特斯拉固態(tài)電池新突破：一撮蘇打粉解決壽命問題？

“煉金術(shù)士”馬斯克，剛剛搞出了固態(tài)電池領(lǐng)域一次 0-1 的突破。

特斯拉最新專利對(duì)外公開，講的是新材料對(duì)電池循環(huán)壽命的提升。提升了多少呢？大概 10%。

不太厲害？

但特斯拉的新成果，是把之前一種只在理論上可行的電池正極材料，第一次落地變成了現(xiàn)實(shí)，給后續(xù)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，打開了一扇新大門。

新材料應(yīng)用，可能要再次改寫能源領(lǐng)域。

特斯拉新電池材料，有啥厲害的？

先看實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

50 次的充放電循環(huán)中，特斯拉新正極材料制成的電池，總?cè)萘克p到 94% 左右。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，沒有用特斯拉新配方的電池，總?cè)萘看蟾哦嗨p 10%。

如果按絕對(duì)里程來算，充放電 50 次，大概也就 20000 公里左右的用車場景。

所以如果放到普通家用車至少 6-7 萬公里甚至 10 萬公里的真實(shí)情況，目前特斯拉新正極材料對(duì)電池衰減的改善情況，其實(shí)是十分有限的。也就是說，距離真正的量產(chǎn)上車還有不小的距離。

但是，特斯拉新專利的厲害之處，是突破了一個(gè)電池行業(yè)老大難問題 —— 富錳正極材料。

辦法是撒一小撮蘇打粉。

固態(tài)電池上車，蘇打粉立功？

電池嘛，大家都熟悉，主要原理就是氧化還原反應(yīng)在閉合回路中實(shí)現(xiàn)。

電池的放電過程，由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的氧化劑組成電池正極在反應(yīng)中得到電子，意味著負(fù)極上的電子通過電解液到達(dá)正極，把帶正電荷的離子還原，這個(gè)過程中釋放出能量。

而充電則是相反的氧化反應(yīng)。

正極 —— 電解液 —— 負(fù)極，自從伏特 1799 年發(fā)明電池以來，這個(gè)基本結(jié)構(gòu)就從沒變過。

任何有關(guān)電池的創(chuàng)新，都是對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行的“煉金術(shù)”。

比如現(xiàn)在大火的固態(tài)電池概念，就是把傳統(tǒng)電池中的液態(tài)電解質(zhì)用固態(tài)電解質(zhì)代替，從而實(shí)現(xiàn)小體積、大容量、快速充放的特性。

但電池性能的提升，不僅僅在電解質(zhì)這一層面，正負(fù)極材料的創(chuàng)新，也十分關(guān)鍵。

比如現(xiàn)在最常見的三元鋰或磷酸鐵鋰電池，就是以正極材料區(qū)分命名。

一般來說，三元鋰電池正極為鎳鈷錳酸鋰（Li (NiCoMn) O2）或者鎳鈷鋁酸鋰，負(fù)極為石墨材料，優(yōu)點(diǎn)是能量密度大，充放電速度快，低溫衰減輕。

但缺點(diǎn)也很明顯，成本高。主要就是鈷這種元素，地球上儲(chǔ)量遠(yuǎn)不如錳或鎳。

所以三元鋰電池的高鎳化，是現(xiàn)在追求的方向。不過全球鎳礦靜態(tài)可開采周期，也就 35 年左右。

磷酸鐵鋰電池在成本方面就有優(yōu)勢的多，但續(xù)航能力和抗衰減不如三元鋰。

那有沒有能夠兼顧能量密度和成本的正極材料？

現(xiàn)在的嘗試有很多，其中一個(gè)是富錳正極材料，比如 LiMn2O4—— 錳酸鋰，1981 年首先人工首次合成，是具有三維鋰離子通道的正極材料。

鋰不必說，二錳在地球上的儲(chǔ)量，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈷和鎳 (十億噸級(jí)和百萬噸級(jí)的差別)，成本問題也就解決了。

除此之外，錳酸鋰還具有電位高、環(huán)境友好、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最有希望取代鈷酸鋰 LiCoO2 成為新一代鋰離子電池的正極材料。

而在下一代固態(tài)電池技術(shù)中，富錳正極材料和復(fù)合鋰金屬負(fù)極配合，成為一條量產(chǎn)前景被廣泛看好的路線。

但是呢~ 凡事都有個(gè)“但是”，富錳正極材料，包括錳酸鋰在內(nèi)，存在一個(gè)致命缺陷，那就是電池容量下降快，電池壽命衰減嚴(yán)重。

機(jī)理涉及多種因素。一方面，在充放電過程中，錳離子往往會(huì)溶解到電解質(zhì)中，導(dǎo)致材料中錳含量降低，從而引起電壓衰減。

另一方面，正極材料的結(jié)構(gòu)破壞也是電壓衰減的重要因素。充放電過程中，富鋰錳基正極材料會(huì)發(fā)生體積變化，導(dǎo)致晶體的應(yīng)變和斷裂，從而破壞了材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步引起電壓衰減。

所以方法也可以從這兩個(gè)方面入手。

特斯拉新專利，就是采用摻雜適量的過渡金屬離子的方法，改善材料的結(jié)品性和穩(wěn)定性，減少溶出和析出現(xiàn)象，從而降低電壓衰減。

一般來說，鋅、鐵、鎳等金屬離子的摻雜都可以。但考慮到“降低電池成本”這一根本訴求，特斯拉選擇摻雜的是鎂（氟化鎂）、鈉（碳酸鈉）。

氟化鎂可能普通人接觸不多，一般用在冶金、陶瓷、光學(xué)領(lǐng)域。但碳酸鈉我們可太熟悉了，不就是蘇打粉嘛~

當(dāng)然了，這里的碳酸鈉是工業(yè)級(jí)別產(chǎn)品，跟你我家里廚房中的蘇打粉在純度上還是有很大區(qū)別。

特斯拉新專利盡管還只是邁出了富錳正極材料上車的一小步，但意義不可小覷：把一種以前只在“理論上”可用的電池正極材料變成現(xiàn)實(shí)。

用在現(xiàn)在的液態(tài)電池中，可以大幅降低成本、提高性能。

但更重要的是未來固態(tài)電池的應(yīng)用：正極方面，低成本、高性能富錳材料天然能滿足，現(xiàn)在特斯拉給出了一種同樣低成本解決電池壽命的方案。

破解電動(dòng)車?yán)m(xù)航、成本、性能這一看似不可能三角的關(guān)鍵突破，就一直靜靜躺在我們的廚房里。

院士馬斯克，現(xiàn)在又有了一個(gè)新頭銜：煉金術(shù)士。