特斯拉出新研究，全球頭疼的新能源汽車燃燒問題終于找到解藥？
文|鋅刻度記者 羅世浩
編輯|李覲麟
1.這種新型鋰離子電池技術(shù)完全不含過渡金屬，并通過可逆地儲(chǔ)存高電位（~4.2 V）的鋰離子，提供前所未有的高容量。2.電芯是所有電動(dòng)車電池最基本也是最核心的一部分，電池老化甚至出現(xiàn)問題基本上也是從這一部分開始出現(xiàn)。3.一旦新能源電動(dòng)車電池能得到有效的把控，那將會(huì)對(duì)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)質(zhì)的飛躍。讓全球新能源電動(dòng)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(xiàng)新的專利申請(qǐng)，其主要內(nèi)容是分析鋰電池中的電解質(zhì)，其團(tuán)隊(duì)稱這項(xiàng)研究有助于防止電池問題。
“如果該項(xiàng)技術(shù)能早日使用到新能源汽車電池領(lǐng)域，將會(huì)有里程碑的意義?！盝eff Dahn介紹。
1/新技術(shù)將提供前所未有的高容量該專利是由Jeff Dahn領(lǐng)導(dǎo)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(rèn)為是鋰離子電池的先驅(qū)。鋰電池自從被廣泛使用后，他便一直致力于鋰電池的研究領(lǐng)域以及增加鋰電池的生命周期，并幫助其研究成果商業(yè)化。
據(jù)外媒稱，現(xiàn)在Jeff Dahn的主要工作集中在增強(qiáng)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(yè)界密切合作。在Simon Fraser大學(xué)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(xué)與工程研究委員會(huì)）加拿大先進(jìn)電池材料工業(yè)研究主席，并且開始了長(zhǎng)達(dá)20年的任期。
自2016年6月，Dahn開始與特斯拉汽車公司建立長(zhǎng)達(dá)5年的研究合作伙伴關(guān)系，以提升鋰離子電池的能量密度和壽命，同時(shí)降低成本。
通過這項(xiàng)協(xié)議，特斯拉為其在新斯科舍省哈利法克斯附近的達(dá)恩集團(tuán)附近投資了一個(gè)新的研究實(shí)驗(yàn)室。
Jeff Dahn
值得一提的是，在今年5月美國(guó)陸軍開發(fā)的新型鋰離子電池技術(shù)引起了Jeff Dahn的興趣，據(jù)了解，這種新型鋰離子電池技術(shù)“完全不含過渡金屬，并通過可逆地儲(chǔ)存高電位（~4.2 V）的鋰離子，提供前所未有的高容量?！?/p>
這項(xiàng)新技術(shù)“開啟了一種可能性，即顯著提升鋰離子電池的能量密度，同時(shí)由于電解質(zhì)的水性而保持其安全性?！钡珱]人知道這項(xiàng)技術(shù)為Jeff Dahn的鋰電池研究帶來(lái)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(bào)道，他的團(tuán)隊(duì)一直在研究電解質(zhì)的添加劑，以提升鋰離子電池的化學(xué)性能?！眹?guó)外媒體報(bào)道，Jeff Dahn及其團(tuán)隊(duì)于今年早些時(shí)候開始為特斯拉提供電池技術(shù)專利，如今是一個(gè)新的突破。
這項(xiàng)新的研究被稱為“確定鋰離子電池電解質(zhì)組分濃度的方式和系統(tǒng)”。
2/如何理解這一項(xiàng)突破性專利？達(dá)恩等人在專利申請(qǐng)摘要中描述了這項(xiàng)發(fā)明：
“提供了一種用于確定鋰離子或鋰離子電池中電解質(zhì)組分濃度的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方式。該方式包括向光譜儀提供捕獲電解質(zhì)樣品溶液的光譜并產(chǎn)生信號(hào)的指令。該方式包括分析信號(hào)以確定光譜的一個(gè)或多個(gè)光譜特征。該方式包括制作對(duì)應(yīng)于具有預(yù)定濃度的電解質(zhì)組分的溶液的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，其中數(shù)據(jù)庫(kù)包括多個(gè)用于每種溶液的光譜特征。該方式還包括運(yùn)用光譜數(shù)據(jù)庫(kù)確定機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型。特斯拉描述了當(dāng)前電解質(zhì)的問題以及如何分析它們的狀態(tài)：
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(zhì)的降解，特別是在帶電電極的表面。搞定電池問題和電解質(zhì)降解的現(xiàn)有搞定方案集中于電解質(zhì)分解產(chǎn)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(zhì)溶劑和電解質(zhì)鹽的化學(xué)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(chǎn)物在兩個(gè)電極上都具有高反應(yīng)性，并且它們?cè)贚iPF 6 溶液中不可避免的存在可能對(duì)電極的性能產(chǎn)生不利影響。盡管已經(jīng)確定了鋰離子電池中電解質(zhì)溶劑和電解質(zhì)鹽LiPF 6 的消耗機(jī)制，但是沒有一種廉價(jià)和準(zhǔn)確的方式來(lái)表征未知電解質(zhì)并因此確定電解質(zhì)已經(jīng)降解的程度。
通常，電解質(zhì)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(zhì)譜儀（GC-MS），高效液相色譜（HPLC）儀器和電感耦合等離子體光發(fā)射光譜儀（ICP-OES），需要大量時(shí)間進(jìn)行分析。此外，一些分析工具甚至不能直接測(cè)量電解質(zhì)組分的濃度。例如，基于色譜的方式中運(yùn)用的色譜柱或檢測(cè)器不能暴露于LiPF 6的高溫分解產(chǎn)物，因此這些方式僅關(guān)心電解質(zhì)的水溶性部分之后的電解質(zhì)的有機(jī)部分。通過特斯拉對(duì)專利的描述，不難看出，其提出的電池問題搞定方案主要集中在電解質(zhì)溶液的分析上。而電解液是電芯的主要構(gòu)成部分。
“新能源車汽車的電池不能僅僅從一個(gè)方向來(lái)看，他實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。”電動(dòng)車領(lǐng)域相關(guān)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(gè)部分：
電芯：正極材料、負(fù)極材料、電解液，構(gòu)成了電芯；
電池包：由數(shù)百至數(shù)千個(gè)電組成，俗稱Pack；
系統(tǒng)：電動(dòng)車在加上傳感器(眼睛與耳朵)測(cè)電壓、電流、溫度等；
用BMS(大腦)來(lái)思考決策；
加上執(zhí)行器(手腳)來(lái)控制開關(guān)，就成了系統(tǒng)?！?/p>
此前，國(guó)內(nèi)外特斯拉電動(dòng)車連續(xù)發(fā)生自燃事件，這讓新能源汽車的安全性再度遭到質(zhì)疑。
有專業(yè)人士指出，鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)的情況通常是一個(gè)或多個(gè)電池單元內(nèi)的短路，這會(huì)產(chǎn)生熱量并且產(chǎn)生的熱量可以點(diǎn)燃電池內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)，這可能會(huì)在相鄰的電芯中引起問題并導(dǎo)致稱為“熱失控”的情況，導(dǎo)致火勢(shì)蔓延開來(lái)。
電動(dòng)車電池三大構(gòu)成部分：電芯、電池包、系統(tǒng)
從圖中也可以看出，電芯是所有電動(dòng)車電池最基本也是最核心的一部分，電池老化甚至出現(xiàn)問題基本上也是從這一部分開始出現(xiàn)。
“特斯拉團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在做的應(yīng)該是在電解液的部分添加一些新的化學(xué)成分?！毕嚓P(guān)人士指出，這應(yīng)該是現(xiàn)在最高效和靠譜的方式。
3/搞定電池問題，是新能源汽車騰飛的動(dòng)力顯而易見，一旦新能源電動(dòng)車電池能得到有效的把控，那將會(huì)對(duì)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)質(zhì)的飛躍。
現(xiàn)在，幾乎所有的電動(dòng)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(jià)格便宜，現(xiàn)在成為各大電動(dòng)車廠家的選擇。
據(jù)了解，全球各大新能源電動(dòng)車幾乎都搭載的是鋰電池，其中包括，特斯拉、蔚來(lái)、威馬等。
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，要想提升電池續(xù)航里程，現(xiàn)在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、速度等原因的限制下，只能通過提升電池的能量密度來(lái)提升電池續(xù)航里程，但這其中也包含了潛在的電池自燃等風(fēng)險(xiǎn)。
其他搞定電池問題的方案都是在電池材質(zhì)本身，但現(xiàn)在看來(lái)都不怎么靠譜。
比如，液流電池技術(shù)（很有可能是死胡同）、增程式發(fā)電技術(shù)（依然有較多污染）、石墨烯電池（商用化遙遙無(wú)期）以及此前大熱的氫燃料，最近也似乎慢慢銷聲匿跡了。
特斯拉燃燒后“暴露出來(lái)的”鋰電池
據(jù)了解，現(xiàn)在消費(fèi)者在考慮購(gòu)買電動(dòng)車的最大擔(dān)憂除了電池續(xù)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(dòng)車的老大難。但現(xiàn)今特斯拉團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰離子電池的研究在這兩各領(lǐng)域都突破。
“電動(dòng)汽車的安全涉及不一樣的層級(jí)，從材料到電芯到電池系統(tǒng)、電動(dòng)汽車呈現(xiàn)給消費(fèi)者的就是電動(dòng)汽車的安全?！彼茽栃履茉纯萍技瘓F(tuán)董事長(zhǎng)兼總裁龍繪錦表示，“現(xiàn)在有人說(shuō)是材料不安全，有人說(shuō)電芯不安全，我們需要從系統(tǒng)層面搞定整個(gè)電動(dòng)汽車的安全問題，一旦搞定了電池問題，電動(dòng)車的發(fā)展將呈現(xiàn)直線上升?！?/p> “毫無(wú)疑問這項(xiàng)針對(duì)電離子鋰電池的技術(shù)對(duì)全球電動(dòng)車行業(yè)來(lái)講是具有劃時(shí)代意義的?！辟Y深汽車媒體人黃超（化名）指出，一旦開始進(jìn)行商業(yè)使用，對(duì)特斯拉來(lái)講也會(huì)是其在電動(dòng)車領(lǐng)域連續(xù)領(lǐng)先的利器。