特斯拉成功申請4000次充放電專利,電池壽命達160萬公里

特斯拉成功申請4000次充放電專利,電池壽命達160萬公里

據報導特斯拉CEO伊隆‧馬斯克希望將電動汽車電池的使用壽命延長到160萬公里,該公司提交的新專利也證實特斯拉正在加速實現這個目標。該項新專利描述了新的電池鋰化製造過程中採用的鎳鈷鋁(NCA)電極合成方法與工藝,新工藝能夠極大提升電池壽命,同時還能降低電池製造成本。

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目前,特斯拉一直就該項新技術申請美國專利和國際專利。據最新消息,特斯拉公司已經通過加拿大特斯拉分公司就該電池技術申請通過了國際專利。

特斯拉研發超長壽命電池不是秘密

這次特斯拉電池新專利的曝光,從去年就有訊息透露特斯拉正在研發超長使用壽命電池。

2019年,特斯拉的電池研究方向合作商 JeffDahn 發表了一篇關於電池的新論文,論文中提到正在與特斯拉合作開發的電池使用里程超過160萬公里,新電池在零下40度的極端溫度下能持續進行4000次充放電循環。

同樣是在2019年,特斯拉在電池領域動作頻頻,宣佈2.18億美元以溢價55% 收購 Maxwell 電池公司、自建電池秘密研究中心和高校合作研究新電池技術等。

此次,特斯拉提交的新專利名為「鎳鈷鋁(NCA)電極合成方法」,描述了電池生產當中新的高效新電極合成方法,被稱為鎳鈷鋁電極加熱工藝。

以前的加熱方法有時會導致名為鋰基板(L15AIO4)的雜質形成,而降低電池中的鋰含量,雖然可以減少汙染,但也會導致電化學性能較差。

對於這種現象新專利中也所提到,電池將被加熱到足以使單晶生長的溫度。修正後的鋰與其他金屬的比例將限制第一次加熱過程中雜質的形成。鋰將在低於第一個加熱週期的溫度下進行第二次加熱。

參與該專利的研究人員指出,這一過程有助於開發無雜質的單晶 NCA,使電池可以達到4000多次充放電循環,進而使電池使用壽命高達160萬公里。

現階段,特斯拉車型所使用的電池壽命遠遠達不到160萬公里,其實車輛設計之初就已經考慮到160萬公里使用目標,目前車身結構、電驅系統以及電子系統壽命都可以做到,但電池無疑是短板。當前特斯拉動力電池壽命只有50萬公里左右。

屆時特斯拉的160萬公里使用壽命電池問世,對車用電池行業絕對是一次革命式創新,絕對是非常偉大成就。

目前許多車型上三元鋰電池充放次數大概在1000次左右,最耐用的磷酸鐵鋰電池也僅在2000次左右充放次數,未來充放次數可以達到4000多次的特斯拉新電池問世後毫無疑問具有壓倒性優勢。

不過這個新款電池搭載到了特斯拉各個車型上,也不代表這輛車就能開到160萬公里,因為汽車使用壽命取決於很多因素,同整車的零組件品質,製造和車輛工藝都有很大關係。

內燃機汽車從誕生到使用已經100多年,生活中行駛里程在100萬公里以上的也並不多見。

內燃機技術目前已經非常成熟,生產成本也比較低,可維修性很強。電動車電池一旦出現問題需要更換,成本不僅昂貴且維修難度也非常大,開發長續航電池是急需解決的問題,而研發超長使用壽命電池也是大的行業趨勢。

特斯拉成功申請4000次充放電專利,電池壽命達160萬公里

新能源汽車兩種主流電池

酸磷鐵鋰電池

目前,新能源汽車領域使用最多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池這兩種類型電池。

酸磷鐵鋰電池,是用酸磷鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。(鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰等)。

酸磷鐵鋰電池

優勢:

  1. 造價低、便宜
  2. 安全穩定:耐高溫、不易燃。
  3. 穩定性是目前車用車用電池中最好的,前文提到過2000次左右充放次數也是目前電池種類中最高的。

劣勢:

  1. 能量密度較三元鋰電池、鈷酸鋰電池仍有不小的差距。
  2. 體積大、較重,裝車時會占用車內大量空間,並迫使整車重量的增加。
  3. 溫度過低的情況下,會嚴重影響使用壽命,磷酸鐵鋰電池應用的車型,不適合中國北方寒冷地區使用。

三元鋰電池

三元鋰電池,是指正極材料為鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池。

優勢:

  1. 體積小,能量密度高,存電能力強(高階電車首選電池方案)
  2. 能較好適應寒冷天氣,低溫時充放電,電池更加穩定。

劣勢:

  1. 循環使用壽命低,對車輛使用是一種成本提升。
  2. 成本較高(雖然經過這兩年提升三元鋰電池規模,製造成本已經大幅下降,對售價低車型仍然屬於售價偏高)。
  3. 穩定性差,三元鋰電能量密度比高,安全穩定性必然比酸磷鐵鋰電池低(並且三元鋰材料的化學反應尤其強烈,50-300℃高溫就會產生分解,一旦釋放氧分子,在高溫作用下電解液迅速燃燒,隨即發生爆燃現象)。

石墨烯電池近幾年被吵的火熱,在實驗中,石墨烯電池可把數小時的充電時間壓縮至不到一分鐘。在鋰電池內添加石墨烯,可以幫助鋰電池降低產能時的熱量,最大限度上減少能量損失,避免了大量能量被浪費,減少了熱量對電池的損害,提高了電池的使用壽命。

石墨烯電池又稱「純金」打造的電池,在鋰電池內添加石墨烯,生產成本太過昂貴,根本無法大規模應用,石墨烯電池現階段僅用於航空航太這些不計成本行業。

目前新能源汽車石墨烯電池仍處於實驗階段,還沒有一款量產車型搭載。

當下磷酸鐵鋰電池在電動車行業已經使用非常廣泛,除開小型新能源汽車,像電動公車和其他重型車輛都在使用磷酸鐵鋰電池。

三元鋰電池這些年在國內迅速發展離不開國內前幾年新能源補貼政策,這幾年來國家在補貼上偏向長續航里程、電池系統能量密度高的車型,因此許多車企的產品都在向著三元鋰電池靠攏。

但當補貼退坡之後,很多低價和主打高性價比的車型就不得不重新考慮使用成本更低的磷酸鐵鋰電池。

特斯拉成功申請4000次充放電專利,電池壽命達160萬公里

特斯拉為什麼要開發超長壽命電池?

目前特斯拉使用單節18650以及最新21700電池,這兩種類型電池壽命現今遠遠達不到特斯拉新專利當中提到的160萬公里使用壽命。

2017年1月4日,特斯拉宣佈與松下聯合研發的新型21700電池開始量產。

在21700電池使用後,特斯拉官方也稱21700電池 比18650電池能量密度提升20%,系統成本預計下降9% 左右,重量也下降10% 左右,目前特斯拉 Model 3所使用的電池,由松下和 LG 化工這兩家公司生產提供。但是不管是18650電池還是21700電池,都屬於三元鋰離子電池。

2017年,易到用車被拍賣的12輛特斯拉營運車隊中,法院對車輛殘值採用電池的實際存儲容量進行估算。

這12輛特斯拉 model S 平均行駛里程16萬公里,原始續航力550公里,平均電池循環290多次,經過估算後平均續航力僅剩361公里。安裝百分比來算這些車輛16萬公里後衰減了34.36%,相當於電池已接近報廢標準,與其特斯拉官宣的5%相差甚遠。這在當時一定程度上影響到消費者對特斯拉電池的信心,也嚴重影響後來特斯拉車型在二手市場保值率。

電池衰減問題一直困擾著所有新能源車企,就算業界最優秀的特斯拉同樣如此,在使用三元鋰電池後,特斯拉經過3000次測試也只能保持70% 的電量,開發超長壽命也是極其緊迫事情。

特斯拉成功申請4000次充放電專利,電池壽命達160萬公里

160萬公里超長壽命電池離不開的電池管理系統

未來特斯拉新專利當中描述的160萬公里電池問世後,我們也不要忽視另一個核心。電池是電動汽車核心,而電池的核心在電池管理系統( BMS)。

包括特斯拉在內,國內外許多新能源汽車企業都將電池管理系統作為企業核心的技術來看待。

電池管理系統對於電動汽車來說是最重要系統之一,關乎電池的安全,是用來連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。

其主要功能包括:電池狀態預估、電池物理參數即時監測、線上安全報警和預警、充放電控制、熱管理等。

在特斯拉電動汽車「三大件」中,電池、電機和其它部件都採用外部採購,只有電池管理系統特斯拉一直堅持自主研發。

特斯拉所申請的核心智慧財產權大都與電池管理系統息息相關,可見電池管理系統對於新能源汽車的重要性。

簡單理解,iPhone手機在各項配置可能不如同價位品牌手機高,但透過iOS系統監控,使得每個零件之間相互配合,讓整部手機在流暢度、耗電量以及啟動速度各方都處於最理想狀態。

透過預測,未來超長壽命電池問世後或許會有新的電池管理系統跟著推出,兩者之間相互配合進而達到專利描述的160萬公里超長壽命,如果沒有特斯拉的那一套電池管理系統,假設新電池授權給其它新能源車企使用也預計達不到160萬公里壽命。

總結

目前在電池領域,特斯拉已於最初和松下合作發展成松下、LG化工、寧德時代這三家電池供應商。新專利曝光看的出特斯拉是想結束在電池受制於人狀態,打造電車重要三電系統均由自己生產控制局面。

除了自動駕駛技術和電池管理系統做到行業領先,相信在自研新能源汽車電池這個領域,特斯拉的新電池會比大家預計來的更快。特斯拉作為一家即造車又造火箭的綜合性科技公司,伊隆‧馬斯克的野心也比大家想像的要大。

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