在技術(shù)上特立獨(dú)行、屢屢給人意外驚喜的特斯拉，或?qū)⒃趧?dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域投出重磅“利器”。

特斯拉2020年度股東大會(huì)將于九月二十三日舉辦，大會(huì)后將召開特斯拉的“電池日”活動(dòng)。根據(jù)特斯拉及其創(chuàng)始人馬斯克近期透露的消息，特斯拉可能在“電池日”公布基于硅納米線的全新電池，硅納米線也有望成為動(dòng)力鋰離子電池能量密度等性能提升的關(guān)鍵材料。

此外，有中資參與的電池技術(shù)商Amprius（安普瑞斯）亦有望和特斯拉展開合作。但對(duì)這一新技術(shù)，業(yè)內(nèi)專家表達(dá)了謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度。

解密硅納米線技術(shù)

據(jù)馬斯克近期透露，特斯拉將在3到4年內(nèi)量產(chǎn)量量密度400wh/kg的動(dòng)力鋰離子電池，相比現(xiàn)有體系提升50%。

值得注意的是，特斯拉日前公布了“電池日”活動(dòng)的注冊(cè)頁(yè)面，背景圖片非常抽象，但其中卻內(nèi)藏玄機(jī)，相關(guān)業(yè)內(nèi)人士研究后認(rèn)為，這是新電池材料——硅納米線的結(jié)構(gòu)圖。

特斯拉“電池日”活動(dòng)的注冊(cè)頁(yè)面

硅納米線是一種新型的一維半導(dǎo)體納米材料，線體直徑一般在10nm左右，內(nèi)晶核是單晶硅，外層有SiO2包覆層。硅納米線的應(yīng)用關(guān)鍵在于提高電池陽(yáng)極的儲(chǔ)電量。業(yè)內(nèi)專家對(duì)小編介紹，其實(shí)硅納米線的研究結(jié)果早在2007年十二月十五日就曾發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然納米技術(shù)》雜志上，其重要作者就是斯坦福大學(xué)材料學(xué)家崔屹。

此前研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池充電時(shí)，帶正電的鋰離子將吸附住電流中的電子，并移動(dòng)到陽(yáng)極。當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子放出原來(lái)吸附的電子，放出電能，并通過(guò)導(dǎo)電膠回到陰極。傳統(tǒng)電池的陽(yáng)極由非常薄的碳原子層組成，而儲(chǔ)存一個(gè)鋰離子要六個(gè)碳原子。

相比之下，硅的儲(chǔ)電潛力巨大，因?yàn)橐粋€(gè)硅原子就能儲(chǔ)存四個(gè)鋰離子。但當(dāng)研究人員用硅薄層或硅離子制成電池陽(yáng)極時(shí)，大量高速運(yùn)動(dòng)的鋰原子會(huì)將陽(yáng)極的硅擊碎，甚至還會(huì)破壞硅原子與底層金屬基底的聯(lián)系，減弱其效力。

崔屹團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，用須狀硅線制成的電池陽(yáng)極能大大改善這一狀況。研究人員在不銹鋼基底上培育了一大片硅納米線，然后加入普通的電解液和電極制成簡(jiǎn)單的電池。在一系列實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，重要原因在于納米線的形狀使硅原子點(diǎn)陣能沿著線迅速膨脹收縮，從而緩解了結(jié)構(gòu)應(yīng)變，使納米線牢牢附著在金屬基底上。通過(guò)這種辦法硅陽(yáng)極儲(chǔ)存的電量比傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極要高10倍之多。

業(yè)內(nèi)專家分析表示，理論上硅作為負(fù)極材料可以儲(chǔ)存大量電能，但由于硅在充放電過(guò)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(fā)的新技術(shù)能夠防止這樣的硅膨脹，形象來(lái)說(shuō)，使用的硅結(jié)構(gòu)在納米級(jí)上類似于一個(gè)個(gè)刷毛，給出了足夠的膨脹空間，不會(huì)引發(fā)碰撞進(jìn)而使硅出現(xiàn)破裂。

公開資料顯示，特斯拉電動(dòng)汽車此前所使用的動(dòng)力鋰離子電池中，能量密度最高的為由松下供貨的NCA“2170”電池，其單體能量密度達(dá)到256Wh/kg，這意味著400Wh/kg電池在此基礎(chǔ)上將能量密度提高了近50%，這一能量密度甚至足以驅(qū)動(dòng)一架電動(dòng)飛機(jī)。

動(dòng)力鋰離子電池廠家各顯其能

“硅基負(fù)極材料是動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)下一步升級(jí)路線之一。”長(zhǎng)期跟蹤新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展的羅蘭貝格總監(jiān)時(shí)帥對(duì)小編說(shuō)，隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，現(xiàn)在的石墨負(fù)極材料無(wú)法滿足高容量、高性能的需求。硅材料比容量高，但充放電過(guò)程存在一些技術(shù)難題要解決，比如體積膨脹?，F(xiàn)在來(lái)看，納米化確實(shí)是一個(gè)有效的問(wèn)題解決途徑，特斯拉能否將該技術(shù)成功產(chǎn)業(yè)化，要看量產(chǎn)的完備成程度以及成本等因素，將是一項(xiàng)有希望的技術(shù)革新。

不僅是特斯拉渴望技術(shù)革新，我國(guó)也是全球動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域的重要參與者。寧德時(shí)代和比亞迪也正在加緊技術(shù)革新。

A股最大的動(dòng)力鋰離子電池上市公司寧德時(shí)代2020年六月正式宣布推出新型長(zhǎng)壽命電池。該款電池采用自修復(fù)長(zhǎng)壽命技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)16年超長(zhǎng)壽命或200萬(wàn)公里行駛里程，成本較現(xiàn)有電池新增不到10%。

據(jù)公司有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，寧德時(shí)代自修復(fù)長(zhǎng)壽命電池技術(shù)的核心在于減緩容量衰減速度，即控制活性鋰消耗速度。寧德時(shí)代相關(guān)專家表示，該技術(shù)通用于三元材料和磷酸鐵鋰材料，已經(jīng)具備量產(chǎn)量力，能夠緩解用戶里程衰減的痛點(diǎn)，大幅降低電池使用成本，提升電動(dòng)汽車相有關(guān)燃油車的經(jīng)濟(jì)性。

比亞迪也在今年推出了廣受關(guān)注的刀片電池，雖也屬于磷酸鐵鋰離子電池，但是刀片電池由于獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得整體的能量密度也較高，刀片電池在續(xù)航方面也可比肩三元鋰離子電池。

比亞迪旗下弗迪電池副總經(jīng)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，放電功率與三元鋰離子電池基本持平。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(dòng)汽車百公里加速達(dá)到3.9秒、循環(huán)充放電超3000次、可保證電動(dòng)汽車行駛120萬(wàn)公里，按照規(guī)劃，搭載刀片電池的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程有望達(dá)到700公里至800公里。

另外，價(jià)格昂貴一直是動(dòng)力鋰離子電池的軟肋，比亞迪憑借刀片電池，將成本進(jìn)一步壓縮，刀片電池的成本甚至將低于600元人民幣/KWh。

不過(guò)，在決定電池性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)能量密度方面。刀片電池系統(tǒng)現(xiàn)在能量密度為140Wh/kg，比亞迪人士透露，未來(lái)一兩年，刀片電池能量密度還將進(jìn)一步提升至160-170Wh/kg。寧德時(shí)代目前的磷酸鐵鋰離子電池能量密度達(dá)161.29Wh/kg，寧德方面還沒透露未來(lái)的新型長(zhǎng)壽命電池的能量密度。

技術(shù)前景還需檢驗(yàn)

引人關(guān)注的是，電池制造商Amprius近期已經(jīng)將美國(guó)辦公室搬到了距離特斯拉Tera電池制造廠非常近的距離，該廠就是特斯拉計(jì)劃舉辦“電池日”的地方。

Amprius成立于2008年，是由新型硅納米線電池研發(fā)者崔屹及資深風(fēng)投合伙人MarkPlatshon一起創(chuàng)辦。Amprius公司方面此前已經(jīng)表示，硅納米線將能給電池技術(shù)帶來(lái)巨大突破，電池能量密度提升50%的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前業(yè)內(nèi)平均年5%的增幅。

2018年五月二十二日，Amprius公司完成鋰離子電池硅納米負(fù)極生產(chǎn)線制備并投入中試生產(chǎn)。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(chǎn)線。這條生產(chǎn)線的建成初步實(shí)現(xiàn)了高容量硅納米線負(fù)極的規(guī)模生產(chǎn)。但公司高層此前在談到相關(guān)業(yè)務(wù)時(shí)表示，假如無(wú)法擴(kuò)大規(guī)模，公司可能會(huì)“死掉”。假如能獲得特斯拉和馬斯克的垂青及后續(xù)大規(guī)模投入，崔屹團(tuán)隊(duì)和投資人有望能看到硅納米線技術(shù)變現(xiàn)的曙光。

Amprius的總部雖然位于美國(guó)硅谷，但其在江蘇無(wú)錫也有廠，該廠目前生產(chǎn)鋰離子聚合物電池。從資本結(jié)構(gòu)來(lái)看，來(lái)自中美兩國(guó)的投資者之前已經(jīng)共同向Amprius公司注資了約1.4億美元，其中重要包括兩家硅谷風(fēng)險(xiǎn)投資公司TridentCapital和KleinerPerkins，一家我國(guó)私募股權(quán)公司SAIFPartners（賽富我國(guó)），還有作為江蘇省內(nèi)國(guó)有投資公司的無(wú)錫工業(yè)發(fā)展集團(tuán)，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(chǎn)業(yè)鏈方面，A股上市公司我國(guó)寶安在新三板上市的子公司貝特瑞的硅碳負(fù)極較早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，貝特瑞的硅碳負(fù)極產(chǎn)品技術(shù)和量產(chǎn)出貨能力在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先低位。

“馬斯克的執(zhí)行力非常強(qiáng)，但是有關(guān)實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)的新技術(shù)還要嚴(yán)格驗(yàn)證。”上海交通大學(xué)汽車節(jié)能技術(shù)研究所所長(zhǎng)殷承良指出，目前硅納米線的技術(shù)重要還是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，在電動(dòng)汽車上要真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還要經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)試驗(yàn)和安全考驗(yàn)。之前也有一些公司宣稱自己做出了很高能量密度的電池產(chǎn)品，有的數(shù)據(jù)都已經(jīng)突破300Wh/kg了，但實(shí)驗(yàn)室里的數(shù)據(jù)還不能算真正量產(chǎn)裝車的動(dòng)力鋰離子電池能量密度。

在殷承良看來(lái)，很多實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)不錯(cuò)的技術(shù)在后續(xù)應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試中，并不穩(wěn)定，有時(shí)性能數(shù)據(jù)一下可以掉一半之多，IBM幾年前曾經(jīng)宣布開發(fā)鋰空氣電池，目前也沒有很好的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

除了性能要保持之外，殷承良還指出，汽車因?yàn)槭禽d人交通工具，又在各種不同路況環(huán)境中處于快速行駛狀態(tài)，所以安全性非常重要，硅在充放電過(guò)程中體積變化極大等問(wèn)題要重視，實(shí)驗(yàn)室情景下的安全并不能平移等同于車輛實(shí)際行駛中的安全。