可使用100年的新型电池:特斯拉联手锂离子电池大牛挑战磷酸铁锂

特斯拉的加拿大先进电池研究小组与达尔豪西大学合作,发布了一篇新的论文。论文介绍了一种可以使用100年的新型镍基电池,且充电和能量密度方面优于磷酸铁锂电池。时间回到2016年。这一年,特斯拉与加拿大达尔豪西大学的 Jeff Dahn电池实验室合作,建立了“特斯拉先进电池研究”部门。

Dahn 被认为是锂离子电池的先驱。自锂离子电池诞生以来,他就一直在从事这方面的研究,在延长电池生命周期等方面颇有建树,这对于电池的商业化非常重要。

可使用100年的新型电池:特斯拉联手锂离子电池大牛挑战磷酸铁锂

Dahn 现在的工作主要集中在提高电池能量密度、耐久性以及降低成本等方面,他所在的团队已经为特斯拉贡献了相当多的电池专利和论文。2019年,他的团队曾发表论文称,新电池属于具有下一代“单晶”NMC阴极和新型先进电解质的锂离子电池,基于广泛的测试,他们认为新电池可以为电动汽车提供“超过160万公里(100万英里)”的续航。

2021年,特斯拉与该团队续约五年,还增加了两位新 leader,由 Dahn 来领导。

最近,身为两位 leader 之一的 Michael Metzger 与 Dahn 和其他几位博士一起,在美国材料期刊 JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 上发表了一篇名为《Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 as a Superior Alternative to LiFePO4 for Long-Lived Low Voltage Li-Ion Cells》的新论文。

可使用100年的新型电池:特斯拉联手锂离子电池大牛挑战磷酸铁锂

这篇论文主要描述了传统镍锰钴电池NMC532)的一种变体。与类似电池的不同点在于,它被优化为在 3.8V 的电压下工作,而其他 NMC 电池使用4.2伏或更高的电压。较低的电压大大延长了电池的寿命,这使得 Dahn 和他的团队提出,这种电池可能有100年的使用寿命。这让 NMC532 电池在寿命上可以与磷酸铁锂电池(LPF)竞争,同时还保留了自身受欢迎的其他特性,比如更高的能量密度,这使得电动汽车可以用更少的电池行驶更长的距离。

该团队在论文的摘要部分写道:

所含石墨只够在 3.8v 工作的单晶 Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2//graphite (NMC532) 软包电池循环充电至 3.65 V 或 3.80 V,以便基于相似的最大充电电位和负极利用率与 LiFePO4//graphite (LFP) 软包电池展开比较。当 NMC532 电池仅由足以充电至 3.80 V 的石墨构成时,在40°C、55°C和70°C下,其能量密度超过 LFP 电池,而且循环寿命大大超过 LFP 电池。含有双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)盐的电解质在高温下表现出优异的寿命,远远超过传统 LiPF6 电解质。

在高次数的循环中,该电池的容量保持能力令人印象深刻:

可使用100年的新型电池:特斯拉联手锂离子电池大牛挑战磷酸铁锂

研究小组甚至指出,如果温度控制在25°C,论文中描述的电池可以使用100年:

超高精度库仑分析法和电化学阻抗谱用于补充循环结果,并研究 NMC 电池性能提高的原因。与 LFP 电池相比,NMC 电池,特别是那些平衡并充电至 3.8 V 的电池,表现出更好的库仑效率、更少的容量衰减和更高的能量密度,并且预计在 25℃下的寿命可以接近一个世纪。

其中的一个关键似乎是使用 LiFSI 锂盐电解质。

那么特斯拉什么时候会把这种电池投入量产车呢?可能永远不会。研究人员表示,他们的新电池比 LFP 电池成本更高,而且可能不具备电动汽车所需的动力特性。但是它们可能非常适合长期储存能量。如果是这样的话,最初较高的成本将被大大延长的使用寿命所抵消。当然,缺点是新电池继续使用镍和钴等越来越贵的原材料,而且钴矿开采存在一些社会争议。

不过,该论文指出,他们所发现的收益也可以应用于那些无钴或低钴的化学物质。

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