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鋰離子研究者之一、物理學(xué)家杰夫·達(dá)恩

2018年4月，埃隆·馬斯克保證，特斯拉很快就可以讓電動汽車電池的使用壽命超過100萬英里。在那時(shí)，這句話聽起來簡直夸張過頭—比特斯拉車主對現(xiàn)有電池的期待壽命多一倍，而現(xiàn)有的特斯拉電池使用壽命，也已經(jīng)超過大多數(shù)電動汽車的電池了。

最近，與特斯拉簽有獨(dú)家協(xié)議的達(dá)爾豪斯大學(xué)電池研究人員小組，在《電化學(xué)學(xué)會雜志》上發(fā)表了一篇論文，描述了一種鋰離子電池“應(yīng)該能夠?yàn)殡妱悠嚬╇姵^100萬英里”，而在其生命周期內(nèi)，損失的電池容量不到10%。

秘密醬料

達(dá)爾豪斯大學(xué)的電池研究小組，由世界上最重要的鋰離子研究者之一、物理學(xué)家杰夫·達(dá)恩領(lǐng)導(dǎo)。他們的研究成果表明，這種電池性能明顯優(yōu)于以前發(fā)布的任何同類鋰離子電池。研究人員指出，他們的電池對于特斯拉正開發(fā)的自動駕駛出租車和長途電動卡車來說，特別有用。

有趣的是，論文作者們并沒有急著宣稱自己的“突破”，反而愿意與其他研究者分享這一成果。

達(dá)恩和他的同事在論文中寫道：“我們已經(jīng)提供了這些電池的全部細(xì)節(jié)，包括電極成分、電極負(fù)載、電解質(zhì)成分、所用的添加劑等等。這樣做是為了讓其他人可以重新創(chuàng)建這些模塊，并把它們當(dāng)成研發(fā)工作的基準(zhǔn)。”

在電動汽車行業(yè)中，電池是受到嚴(yán)格保護(hù)的秘密。那么，為什么達(dá)恩的研究團(tuán)隊(duì)與特斯拉簽署了獨(dú)家合作協(xié)議，卻公開了這種看似獨(dú)一無二的電池的配方呢？達(dá)恩團(tuán)隊(duì)的一位前成員稱，可能的答案是特斯拉已經(jīng)至少有一種專有的電池化學(xué)成分，其性能優(yōu)于基準(zhǔn)測試論文中的描述。實(shí)際上，在該論文發(fā)表后不久，特斯拉就獲得了一項(xiàng)鋰離子電池的專利，該專利與論文中所描述的鋰離子電池極為相似。拒絕對本文發(fā)表評論的達(dá)恩，被列為其發(fā)明者之一。

論文中描述的鋰離子電池，使用鋰鎳錳鈷氧化物NMC作為電池的正極（陰極），使用人造石墨作為負(fù)極（陽極）。在電極端子之間傳送鋰離子的電解質(zhì)，則由與其他化合物混合的鋰鹽組成。

眾所周知，NMC/石墨化學(xué)物質(zhì)會增加鋰離子電池的能量密度和壽命。幾乎所有的電動汽車，包括日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭Bolt，都在其電池中使用了NMC化學(xué)物質(zhì)，但特別的是，特斯拉并沒有使用這種物質(zhì)。

就算是論文中所述的那些材料，在業(yè)界也是眾所周知的。沒有參與這項(xiàng)研究的斯堪尼亞集團(tuán)鋰離子電池專家馬特·萊西說：“換句話說，秘密醬料中沒有秘密！”

壽命更長

達(dá)恩的團(tuán)隊(duì)通過大量優(yōu)化“眾所周知”的成分，并調(diào)整電池正極的納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了巨大的性能提升。

該電池并沒有使用許多較小的NMC晶體作為陰極，而是依靠較大的晶體。馬琳，這位在開發(fā)陰極設(shè)計(jì)方面起了重要作用的達(dá)恩實(shí)驗(yàn)室前博士研究生說，這種“單晶”納米結(jié)構(gòu)在電池充電時(shí)，不太可能產(chǎn)生裂紋。一般來說，陽極材料中的裂紋，正是導(dǎo)致電池壽命和性能下降的元兇。

在與特斯拉的合作中，達(dá)恩團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了創(chuàng)造鋰離子電池的任務(wù)。該鋰離子電池與市售電池相比，可以存儲更多的能量，并且使用壽命更長。在電動汽車中，這些指標(biāo)可轉(zhuǎn)換為一次充電可以行駛多遠(yuǎn)，以及在電池停止工作之前可以從電池中釋放多少電荷。

一般而言，在能量密度和電池壽命之間需要權(quán)衡取舍。如果想獲得其中一樣，那么另一樣就勢必減少。達(dá)恩的小組，負(fù)責(zé)克服這一看似不可能的任務(wù)—打破這種平衡。

鋰離子電池的能量密度，是特斯拉Model 3等消費(fèi)類電動汽車最重要的品質(zhì)之一。消費(fèi)者希望一次充電就能行駛很長一段距離。特斯拉的新車型，每次充電最多可以行駛370英里，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他公司的電動汽車行駛范圍。

實(shí)際上，根據(jù)美國人的通勤情況，達(dá)恩估計(jì)，大多數(shù)電動汽車車主每天只使用約1/4的電量。但是，要打造一支自動駕駛機(jī)械車隊(duì)或長途電動卡車帝國，特斯拉將會需要一個(gè)能夠每天處理“完整充放電周期”的電池。

百萬英里

長途電動卡車和自動駕駛出租車的日常行駛里程，將比普通通勤者更多。這就是為什么馬斯克想要使用壽命達(dá)100萬英里的電池。

馬斯克提出需求，達(dá)恩完成了任務(wù)。正如達(dá)恩和他的團(tuán)隊(duì)在其基準(zhǔn)測試論文中所詳述的那樣，“不再需要在能量密度和使用壽命之間進(jìn)行權(quán)衡”。該小組測試的電池，可以充放電4000次以上，并且只損失其總?cè)萘康?0%。作為比較，2014年的一篇論文顯示，類似的鋰離子電池僅經(jīng)過1000次循環(huán)，便損失了一半的容量。

密歇根大學(xué)能源研究所電池實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)主管格雷格·萊斯說：“4000次循環(huán)確實(shí)令人印象深刻。使用可充放電4000個(gè)循環(huán)的電池，100萬英里的行駛范圍可以輕松完成?！?/p>

在基準(zhǔn)測試論文發(fā)布幾天后，特斯拉和達(dá)恩獲得了一項(xiàng)專利，該專利描述了一種單晶鋰離子電池，該電池幾乎與論文中描述的電池相同。獲得專利的電池，包括一種名為ODTO的電解質(zhì)添加劑，該專利聲稱可以“提高鋰離子電池的性能和壽命，同時(shí)降低成本”。

尚不確定，專利中描述的電池是否是馬斯克表示明年將投產(chǎn)的百萬英里電池，但可以肯定的是，特斯拉的專有電池性能會更好。

加州大學(xué)圣地亞哥分校能源存儲與轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室的雪麗·孟說，許多電動汽車公司正在追求比達(dá)恩的論文和專利所描述的電池鎳含量更高的電池，以便提高電池的能量密度。孟說，下一步是將那些高密度電池的設(shè)計(jì)，與電解質(zhì)和添加劑的高性能混合物相結(jié)合。

無論最終在特斯拉的巨型工廠投產(chǎn)的電池是什么，都有明顯的跡象表明：100萬英里壽命的電池很快就會到來。