、弱光响应高等。 晶体硅异质结太阳电池(Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer,HIT)是利用非晶硅薄膜与单晶硅衬底异质结结构的太阳能电池,是一种可以低成本实现的高效晶体硅太阳能电池,该电池是以高寿命的n型硅为衬底,在经过制绒清洗的硅片正面依次沉积本征非晶硅薄膜、p型非晶硅薄膜,从而形成p-n异质结。 相对于其他太阳能电池,HIT电池的优势主要体现在:效率高、低光衰、温度系数低、弱光响应高等。以衰减来说,困扰晶硅太阳能电池最重要的问题之一就是光致衰减,而HIT电池天然无衰减,甚至在光照下效率有一定程度的增加,中国科学院上海微系统与信息技术研究所在做HIT光致衰减实验时发现,光照后HIT电池转换效率增加了2.7%,在持续光照后同样没有出现衰减现象。这些优势带来的最明显的特征就是,电池具备更高的发电能力、度电成本更低。 HIT电池最早由日本三洋公司于1990年成功开发,由于HIT已经被三洋公司申请为注册商标,所以后来出现的HJT、HDT、SHJ其实指的都是异质结电池,2015年三洋公司的HIT专利保护结束,技术壁垒消除,各国企业和研究机构纷纷加大对HIT的技术研发和产业化投入。 2015年以来,我国也有不少企业积极参与到HIT电池的研究开发领域,根据新思界产业研究中心发布的《2020-2025年晶体硅异质结太阳电池(HIT)行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示,预计2020年,国内就将有4.5GW的HIT投运,约占全球投运总量的31.2%。浙江爱康光电科技有限公司、通威股份有限公司、汉能控股集团有限公司、晋能集团有限公司等是国内最早布局HIT电池的企业,并且于近两年陆续完成中试线,尤其是爱康科技于2020年7月29日披露对外投资公告称,浙江爱康光电科技有限公司900MWHIT电池组件项目已经投产。 我国HIT电池正处于产业化初步阶段,目前国内HIT电池研究开发企业众多,除浙江爱康光电科技有限公司、通威股份有限公司、汉能控股集团有限公司、晋能集团有限公司等企业外,还有十余家研究机构和企业已经展示其HIT研发效率,如钧石效率为25.00%,上微效率为23.18%,上澎效率为22.50%等等。 新思界产业研究员表示,HIT电池制备工艺步骤简单,且工艺温度低,且产品具有发电量高、稳定性高、无衰减、成本低的优势,随着行业不断的技术进步和政策推动,HIT电池性价比优势显现,有可能替代晶硅太阳能电池成为下一代主流光伏电池。 新思界产业研究院 新思界致力做最好的产业研究平台,建立了以市场调查、行业研究、规划咨询等为核心的国内业务体系,以海外市场调查、海外公司选址与注册等为核心的海外业务体系为客户提供全方位的国内外产业咨询服务。