特斯拉改进锂电池 提高负极硅含量

许多公司都表示要降低电池价格并提高容量，而美国特斯拉公司的最新方向是硅。日前，特斯拉展示了新的90 千瓦时电池组，这种升级产品的容量提高了5%，可以让特斯拉的电动汽车多行驶24公里左右。虽然外观可能没有变化，但它使用了硅，这是锂离子电池技术的一个进步。

提高电池负极中的硅含量

据特斯拉CEO 埃隆·马斯克介绍，特斯拉对电池进行了改进，具体方法是在负极中使用了一些硅材料，进而改变了电池的化学反应过程。马斯克说：“我们的方向是用硅来做负极，以上做法只是迈出一小步。我们用的主要材料仍是人造石墨，但我们会慢慢地在负极中加入越来越多的硅。”

加拿大新斯科舍省戴尔豪西大学锂离子电池首席研究员杰夫·达恩教授最近和特斯拉签订了为期五年的独家合作协议，他将从2016年6月开始和特斯拉进行独家合作。他说：“电池厂商正在争相提高电池中的硅含量。在全球锂离子电池领域，正在进行硅课题攻关的研究人员不计其数。许多学术界和实业界人士也在非常努力地钻研这个问题。”

商用锂离子电池的负极一般由石墨制成。如果用硅作负极，其单位体积锂离子容量可达到石墨的10 倍左右。理论上，如果用硅大量取代石墨，石墨正极就可能变细，从而扩大容纳活性材料的空间。这样就可以提高电池的能量密度，也就是单位体积的能量存储能力。换句话说就是：尺寸不变，能量增多。同时，在锂离子电池中，硅的质量不需要像太阳电池或集成电路中那么高，这就意味着价格较低。电池中的硅越多，就越容易降低成本。

这就是所有电池厂商的目标——提高产品质量，降低成本。听起来似乎很容易，但是把锂和硅放在一起的难点在于，最终出现的原子数量几乎是初期的5 倍，而这会带来各种各样的问题。

参加聚会的电极颗粒

达恩解释说，大家可以把电池电极想象成一个房间，电极中的大量颗粒就像在房间里聚会的人，如果这些人都突然变得很胖，房间里就装不下那么多人了。用硅制作所有电极颗粒就会出现这样的情景。但如果房间里只有一部分人变胖，问题就不那么大，大家可以挪动一下，给胖人留下足够的空间。达恩指出：“最初只添加少量硅的原因就在这里。”

但使用硅材料的问题还不止于此。我们还用上面的比喻来解释，假如这些胖人(或者说较大的电极颗粒)在充电时变瘦，放电时再次变胖，其体积的大幅变化会引发另一个问题。所有硅电极颗粒都浸泡在电解液中，当它们变大时，就会不断拉伸包裹着它们的保护膜；当它们缩小时，保护膜则有可能脱落，这可能影响到电池的使用寿命。

达恩说，这种情况意味着用的硅越多，电池的寿命就越难保证。这就是目前电池厂商和研究人员面临的难题。

达恩说：“眼下只能加一点点硅，就像洒魔粉那样，这样的量还可以接受。几年后，硅会用得越来越多。这是件好事，因为它意味着这些产品会越变越好。”

达恩的研究团队打算既提高锂离子电池的能量密度，又延长它的使用寿命，这将有助于降低电动汽车和电网能源存储的成本。但正在这么做的不光是他们。达恩说：“世界上有好些公司都在往正极里添加硅。不仅仅是为特斯拉提供电池的松下，三星和其他一些公司也在这样做。”

萨萨姆·杰斐曾在清洁能源研究和分析机构Navigant Research 长期从事分析工作，现在他是初创公司Cygnus Energy Storage 的CEO。他认为，目前大多数电池中的硅含量都非常低，包括消费电子产品使用的电池。

问题在于特斯拉用了多少硅。杰斐说，业界标准是硅占电池原材料的1%～3%。他认为特斯拉已经找到了提高硅含量的办法。“特斯拉已经显著改变了电池的能量密度，而且公开宣称是硅让他们做到了这一点，这让我觉得他们在提高电池硅含量方面已经取得了进展。当然，现在这只是猜测。”

ModelX和作为供应商的特斯拉

车辆估值及汽车市场研究机构Kelley Blue Book 高级分析师卡尔·布劳尔对《财富》杂志表示：“所有业内人士都有很大的动力来不断改进电池技术。这当然是特斯拉的命根子。”

他说，特斯拉的Model X SUV 备受期待，为此特斯拉必须提高电池容量。这是因为Model X 较重，不提高电池容量的话，行驶里程就会缩短。

布劳尔认为，特斯拉把精力集中在电池技术上不光是为了做出更好的汽车，它还想转型为供应商。

许多公司都预计价格更低、性能更好的锂离子电池将投入使用，并且争相把这项技术用于民用和商用电网中。上述举措有可能帮助特斯拉成为这个新兴革命性能源行业中的领跑者。