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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。
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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