解析:特斯拉如何增加动力电池的电量

新浪汽车

近期,特斯拉的100kWh车型,已经通过了欧盟认证机构RDW的评估。这意味,Model S/X 100D车型即将问世!其续航里程理论值将达到613km(基于NEDC标准)。

按照欧盟规定,在欧盟成员国上市销售的车型,都必须经过其授权机构的认证方可。RDW是特斯拉委托的一家荷兰的公司,经其认证后即可获得在欧盟销售的许可。本文,我们来探究下,这个100kWh是如何做到的?

解析:特斯拉如何增加动力电池的电量

Elon Musk曾经说过,特斯拉的续航(电量)要以每年5%的速度增加。从当前电池组的迭代情况来看,这个目标基本实现。除作为入门级配置的60kWh外,70kWh、85kWh均已分别升级为75kWh和90kWh。

不久之后,100kWh和120kWh的电池组也将进入选配清单。目前,60kWh仍然作为一个乞丐版配置存在,以促进特斯拉的销量。真正有故事的,是70kWh和85kWh,是如何各增加5kWh电量的。

有一点可以肯定,那就是电池组电量增加过程中,其电池组的结构是没有改变的。内部电池包(Battery Module)的数量也并未发生改变。我们先来简单了解下特斯拉电池组的内部构造。

60kWh内部有14个电池包,每个电池包内含384个电芯,共计有5376个电芯组成;85kWh由16各电池包组成,每个电池包内含444个电芯,共计7102个电芯组成。

后来加入的70kWh,实际上是一个75kWh电池组,经过软件限制而来的。多余的5kWh,最初被当做一个价值3000美元的选装包提供给车主。只要通过OTA软件更新,70D就可以变为75D。

那么问题来了,75kWh电池组是怎么来的?关于这个问题,特斯拉官方并没有做出技术解释。根据作者的判断,75kWh其实是85kWh电池组,减少2个电池包而来的。在85kWh电池中,每个电池包的容量是5.3kWh,14个这样的电池包就是74.2kWh。

这就是70kWh、75kWh,以及85kWh之间的关系。至于60kWh,这只是一个为了降低准入门槛而设置的配置而已。那么,90kWh又是怎么来的呢?

从85kWh到90kWh,多了5kWh。是多加了一个电池包吗?在85kWh的电池组结构中,已经无法再叠加电池包。唯一的可能性就是更换了新的电芯。当然,其采用的依然是18650型号的电芯,只不过化学材料有所调整,增加了能量密度。

在这道工序中,特斯拉将电芯的石墨阳极中,添加了少量的硅,从而提升了电芯的能量密度。

在阳极中加入硅,已是电池领域公认的可以提升能量密度的办法。为避免不断叠加电池包,而造成的电池组质量过大,特斯拉接下来只能把重点放在研发高能量密度的电芯上。然而,对于三元锂离子电池来说,要想通过硅来增加能量密度,远没有那么简单。

其基本原理是:在石墨阳极中加入硅后,由于硅原子的结构相比石墨能够容纳更多的锂离子,导致阳极对锂离子的吸纳能力增强。单次充放电循环中,阳极锂离子越多,能量密度也就越大。

然而,硅在充分吸纳锂离子后,其体积会膨胀300%,比石墨吸纳锂离子后的膨胀率7%要大很多。这种反复的体积变化,会造成固态电极变得“松软”,容易崩离。以此,电池的循环寿命就会降低。

另外一层因素,是硅阳极由于充放电时的膨胀/伸缩特性,会破坏锂电池电解质SEI膜的形成。这个膜是在锂电池初次循环时所形成的,对于阳极材料有保护作用,可以防止材料结构崩塌。

基于上述原因,采用硅材料做阳极,虽然能量密度可以显著提升,但也伴随着副作用,最终会导致电池寿命缩短。所以,特斯拉采取的方案是,逐步在石墨阳极中添加少量的硅,在能量密度和循环寿命中寻找平衡点。

解析:特斯拉如何增加动力电池的电量

众所周知,特斯拉采用的18650电池是由松下生产的。随着双方合作加深,特斯拉也在研发新的圆柱形电池。在Model 3正式投产后,新型21700电池将取代18650,成为新的电芯。

21700电池依然是三元锂电池,阴极材料是镍钴铝酸锂(NCA)。这种圆柱形三元电池,是目前能量密度最高的动力电池解决方案。相比方块形电池,此类电池虽然能量密度高,但稳定性较差,需要有较为出色的BMS(电池管理系统)支持。

特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型电池,额定电压3.6V,容量3.1Ah。之前的85kWh电池组采用的是NCR18650B型电池,额定电压3.6V,容量3.1Ah。

90kWh的电池型号不得而知,但应该不是直接由松下提供成品,而是特斯拉与松下共同研发,专供特斯拉车型的定制化电芯。目前,松下生产的18650电池中,NCR18650G型是容量最高的型号,达到了3.6Ah。如果按照这个计算的话,85kWh电池组中的7102颗电芯,替换为G型电池,正好是90kWh。

所以,有一种可能性就是90kWh电池组中,电芯是NCR18650G型;而85kWh电池组中,电芯是NCR18650B型。总之,在电芯数量不变(电池组结构不变)的情况下,只有把单个电芯的容量提升至3.6Ah,才能确保90kWh的电量。

而要实现100kWh,有2个方案:一是再叠加2个电池包,按照每个电池包5.3kWh的容量,正好可以得到100kWh;二是替换能量密度更高的电芯。作者认为,后者是最佳,也是最有可能的一个方案。

因为90kWh是基于85kWh的电池组结构而来的。这个结构在18650电池规格下,已经定型,更改其设计结构的成本是很高的。事实上,电池组中已经没有空间再叠加更多的电池包了。

如果增加电池包,不但电池组质量会增加,电池组的冷却循环系统都要改动。所以,提升电芯容量,才是最经济可行的方案。

试想,在100kWh的电池组中,不改动电池组结构的情况下,单个电芯的容量要提升至3.9Ah,才有可能实现100kWh的容量。所以,作者猜想特斯拉已经与松下研发出了3.9Ah的18650电芯。这一功劳只能归功于阳极中的硅。

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