近年特斯拉在電(diàn)動汽車(chē)領域一直處于領先水(shuǐ)平，特斯拉之所以能夠領先電(diàn)動汽車(chē)行(xíng)業除了其整車(chē)設計(jì)能力超越同行(xíng)外其汽車(chē)續航能力也傲視(shì)群車(chē)。特斯拉汽車(chē)之所以能夠在續航曆程上(shàng)超越對手除了其電(diàn)池組使用電(diàn)芯數(shù)量龐大(dà)外，電(diàn)芯能量密度高(gāo)和(hé)優秀的電(diàn)源管理(lǐ)系統也功不可(kě)沒。通(tōng)過本篇文章惟尚将和(hé)你(nǐ)一起了解特斯拉的電(diàn)池水(shuǐ)平。
近期，特斯拉的100kWh車(chē)型，已經通(tōng)過了歐盟認證機構RDW的評估。這意味，Model S/X 100D車(chē)型即将問世！其續航裏程理(lǐ)論值将達到613km(基于NEDC标準)。
按照歐盟規定，在歐盟成員國上(shàng)市銷售的車(chē)型，都必須經過其授權機構的認證方可(kě)。RDW是特斯拉委托的一家(jiā)荷蘭的公司，經其認證後即可(kě)獲得(de)在歐盟銷售的許可(kě)。本文，我們來(lái)探究下，這個(gè)100kWh是如何做(zuò)到的？
Elon Musk曾經說過，特斯拉的續航(電(diàn)量)要以每年5%的速度增加。從當前電(diàn)池組的叠代情況來(lái)看，這個(gè)目标基本實現。除作(zuò)為(wèi)入門(mén)級配置的60kWh外，70kWh、85kWh均已分别升級為(wèi)75kWh和(hé)90kWh。
不久之後，100kWh和(hé)120kWh的電(diàn)池組也将進入選配清單。目前，60kWh仍然作(zuò)為(wèi)一個(gè)乞丐版配置存在，以促進特斯拉的銷量。真正有(yǒu)故事的，是70kWh和(hé)85kWh，是如何各增加5kWh電(diàn)量的。
有(yǒu)一點可(kě)以肯定，那(nà)就是電(diàn)池組電(diàn)量增加過程中，其電(diàn)池組的結構是沒有(yǒu)改變的。內(nèi)部電(diàn)池包(Battery Module)的數(shù)量也并未發生(shēng)改變。我們先來(lái)簡單了解下特斯拉電(diàn)池組的內(nèi)部構造。
60kWh內(nèi)部有(yǒu)14個(gè)電(diàn)池包，每個(gè)電(diàn)池包內(nèi)含384個(gè)電(diàn)芯，共計(jì)有(yǒu)5376個(gè)電(diàn)芯組成；85kWh由16各電(diàn)池包組成，每個(gè)電(diàn)池包內(nèi)含444個(gè)電(diàn)芯，共計(jì)7102個(gè)電(diàn)芯組成。
後來(lái)加入的70kWh，實際上(shàng)是一個(gè)75kWh電(diàn)池組，經過軟件限制(zhì)而來(lái)的。多(duō)餘的5kWh，最初被當做(zuò)一個(gè)價值3000美元的選裝包提供給車(chē)主。隻要通(tōng)過OTA軟件更新，70D就可(kě)以變為(wèi)75D。
那(nà)麽問題來(lái)了，75kWh電(diàn)池組是怎麽來(lái)的？關于這個(gè)問題，特斯拉官方并沒有(yǒu)做(zuò)出技(jì)術(shù)解釋。根據作(zuò)者的判斷，75kWh其實是85kWh電(diàn)池組，減少(shǎo)2個(gè)電(diàn)池包而來(lái)的。在85kWh電(diàn)池中，每個(gè)電(diàn)池包的容量是5.3kWh，14個(gè)這樣的電(diàn)池包就是74.2kWh。
這就是70kWh、75kWh，以及85kWh之間(jiān)的關系。至于60kWh，這隻是一個(gè)為(wèi)了降低(dī)準入門(mén)檻而設置的配置而已。那(nà)麽，90kWh又是怎麽來(lái)的呢？
從85kWh到90kWh，多(duō)了5kWh。是多(duō)加了一個(gè)電(diàn)池包嗎？在85kWh的電(diàn)池組結構中，已經無法再疊加電(diàn)池包。唯一的可(kě)能性就是更換了新的電(diàn)芯。當然，其采用的依然是18650型号的電(diàn)芯，隻不過化學材料有(yǒu)所調整，增加了能量密度。
在這道(dào)工序中，特斯拉将電(diàn)芯的石墨陽極中，添加了少(shǎo)量的矽，從而提升了電(diàn)芯的能量密度。
在陽極中加入矽，已是電(diàn)池領域公認的可(kě)以提升能量密度的辦法。為(wèi)避免不斷疊加電(diàn)池包，而造成的電(diàn)池組質量過大(dà)，特斯拉接下來(lái)隻能把重點放在研發高(gāo)能量密度的電(diàn)芯上(shàng)。然而，對于三元锂離子電(diàn)池來(lái)說，要想通(tōng)過矽來(lái)增加能量密度，遠沒有(yǒu)那(nà)麽簡單。
其基本原理(lǐ)是：在石墨陽極中加入矽後，由于矽原子的結構相比石墨能夠容納更多(duō)的锂離子，導緻陽極對锂離子的吸納能力增強。單次充放電(diàn)循環中，陽極锂離子越多(duō)，能量密度也就越大(dà)。
然而，矽在充分吸納锂離子後，其體(tǐ)積會(huì)膨脹300%，比石墨吸納锂離子後的膨脹率7%要大(dà)很(hěn)多(duō)。這種反複的體(tǐ)積變化，會(huì)造成固态電(diàn)極變得(de)“松軟”，容易崩離。以此，電(diàn)池的循環壽命就會(huì)降低(dī)。
另外一層因素，是矽陽極由于充放電(diàn)時(shí)的膨脹/伸縮特性，會(huì)破壞锂電(diàn)池電(diàn)解質SEI膜的形成。這個(gè)膜是在锂電(diàn)池初次循環時(shí)所形成的，對于陽極材料有(yǒu)保護作(zuò)用，可(kě)以防止材料結構崩塌。
基于上(shàng)述原因，采用矽材料做(zuò)陽極，雖然能量密度可(kě)以顯著提升，但(dàn)也伴随着副作(zuò)用，最終會(huì)導緻電(diàn)池壽命縮短(duǎn)。所以，特斯拉采取的方案是，逐步在石墨陽極中添加少(shǎo)量的矽，在能量密度和(hé)循環壽命中尋找平衡點。
衆所周知，特斯拉采用的18650電(diàn)池是由松下生(shēng)産的。随着雙方合作(zuò)加深，特斯拉也在研發新的圓柱形電(diàn)池。在Model 3正式投産後，新型21700電(diàn)池将取代18650，成為(wèi)新的電(diàn)芯。
21700電(diàn)池依然是三元锂電(diàn)池，陰極材料是鎳钴鋁酸锂(NCA)。這種圓柱形三元電(diàn)池，是目前能量密度最高(gāo)的動力電(diàn)池解決方案。相比方塊形電(diàn)池，此類電(diàn)池雖然能量密度高(gāo)，但(dàn)穩定性較差，需要有(yǒu)較為(wèi)出色的BMS(電(diàn)池管理(lǐ)系統)支持。
特斯拉最早的Roadster采用的是松下的NCR18650A型電(diàn)池，額定電(diàn)壓3.6V，容量3.1Ah。之前的85kWh電(diàn)池組采用的是NCR18650B型電(diàn)池，額定電(diàn)壓3.6V，容量3.1Ah。
90kWh的電(diàn)池型号不得(de)而知，但(dàn)應該不是直接由松下提供成品，而是特斯拉與松下共同研發，專供特斯拉車(chē)型的定制(zhì)化電(diàn)芯。目前，松下生(shēng)産的18650電(diàn)池中，NCR18650G型是容量最高(gāo)的型号，達到了3.6Ah。如果按照這個(gè)計(jì)算(suàn)的話(huà)，85kWh電(diàn)池組中的7102顆電(diàn)芯，替換為(wèi)G型電(diàn)池，正好是90kWh。
所以，有(yǒu)一種可(kě)能性就是90kWh電(diàn)池組中，電(diàn)芯是NCR18650G型；而85kWh電(diàn)池組中，電(diàn)芯是NCR18650B型。總之，在電(diàn)芯數(shù)量不變(電(diàn)池組結構不變)的情況下，隻有(yǒu)把單個(gè)電(diàn)芯的容量提升至3.6Ah，才能确保90kWh的電(diàn)量。
而要實現100kWh，有(yǒu)2個(gè)方案：一是再疊加2個(gè)電(diàn)池包，按照每個(gè)電(diàn)池包5.3kWh的容量，正好可(kě)以得(de)到100kWh；二是替換能量密度更高(gāo)的電(diàn)芯。作(zuò)者認為(wèi)，後者是最佳，也是最有(yǒu)可(kě)能的一個(gè)方案。
因為(wèi)90kWh是基于85kWh的電(diàn)池組結構而來(lái)的。這個(gè)結構在18650電(diàn)池規格下，已經定型，更改其設計(jì)結構的成本是很(hěn)高(gāo)的。事實上(shàng)，電(diàn)池組中已經沒有(yǒu)空(kōng)間(jiān)再疊加更多(duō)的電(diàn)池包了。
如果增加電(diàn)池包，不但(dàn)電(diàn)池組質量會(huì)增加，電(diàn)池組的冷卻循環系統都要改動。所以，提升電(diàn)芯容量，才是最經濟可(kě)行(xíng)的方案。
試想，在100kWh的電(diàn)池組中，不改動電(diàn)池組結構的情況下，單個(gè)電(diàn)芯的容量要提升至3.9Ah，才有(yǒu)可(kě)能實現100kWh的容量。所以，作(zuò)者猜想特斯拉已經與松下研發出了3.9Ah的18650電(diàn)芯。這一功勞隻能歸功于陽極中的矽。
