关于特斯拉电池发布会相关技术的猜想
关于特斯拉电池发布会相关技术的猜想
特斯拉电池技术暗藏玄机，公司暂定5 月中旬举办的Battery Day（电池发布会）将详细介绍支撑特斯拉强大品牌力的动力电池相关技术，多种技术组合或成制胜法宝。
特斯拉将在Battery Day 上公布电池技术
通过专利一窥技术布局，多项技术齐发力
特斯拉新电池技术或将为多种技术并行驱动：我们认为特斯拉此次的新技术会是多种技术及工艺组成的“组合拳”，通过多管齐下有效提升电池的综合性能，降低电池成本。通过干电极+预锂化甚至再结合优化后的电解液添加剂让电池的整体性能更上一层楼。
第一部分
干电极工艺助力成本缩减
从公司公开的专利中我们可以看到整个干电极生产流程主要分为三个步骤：
1） 将活性物质（正极或负极粉末）与导电剂和固态粘结剂PTFE 充分混合并用辊压机多次压制使其形成均匀的极片；
2） 将金属集流体膜进行底层涂覆并烘干，同时将极片烘干去除水分；（这一步与湿法工艺基本相同）
3） 将干电极极片和集流体进行贴合压片，形成最终成品（如图3 所示）。
通过公司公开的文件我们可以看到干法电极电池在高倍率（大电流）放电条件下的容量保持率要优于湿法电极，同时运用干电极工艺制作的NCM111 三元电池在进行了2000 次充放电循环后仍能保持着接近90%的初始容量，性能方面较现有成熟的湿法电极有过之而无不及。
干电极技术的核心优势为：
1）去除了对诸如NMP 等高毒性有机溶剂的需求，使电池生产环节更加环保，同时降低了材料成本；
2）由于不需要像湿法工艺一样配备大量烘干设备，单位产线产能密度得到提升（Maxwell 报告中称可提高16 倍），同时生产相关的成本降低10%-20%；
根据我们此前的计算，生产1GWh 动力电池（三元NCM 或NCA 正极和碳基负极）需要大约3200 吨正负极材料，粘结剂添加量一般在5%~8%，可以得出每GWh 电池对PTFE 的平均需求量大约在10000 吨左右。
第二部分
预锂化技术协助改善性能
当锂电池在进行首次充放电循环时，电池中的电解液与部分锂离子发生反应，在负极材料表面形成一层由锂化合物和有机分子组成的固体电解质界面膜（SEI 膜），这层膜的形成导致本该用于充放电循环的部分锂离子不可逆的损失，造成电池循环寿命和能量密度下降（相关研究表能量密度下降5%-8%，循环性能下降10%），而这一效应在特斯拉所重点使用的硅碳负极上则更加明显（由于硅碳在充放电循环中体积膨胀比石墨要大，先前生成的SEI 会被挤破导致更多的锂离子反应去生成新的SEI 膜。
当前在市场和补贴政策对续航里程要求越来越高的背景下，各大动力电池厂商均在布局预锂化/补锂技术，目前预锂化工艺主要有以下几种技术路径：
1）三层电极法：如图所示，通过将锂粉附着在负极集流体表面（铜箔）并用一层可溶于电解液的薄膜保护层隔绝锂粉与空气（防止剧烈反应），并用这些经过处理的铜箔进行下一步电池总装工艺。最终，成品电池在进行第一次充放电时先前的保护层被电解液溶解（如图15 所示），锂粉开始补充形成SEI 膜并提供额外的锂来弥补锂容量的损失。实验室中该方法可将首次循环容量保有率提升6%~7%。
2）镀膜法：该方法目前得到各大厂商的关注，特别是以宁德时代为代表的龙头已经于2019 年9 月申请了相关工艺专利。该方法主要将金属锂带通过延压模块压制成锂箔膜，然后在将已制成的负极极片和锂箔贴合并通过卷压机使锂均匀地分布贴合在极片上，上述过程均在真空干燥的环境下进行，从目前已公开的专利布局情况看，行业龙头宁德时代以及特斯拉收购的Maxwell 均采用了该种工艺。
3）正极补锂法：通过在正极材料中加入富锂基材料如氟化锂LiF 来提升正极中单位含锂量，在充放电时这部分富锂材料通过化成反应将自身携带的锂离子转化成可用作充放电循环的锂离子补充进入负极。
第三部分
电解液添加剂提升综合性能
与前两项技术工艺相比，电解液添加剂相关方面的专利布局受到的关注度较低，大部分公开专利均是来自与特斯拉合作的加拿大知名研究人员Jeff Dahn 教授。电解液添加剂主要作为辅助用于改善电池的循环寿命和安全性能，本报告研究的特斯拉的两份相关专利提出多种新添加剂组合，一方面减少了添加剂组合中所需化合物的数量（由原来的4 种或3 种减少至2 种）从而降低了成本，另一方面通过找出优化比例可以帮助提升电池综合性能（例如减少电池在充放电循环时产生气体的量）。
两份专利给出了两组不同的电解液添加剂组合，通过专利中公开的测试数据可以看到其申请的配方在电池充放电时产生的气体量最少，电池内压及潜在安全性隐患得以缓解。
第四部分
无钴化电池摆脱成本焦虑
在先前的报告中我们已经详细阐述了钴对动力电池性能的重要性，三元锂电包括NCM 和特斯拉所使用的NCA 电池均需要大量的钴，这里对细节我们不再赘述。续航里程焦虑使车企纷纷追求高能量密度的动力电池，而三元锂电池依靠其优异的性能脱颖而出。然而由于钴资源分布的集中性以及稀缺性，钴的成本占比一直是电池材料中最高的，因此去钴化低钴化成为了各大厂商的技术路径主线。不过根据相关研究显示，目前还没有材料可以替代钴在三元材料中稳定结构的作用，而相关所谓的“四元电池”概念还均停留在学术研究及论证阶段。我们认为短期内特斯拉仍将继续使用含钴的三元锂电池，只不过会通过进一步压缩正极材料的钴含量来做到低钴化，降低对钴的需求依赖。同时我们认为如果特斯拉真的使用了完全不含钴的电池，那么最有可能的便是磷酸铁锂。尽管磷酸铁锂电池一直在能量密度上略逊于三元，但是在3 月底比亚迪刀片电池发布会上亮相的刀片电池通过优化组织架构提高空间利用率首次将磷酸铁锂乘用车的续航提升到了600 公里以上，让磷酸铁锂第一次拥有了媲美三元锂电池的续航力。同时作为特斯拉国内供应商之一的宁德时代也拥有类似的CTP 技术布局，核心思想相近，因此有理由相信在不影响续航的前提下特斯拉完全可以选择成本和安全性能更优的磷酸铁锂电池。
来源：电力电子技术与新能源
