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特斯拉电池研究小组提交一项新专利 可有效防止电池故障

2019-06-12 09:04:04     来源:锌刻度

特斯拉电池研究小组提交一项新专利 可有效防止电池故障

1.这种新型锂离子电池技术完全不含过渡金属,并通过可逆地储存高电位(~4.2 V)的锂离子,提供前所未有的高容量。


2.电芯是所有电动车电池最基本也是最核心的一部分,电池老化甚至出现故障基本上也是从这一部分开始出现。


3.一旦新能源电动车电池能得到有效的把控,那将会对新能源汽车行业的发展带来质的飞跃。


让全球新能源电动车最头疼的电池问题在今年6月有了新的突破。


2019年6月11日,特斯拉在加拿大的电池研究小组提交了一项新的专利申请,其主要内容是分析锂电池中的电解质,其团队称这项研究有助于防止电池故障。


“如果该项技术能早日应用到新能源汽车电池领域,将会有里程碑的意义。”Jeff Dahn介绍。


1、新技术将提供前所未有的高容量


该专利是由Jeff Dahn领导的特斯拉电池研究小组提交的,这距Jeff Dahn入驻特斯拉仅仅过去三年。


Jeff Dahn被认为是锂离子电池的先驱。锂电池自从被广泛应用后,他便一直致力于锂电池的研究领域以及增加锂电池的生命周期,并帮助其研究成果商业化。


据外媒称,目前Jeff Dahn的主要工作集中在增强电池的耐久度和电池能量密度的研究上。


从他开始研究开始,Dahn就与工业界密切合作。在Simon Fraser大学任职期间,他曾与E-One Moli Energy合作。


在1996年搬到Dalhousie后,Dahn成为NSERC / 3M(加拿大自然科学与工程研究委员会)加拿大先进电池材料工业研究主席,并且开始了长达20年的任期。


自2016年6月,Dahn开始与特斯拉汽车公司建立长达5年的研究合作伙伴关系,以提高锂离子电池的能量密度和寿命,同时降低成本。


通过这项协议,特斯拉为其在新斯科舍省哈利法克斯附近的达恩集团附近投资了一个新的研究实验室。


值得一提的是,在今年5月美国陆军开发的新型锂离子电池技术引起了Jeff Dahn的兴趣,据了解,这种新型锂离子电池技术“完全不含过渡金属,并通过可逆地储存高电位(~4.2 V)的锂离子,提供前所未有的高容量。”


这项新技术“开启了一种可能性,即显著提高锂离子电池的能量密度,同时由于电解质的水性而保持其安全性。”但没人知道这项技术为Jeff Dahn的锂电池研究带来了多少帮助。


“在过去的几年里,我们没有从Dahn那里听到太多的研究成果,但之前曾有报道,他的团队一直在研究电解质的添加剂,以提高锂离子电池的化学性能。”国外媒体报道,Jeff Dahn及其团队于今年早些时候开始为特斯拉提供电池技术专利,如今是一个新的突破。


这项新的研究被称为“确定锂离子电池电解质组分浓度的方法和系统”。

特斯拉电池研究小组提交一项新专利 可有效防止电池故障

2、如何理解这一项突破性专利?


达恩等人在专利申请摘要中描述了这项发明:


“提供了一种用于确定锂离子或锂离子电池中电解质组分浓度的计算机实现方法。该方法包括向光谱仪提供捕获电解质样品溶液的光谱并产生信号的指令。该方法包括分析信号以确定光谱的一个或多个光谱特征。该方法包括制备对应于具有预定浓度的电解质组分的溶液的光谱数据库,其中数据库包括多个用于每种溶液的光谱特征。该方法还包括使用光谱数据库确定机器学习(ML)模型。


特斯拉描述了当前电解质的问题以及如何分析它们的状态:


锂离子电池或电池失效的主要原因,特别是在高压电池中,是电解质的降解,特别是在带电电极的表面。


解决电池故障和电解质降解的现有解决方案集中于电解质分解产物的膜,其积聚在电极的表面上。这些薄膜含有衍生自电解质溶剂和电解质盐的化学部分,例如六氟磷酸锂(LiPF 6)。


例如,LiPF 6 分解成LiF和PF 5,后者容易水解形成HF和PF3O.这两种水解产物在两个电极上都具有高反应性,并且它们在LiPF 6 溶液中不可避免的存在可能对电极的性能产生不利影响。


尽管已经确定了锂离子电池中电解质溶剂和电解质盐LiPF 6 的消耗机制,但是没有一种廉价和准确的方法来表征未知电解质并因此确定电解质已经降解的程度。


通常,电解质溶液的定量分析集中在昂贵的分析工具上,例如核磁共振(NMR)光谱仪,气相色谱 - 质谱仪(GC-MS),高效液相色谱(HPLC)仪器和电感耦合等离子体光发射光谱仪(ICP-OES),需要大量时间进行分析。


此外,一些分析工具甚至不能直接测量电解质组分的浓度。


例如,基于色谱的方法中使用的色谱柱或检测器不能暴露于LiPF 6的高温分解产物,因此这些方法仅关注电解质的水溶性部分之后的电解质的有机部分。


通过特斯拉对专利的描述,不难看出,其提出的电池问题解决方案主要集中在电解质溶液的分析上。而电解液是电芯的主要构成部分。


“新能源车汽车的电池不能仅仅从一个方向来看,他实际上是一个相对复杂的系统。”电动车领域相关人士解释,“为了更好的理解新能源汽车的电池,可以把它拆分为三个部分:


电芯:正极材料、负极材料、电解液,构成了电芯;


电池包:由数百至数千个电组成,俗称Pack;


系统:电动车在加上传感器(眼睛与耳朵)测电压、电流、温度等;


用BMS(大脑)来思考决策;


加上执行器(手脚)来控制开关,就成了系统。”


此前,国内外特斯拉电动车连续发生自燃事件,这让新能源汽车的安全性再度遭到质疑。


有专家指出,锂离子电池发生火灾的情况通常是一个或多个电池单元内的短路,这会产生热量并且产生的热量可以点燃电池内的化学物质,这可能会在相邻的电芯中引起问题并导致称为“热失控”的情况,导致火势蔓延开来。


从图中也可以看出,电芯是所有电动车电池最基本也是最核心的一部分,电池老化甚至出现故障基本上也是从这一部分开始出现。


“特斯拉团队目前做的应该是在电解液的部分添加一些新的化学成分。”相关人士指出,这应该是目前最高效和靠谱的方法。

特斯拉电池研究小组提交一项新专利 可有效防止电池故障

3、解决电池问题,是新能源汽车腾飞的动力


显而易见,一旦新能源电动车电池能得到有效的把控,那将会对新能源汽车行业的发展带来质的飞跃。


目前,几乎所有的电动车都是安装锂离子电池,相比磷酸铁锂电池,三元锂电池能量密度高、价格便宜,目前成为各大电动车厂家的选择。


据了解,全球各大新能源电动车几乎都搭载的是锂电池,其中包括,特斯拉、蔚来、威马等。


在电动汽车领域,要想提高续航里程,目前只能通过装载更多电池或提升电池的能量密度。


但车辆的容积是有限的,能提供给电池的容积也是固定的,在美观、安全性、速度等因素的限制下,只能通过提升电池的能量密度来提升续航里程,但这其中也包含了潜在的电池自燃等风险。


其他解决电池问题的方案都是在电池材质本身,但目前看来都不怎么靠谱。


比如,液流电池技术(很有可能是死胡同)、增程式发电技术(依然有较多污染)、石墨烯电池(商用化遥遥无期)以及此前大热的氢燃料,最近也似乎逐渐销声匿迹了。


据了解,目前消费者在考虑购买电动车的最大担忧除了续航能力之外就是电池的安全性。


这两大问题也是新能源电动车的老大难。但现今特斯拉团队对锂离子电池的研究在这两各领域都突破。


“电动汽车的安全涉及不同的层级,从材料到电芯到电池系统、电动汽车呈现给消费者的就是电动汽车的安全。”塔菲尔新能源科技集团董事长兼总裁龙绘锦表示,“现在有人说是材料不安全,有人说电芯不安全,我们需要从系统层面解决整个电动汽车的安全问题,一旦解决了电池问题,电动车的发展将呈现直线上升。”


“毫无疑问这项针对电离子锂电池的技术对全球电动车行业来讲是具有划时代意义的。”资深汽车媒体人黄超(化名)指出,一旦开始进行商业应用,对特斯拉来讲也会是其在电动车领域持续领先的利器。

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