特斯拉固態(tài)電池新突破：一撮蘇打粉，解決電池壽命問題

編輯部 整理自 XXX，量子位 | 公眾號 QbitAI

“煉金術士”馬斯克，剛剛搞出了固態(tài)電池領域一次0-1的突破。

特斯拉最新專利對外公開，講的是新材料對電池循環(huán)壽命的提升。

提升了多少呢？大概10%左右。

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，給后續(xù)固態(tài)電池技術的發(fā)展，打開了一扇新大門。

新材料應用，可能要再次改寫能源領域。

特斯拉新電池材料，有啥厲害的？

先看實驗結果：

50次的充放電循環(huán)中，特斯拉新正極材料制成的電池，總容量衰減到94%左右。

對比實驗中，沒有用特斯拉新配方的電池，總容量大概多衰減10%。

如果按絕對里程來算，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10萬公里的真實情況，目前特斯拉新正極材料對電池衰減的改善情況，其實是十分有限的。也就是說，距離真正的量產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在閉合回路中實現(xiàn)。

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

而充電則是相反的氧化反應。

正極——電解液——負極，自從伏特1799年發(fā)明電池以來，這個基本結構就從沒變過。

任何有關電池的創(chuàng)新，都是對這三個部分進行的“煉金術”。

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)電解質用固態(tài)電解質代替，從而實現(xiàn)小體積、大容量、快速充放的特性。

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

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，負極為石墨材料，優(yōu)點是能量密度大，充放電速度快，低溫衰減輕。

但缺點也很明顯，成本高。主要就是鈷這種元素，地球上儲量遠不如錳或鎳。

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，二錳在地球上的儲量，則遠遠高于鈷和鎳(十億噸級和百萬噸級的差別)，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，被公認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)電池技術中，富錳正極材料和復合鋰金屬負極配合，成為一條量產前景被廣泛看好的路線。

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

機理涉及多種因素。一方面，在充放電過程中，錳離子往往會溶解到電解質中，導致材料中錳含量降低，從而引起電壓衰減。

另一方面，正極材料的結構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發(fā)生體積變化，導致晶體的應變和斷裂，從而破壞了材料的結構，進一步引起電壓衰減。

所以方法也可以從這兩個方面入手。

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、光學領域。但碳酸鈉我們可太熟悉了，不就是蘇打粉嘛~

當然了，這里的碳酸鈉是工業(yè)級別產品，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。

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。

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

院士馬斯克，現(xiàn)在又有了一個新頭銜：煉金術士。