提升电池能量密度的办法是什么？
来源：宝鄂实业
2019-10-20 14:07
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众所周知，特斯拉使用的18650电池是松下生产的。随着双方合作的深入，特斯拉也在研发新型圆柱形电池。3型投入生产后，新的21700电池将取代18650，成为新电池。
21700电池仍然是三元锂电池，正极材料是锂镍钴铝酸盐（nca）。这种圆柱形三元电池是目前能量密度最高的动力电池溶液。与方形电池相比，这种电池能量密度高，稳定性差，需要有更好的电池管理系统（bms）支持。
特斯拉最早的跑车是松下NCR18650A电池，额定电压为3.6V，容量为3.1小时。之前的85kWh电池组使用NCR18650B电池，额定电压3.6V，容量3.1Ah。
90kWh的电池型号未知，但不应该是松下直接提供的成品，而是特斯拉和松下专门开发的定制电池。目前，松下生产的18650块电池中，NCR18650G是容量最高的机型，达到3.6AH。根据这一计算，85kWh电池组中的7102个电池被G型电池取代，正好是90kWh。
因此，在90kWh电池组中，电池可能是NCR18650G，而在85kWh电池组中，电池可能是NCR18650B，也就是说，当电池数量相同（电池组结构相同）时，只有当单电池容量增加到3.6Ah时，才能保证90kWh的功率。
要达到100kWh，有两种解决方案：一种是堆叠两个电池组，根据每个电池组5.3kWh的容量，可以得到100kWh；另一种是更换能量密度较高的电池。作者认为后者是最好的也是最有可能的解决办法。
因为90kWh是基于85kWh的电池组结构。该结构已在18650电池规范下定型，改变其设计结构的成本非常高。事实上，电池组中没有空间容纳更多的电池组。
如果增加电池组，不仅会提高电池组的质量，还会改变电池组的冷却循环系统。因此，提高铁芯的容量是最经济可行的解决方案。
想象一下，在100kWh电池组中，在不改变电池组结构的情况下，单个电池的容量需要增加到3.9h，这样就可以达到100kWh的容量。因此，笔者怀疑特斯拉和松下已经开发出186503.9ah的机芯。这只能归因于阳极中的硅。
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。
