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特斯拉或將在動力電池領域投出利器 硅納米線技術有何與衆不同?

http://finance.sina.com   2020年09月18日 02:25   北京新浪網

  原標題:特斯拉或將在動力電池領域投出“利器”,這項技術究竟有何與衆不同?

  來源:上海證券報  

  在技術上特立獨行、屢屢給人意外驚喜的特斯拉,或將在動力電池領域投出重磅“利器”。

  特斯拉2020年度股東大會將於9月23日舉行,大會後將召開特斯拉的“電池日”活動。根據特斯拉及其創始人馬斯克近期透露的消息,特斯拉可能在“電池日”發佈基於硅納米線的全新電池,硅納米線也有望成爲動力電池能量密度等性能提升的關鍵材料。

  此外,有中資參與的電池技術商Amprius(安普瑞斯)亦有望和特斯拉展開合作。但對這一新技術,業內專家表達了謹慎樂觀態度。

  解密硅納米線技術

  據馬斯克近期透露,特斯拉將在3到4年內量產能量密度400wh/kg的動力電池,相比現有體系提升50%。

  值得注意的是,特斯拉日前發佈了“電池日”活動的註冊頁面,背景圖片非常抽象,但其中卻內藏玄機,相關業內人士研究後認爲,這是新電池材料——硅納米線的結構圖。

特斯拉“電池日”活動的註冊頁面特斯拉“電池日”活動的註冊頁面

  硅納米線是一種新型的一維半導體納米材料,線體直徑一般在10nm左右,內晶核是單晶硅,外層有SiO2包覆層。硅納米線的應用關鍵在於提高電池陽極的儲電量。業內專家對小編介紹,其實硅納米線的研究結果早在2007年12月15日就曾發表在國際權威期刊《自然納米技術》雜誌上, 其主要作者就是斯坦福大學材料學家崔屹。

  此前研究發現,當電池充電時,帶正電的鋰離子將吸附住電流中的電子,並移動到陽極。當電池放電時,鋰離子放出原來吸附的電子,放出電能,並通過導電膠回到陰極。傳統電池的陽極由非常薄的碳原子層組成,而儲存一個鋰離子需要六個碳原子。

  相比之下,硅的儲電潛力巨大,因爲一個硅原子就能儲存四個鋰離子。但當研究人員用硅薄層或硅離子製成電池陽極時,大量高速運動的鋰原子會將陽極的硅擊碎,甚至還會破壞硅原子與底層金屬基底的聯繫,減弱其效力。 

  崔屹團隊發現,用須狀硅線製成的電池陽極能大大改善這一狀況。研究人員在不鏽鋼基底上培育了一大片硅納米線,然後加入普通的電解液和電極製成簡單的電池。在一系列實驗中,硅納米線不停地膨脹和收縮,但始終沒有從基底脫落。崔屹團隊認爲,主要原因在於納米線的形狀使硅原子點陣能沿着線迅速膨脹收縮,從而緩解了結構應變,使納米線牢牢附着在金屬基底上。通過這種辦法硅陽極儲存的電量比傳統石墨陽極要高10倍之多。

  業內專家分析表示,理論上硅作爲負極材料可以儲存大量電能,但由於硅在充放電過程中體積變化極大,容易破碎,因此一直難以取代石墨。崔屹開發的新技術能夠避免這樣的硅膨脹,形象來說,使用的硅結構在納米級上類似於一個個刷毛,給出了足夠的膨脹空間,不會引發碰撞進而使硅產生破裂。

  公開資料顯示,特斯拉電動車此前所使用的動力電池中,能量密度最高的爲由松下供貨的NCA“2170”電池,其單體能量密度達到256Wh/kg,這意味着400Wh/kg電池在此基礎上將能量密度提高了近50%,這一能量密度甚至足以驅動一架電動飛機。

  動力電池廠家各顯其能

  “硅基負極材料是動力電池技術下一步升級路線之一。”長期跟蹤新能源汽車動力電池發展的羅蘭貝格總監時帥對小編說,隨着電動車的快速發展,現在的石墨負極材料無法滿足高容量、高性能的需求。硅材料比容量高,但充放電過程存在一些技術難題需要解決,比如體積膨脹。現在來看,納米化確實是一個有效的問題解決途徑,特斯拉能否將該技術成功產業化,要看量產的完備成程度以及成本等因素,將是一項有希望的技術革新。

  不僅是特斯拉渴望技術革新,中國也是全球動力電池領域的重要參與者。寧德時代和比亞迪也正在加緊技術革新。

  A股最大的動力電池上市公司寧德時代2020年6月正式宣佈推出新型長壽命電池。該款電池採用自修復長壽命技術,可實現16年超長壽命或200萬公里行駛里程,成本較現有電池增加不到10%。

  據公司有關負責人介紹,寧德時代自修復長壽命電池技術的核心在於減緩容量衰減速度,即控制活性鋰消耗速度。寧德時代相關專家表示,該技術通用於三元材料和磷酸鐵鋰材料,已經具備量產能力,能夠緩解用戶里程衰減的痛點,大幅降低電池使用成本,提升電動汽車相對於燃油車的經濟性。

  比亞迪也在今年推出了廣受關注的刀片電池,雖也屬於磷酸鐵鋰電池,但是刀片電池由於獨特的內部結構,使得整體的能量密度也較高,刀片電池在續航方面也可比肩三元鋰電池。

  比亞迪旗下弗迪電池副總經理孫華軍日前表示,正常情況下搭載刀片電池的“比亞迪漢”,在零下十度以下仍能放出常溫下90%的電,放電功率與三元鋰電池基本持平。在電池性能上,刀片電池33分鐘可將電量從10%充到80%、支持電動汽車百公里加速達到3.9秒、循環充放電超3000次、可保證電動汽車行駛120萬公里,按照規劃,搭載刀片電池的電動汽車續航里程有望達到700公里至800公里。

  另外,價格昂貴一直是動力電池的軟肋,比亞迪憑藉刀片電池,將成本進一步壓縮,刀片電池的成本甚至將低於600元人民幣/KWh。

  不過,在決定電池性能的關鍵數據能量密度方面。刀片電池系統現在能量密度爲140Wh/kg,比亞迪人士透露,未來一兩年,刀片電池能量密度還將進一步提升至160-170Wh/kg。寧德時代目前的磷酸鐵鋰電池能量密度達161.29Wh/kg,寧德方面還沒透露未來的新型長壽命電池的能量密度。

  技術前景還需檢驗

  引人關注的是,電池製造商Amprius近期已經將美國辦公室搬到了距離特斯拉Tera電池製造工廠非常近的距離,該工廠就是特斯拉計劃舉行“電池日”的地方。

  Amprius成立於2008年,是由新型硅納米線電池研發者崔屹及資深風投合夥人Mark Platshon一起創辦。Amprius公司方面此前已經表示,硅納米線將能給電池技術帶來巨大突破,電池能量密度提升 50%的幅度遠遠高於目前業內平均年5%的增幅。

  2018年5月22日,Amprius公司完成鋰離子電池硅納米負極生產線製備並投入中試生產。這是世界上第一條、也是唯一一條雙面連貫印刷式、高精度、3維納米線生產線。這條生產線的建成初步實現了高容量硅納米線負極的規模生產。但公司高層此前在談到相關業務時表示,如果無法擴大規模,公司可能會“死掉”。如果能獲得特斯拉和馬斯克的垂青及後續大規模投入,崔屹團隊和投資人有望能看到硅納米線技術變現的曙光。

  Amprius的總部雖然位於美國硅谷,但其在江蘇無錫也有工廠,該工廠目前生產鋰離子聚合物電池。從資本結構來看,來自中美兩國的投資者之前已經共同向Amprius公司注資了約 1.4 億美元,其中主要包括兩家硅谷風險投資公司 Trident Capital 和Kleiner Perkins,一家中國私募股權公司SAIF Partners(賽富中國),還有作爲江蘇省內國有投資公司的無錫工業發展集團,另外,A股公司南天信息參股的公司盈富泰克也投資了Amprius。

  在硅納米線的產業鏈方面,A股上市公司中國寶安在新三板上市的子公司貝特瑞的硅碳負極較早實現產業化,貝特瑞的硅碳負極產品技術和量產出貨能力在國內處於領先低位。

  “馬斯克的執行力非常強,但是對於實驗室走出來的新技術還需要嚴格驗證。”上海交通大學汽車節能技術研究所所長殷承良指出,目前硅納米線的技術主要還是實驗室數據,在電動汽車上要真正實現應用還要經過一系列技術試驗和安全考驗。之前也有一些企業宣稱自己做出了很高能量密度的電池產品,有的數據都已經突破300Wh/kg了,但實驗室裏的數據還不能算真正量產裝車的動力電池能量密度。

  在殷承良看來,很多實驗室數據不錯的技術在後續應用場景的測試中,並不穩定,有時性能數據一下可以掉一半之多,IBM幾年前曾經宣佈開發鋰空氣電池,目前也沒有很好的應用實現。

  除了性能需要保持之外,殷承良還指出,汽車因爲是載人交通工具,又在各種不同路況環境中處於快速行駛狀態,所以安全性非常重要,硅在充放電過程中體積變化極大等問題需要重視,實驗室情景下的安全並不能平移等同於車輛實際行駛中的安全。

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