文 | 鋅刻度,作者 | 羅世浩,編輯 | 李覲麟

讓全球新能源電動車最頭疼的電池問題在今年6月有了新的突破。

2019年6月11日,特斯拉在加拿大的電池研究小組提交了一項新的專利申請,其主要內容是分析鋰電池中的電解質,其團隊稱這項研究有助于防止電池故障。

“如果該項技術能早日應用到新能源汽車電池領域,將會有里程碑的意義。”Jeff Dahn介紹。

新技術將提供前所未有的高容量

該專利是由Jeff Dahn領導的特斯拉電池研究小組提交的,這距Jeff Dahn入駐特斯拉僅僅過去三年。

Jeff Dahn被認為是鋰離子電池的先驅。鋰電池自從被廣泛應用后,他便一直致力于鋰電池的研究領域以及增加鋰電池的生命周期,并幫助其研究成果商業化。

據外媒稱,目前Jeff Dahn的主要工作集中在增強電池的耐久度和電池能量密度的研究上。

從他開始研究開始,Dahn就與工業界密切合作。在Simon Fraser大學任職期間,他曾與E-One Moli Energy合作。

在1996年搬到Dalhousie后,Dahn成為NSERC / 3M(加拿大自然科學與工程研究委員會)加拿大先進電池材料工業研究主席,并且開始了長達20年的任期。

自2016年6月,Dahn開始與特斯拉汽車公司建立長達5年的研究合作伙伴關系,以提高鋰離子電池的能量密度和壽命,同時降低成本。

通過這項協議,特斯拉為其在新斯科舍省哈利法克斯附近的達恩集團附近投資了一個新的研究實驗室。

Jeff Dahn

值得一提的是,在今年5月美國陸軍開發的新型鋰離子電池技術引起了Jeff Dahn的興趣,據了解,這種新型鋰離子電池技術“完全不含過渡金屬,并通過可逆地儲存高電位(~4.2 V)的鋰離子,提供前所未有的高容量。”

這項新技術“開啟了一種可能性,即顯著提高鋰離子電池的能量密度,同時由于電解質的水性而保持其安全性。”但沒人知道這項技術為Jeff Dahn的鋰電池研究帶來了多少幫助。

“在過去的幾年里,我們沒有從Dahn那里聽到太多的研究成果,但之前曾有報道,他的團隊一直在研究電解質的添加劑,以提高鋰離子電池的化學性能。”國外媒體報道,Jeff Dahn及其團隊于今年早些時候開始為特斯拉提供電池技術專利,如今是一個新的突破。

這項新的研究被稱為“確定鋰離子電池電解質組分濃度的方法和系統”。

如何理解這一項突破性專利?

達恩等人在專利申請摘要中描述了這項發明:

“提供了一種用于確定鋰離子或鋰離子電池中電解質組分濃度的計算機實現方法。該方法包括向光譜儀提供捕獲電解質樣品溶液的光譜并產生信號的指令。

該方法包括分析信號以確定光譜的一個或多個光譜特征。

該方法包括制備對應于具有預定濃度的電解質組分的溶液的光譜數據庫,其中數據庫包括多個用于每種溶液的光譜特征。該方法還包括使用光譜數據庫確定機器學習(ML)模型。 

特斯拉描述了當前電解質的問題以及如何分析它們的狀態:

鋰離子電池或電池失效的主要原因,特別是在高壓電池中,是電解質的降解,特別是在帶電電極的表面。

解決電池故障和電解質降解的現有解決方案集中于電解質分解產物的膜,其積聚在電極的表面上。這些薄膜含有衍生自電解質溶劑和電解質鹽的化學部分,例如六氟磷酸鋰(LiPF 6)。

例如,LiPF 6 分解成LiF和PF 5,后者容易水解形成HF和PF3O.這兩種水解產物在兩個電極上都具有高反應性,并且它們在LiPF 6 溶液中不可避免的存在可能對電極的性能產生不利影響。

盡管已經確定了鋰離子電池中電解質溶劑和電解質鹽LiPF 6 的消耗機制,但是沒有一種廉價和準確的方法來表征未知電解質并因此確定電解質已經降解的程度。

通常,電解質溶液的定量分析集中在昂貴的分析工具上,例如核磁共振(NMR)光譜儀,氣相色譜 - 質譜儀(GC-MS),高效液相色譜(HPLC)儀器和電感耦合等離子體光發射光譜儀(ICP-OES),需要大量時間進行分析。

此外,一些分析工具甚至不能直接測量電解質組分的濃度。

例如,基于色譜的方法中使用的色譜柱或檢測器不能暴露于LiPF 6的高溫分解產物,因此這些方法僅關注電解質的水溶性部分之后的電解質的有機部分。

通過特斯拉對專利的描述,不難看出,其提出的電池問題解決方案主要集中在電解質溶液的分析上。而電解液是電芯的主要構成部分。

“新能源車汽車的電池不能僅僅從一個方向來看,他實際上是一個相對復雜的系統。”電動車領域相關人士解釋,“為了更好的理解新能源汽車的電池,可以把它拆分為三個部分:

  1. 電芯:正極材料、負極材料、電解液,構成了電芯;
  2. 電池包:由數百至數千個電組成,俗稱Pack;
  3. 系統:電動車在加上傳感器(眼睛與耳朵)測電壓、電流、溫度等;用BMS(大腦)來思考決策;加上執行器(手腳)來控制開關,就成了系統。”

此前,國內外特斯拉電動車連續發生自燃事件,這讓新能源汽車的安全性再度遭到質疑。

有專家指出,鋰離子電池發生火災的情況通常是一個或多個電池單元內的短路,這會產生熱量并且產生的熱量可以點燃電池內的化學物質,這可能會在相鄰的電芯中引起問題并導致稱為“熱失控”的情況,導致火勢蔓延開來。

電動車電池三大構成部分:電芯、電池包、系統

從圖中也可以看出,電芯是所有電動車電池最基本也是最核心的一部分,電池老化甚至出現故障基本上也是從這一部分開始出現。

“特斯拉團隊目前做的應該是在電解液的部分添加一些新的化學成分。”相關人士指出,這應該是目前最高效和靠譜的方法。

解決電池問題,是新能源汽車騰飛的動力

顯而易見,一旦新能源電動車電池能得到有效的把控,那將會對新能源汽車行業的發展帶來質的飛躍。

目前,幾乎所有的電動車都是安裝鋰離子電池,相比磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池能量密度高、價格便宜,目前成為各大電動車廠家的選擇。

據了解,全球各大新能源電動車幾乎都搭載的是鋰電池,其中包括,特斯拉、蔚來、威馬等。

在電動汽車領域,要想提高續航里程,目前只能通過裝載更多電池或提升電池的能量密度。

但車輛的容積是有限的,能提供給電池的容積也是固定的,在美觀、安全性、速度等因素的限制下,只能通過提升電池的能量密度來提升續航里程,但這其中也包含了潛在的電池自燃等風險。

其他解決電池問題的方案都是在電池材質本身,但目前看來都不怎么靠譜。

比如,液流電池技術(很有可能是死胡同)、增程式發電技術(依然有較多污染)、石墨烯電池(商用化遙遙無期)以及此前大熱的氫燃料,最近也似乎逐漸銷聲匿跡了。

特斯拉燃燒后“暴露出來的”鋰電池

據了解,目前消費者在考慮購買電動車的最大擔憂除了續航能力之外就是電池的安全性。

這兩大問題也是新能源電動車的老大難。但現今特斯拉團隊對鋰離子電池的研究在這兩各領域都突破。

“電動汽車的安全涉及不同的層級,從材料到電芯到電池系統、電動汽車呈現給消費者的就是電動汽車的安全。”塔菲爾新能源科技集團董事長兼總裁龍繪錦表示,“現在有人說是材料不安全,有人說電芯不安全,我們需要從系統層面解決整個電動汽車的安全問題,一旦解決了電池問題,電動車的發展將呈現直線上升。”

“毫無疑問這項針對電離子鋰電池的技術對全球電動車行業來講是具有劃時代意義的。”資深汽車媒體人黃超(化名)指出,一旦開始進行商業應用,對特斯拉來講也會是其在電動車領域持續領先的利器。

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專注科技互聯網、人工智能、無人駕駛等新經濟領域的一線調查報道,公眾號ID:beefix

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鋅刻度 鋅刻度 發表于  2019-06-12 09:20
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