可使用100年的新型電池:特斯拉聯手鋰離子電池大牛挑戰磷酸鐵鋰
特斯拉的加拿大先進電池研究小組與達爾豪西大學合作,發布了一篇新的論文。論文介紹了一種可以使用100年的新型鎳基電池,且充電和能量密度方面優於磷酸鐵鋰電池。時間回到2016年。這一年,特斯拉與加拿大達爾豪西大學的Jeff Dahn 電池實驗室合作,建立了“特斯拉先進電池研究”部門。
Dahn 被認為是鋰離子電池的先驅。自鋰離子電池誕生以來,他就一直在從事這方面的研究,在延長電池生命週期等方面頗有建樹,這對於電池的商業化非常重要。
Dahn 現在的工作主要集中在提高電池能量密度、耐久性以及降低成本等方面,他所在的團隊已經為特斯拉貢獻了相當多的電池專利和論文。2019年,他的團隊曾發表論文稱,新電池屬於具有下一代“單晶”NMC 陰極和新型先進電解質的鋰離子電池,基於廣泛的測試,他們認為新電池可以為電動汽車提供“超過160萬公里(100萬英里)”的續航。
2021年,特斯拉與該團隊續約五年,還增加了兩位新leader,由Dahn 來領導。
最近,身為兩位leader 之一的Michael Metzger 與Dahn 和其他幾位博士一起,在美國材料期刊JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 上發表了一篇名為《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 as a Superior Alternative to LiFePO4 for Long-Lived Low Voltage Li-Ion Cells》的新論文。
這篇論文主要描述了傳統鎳錳鈷電池(NMC532)的一種變體。與類似電池的不同點在於,它被優化為在3.8V 的電壓下工作,而其他NMC 電池使用4.2伏或更高的電壓。較低的電壓大大延長了電池的壽命,這使得Dahn 和他的團隊提出,這種電池可能有100年的使用壽命。這讓NMC532 電池在壽命上可以與磷酸鐵鋰電池(LPF)競爭,同時還保留了自身受歡迎的其他特性,比如更高的能量密度,這使得電動汽車可以用更少的電池行駛更長的距離。
該團隊在論文的摘要部分寫道:
所含石墨只夠在3.8v 工作的單晶Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2//graphite (NMC532) 軟包電池循環充電至3.65 V 或3.80 V,以便基於相似的最大充電電位和負極利用率與LiFePO4//graphite (LFP) 軟包電池展開比較。當NMC532 電池僅由足以充電至3.80 V 的石墨構成時,在40°C、55°C和70°C下,其能量密度超過LFP 電池,而且循環壽命大大超過LFP 電池。含有雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)鹽的電解質在高溫下表現出優異的壽命,遠遠超過傳統LiPF6 電解質。
在高次數的循環中,該電池的容量保持能力令人印象深刻:
研究小組甚至指出,如果溫度控制在25°C,論文中描述的電池可以使用100年:
超高精度庫侖分析法和電化學阻抗譜用於補充循環結果,並研究NMC 電池性能提高的原因。與LFP 電池相比,NMC 電池,特別是那些平衡並充電至3.8 V 的電池,表現出更好的庫侖效率、更少的容量衰減和更高的能量密度,並且預計在25℃下的壽命可以接近一個世紀。
其中的一個關鍵似乎是使用LiFSI 鋰鹽電解質。
那麼特斯拉什麼時候會把這種電池投入量產車呢?可能永遠不會。研究人員表示,他們的新電池比LFP 電池成本更高,而且可能不具備電動汽車所需的動力特性。但是它們可能非常適合長期儲存能量。如果是這樣的話,最初較高的成本將被大大延長的使用壽命所抵消。當然,缺點是新電池繼續使用鎳和鈷等越來越貴的原材料,而且鈷礦開採存在一些社會爭議。
不過,該論文指出,他們所發現的收益也可以應用於那些無鈷或低鈷的化學物質。