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特斯拉看重的Maxwell的干電極技術解析

作者:中國儲能網新聞中心 來源:Astroys 發布時間:2019-05-30 瀏覽:
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特斯拉已完成對Maxwell的收購,該公司之前更多主要從事超級電容的開發與應用。然而,近期大部分業界媒體已經注意到特斯拉對Maxwell的興趣可能更多與他們的干電極技術有關。

那么Maxwell的干電極技術到底神在哪兒呢?

原纖維化(Fibrilization)

特斯拉收購Maxwell的一項重要技術理由可以歸結為“原纖維化(Fibrilization)”。這是什么意思呢?舉個例子,在炎熱的天氣下,鞋底不小心黏到了口香糖,當你抬腳繼續向前邁步時,就會使黏到鞋底的口香糖“纖維化”。所有那些將將鞋底連接到人行道上的粘性物質稱為原纖維(Fibrils)。

Maxwell的干電極工藝通過將混入活躍的負極或正極材料顆粒的PTFE(Teflon)原纖維化,形成負極或正極材料的自支撐膜(self supporting film)。我們可以把Maxwell的這個工藝想象成一個裝滿高爾夫球和口香糖的大水箱,水箱底部有一個窄口的二維漏斗。當高爾夫球的重量通過槽將高爾夫球和口香糖片推到底部時,高爾夫球之間相互推動、滑動和滾動,偶爾會有一些口香糖被擠壓。

隨著高爾夫球繼續重新排列穿過狹槽,高爾夫球最終與口香糖的原纖維連在一起。這就是對Maxwell工藝的大致描述。然后將負極和正極材料的薄膜層壓到金屬箔集電體上制備負極和正極,正極和負極之間用隔膜卷繞制成電池的卷芯。

而最關鍵的是Maxwell的工藝使電池的負極和正極不使用溶劑。

傳統的鋰電池制造使用有粘合劑材料的溶劑,NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)是其中一種常見溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負極或正極粉末混合后,把漿料涂在電極集電體上并干燥。溶劑有毒,必須小心回收,進行純化和再利用。而且需要巨大、昂貴且復雜的電極涂覆機。下圖就是若干年前特斯拉Giga 1正在建造的這種機器。

Maxwell干電極工藝更簡單,不使用溶劑,它提供了一個重要但不那么明顯的優勢。該過程從電極粉末開始,比如說特斯拉的NCA正極的鋰鎳鈷氧化鋁粉末。將少量(約5-8%)細粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合。然后將混合的正極+粘合劑粉末通過擠壓機形成薄的電極材料帶。

將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。過程如下面草圖。

Maxwell的工藝皆適用于正極和負極。用NCA粉末和鋁箔制作正極,用石墨粉和銅箔制作負極。另外,還為Teflon添加了一些不同的聚合物,獲得了更好的強度和離子傳輸,添加一些其他材料可以提高導電性。通過將電極膜卷繞成卷,然后送入層壓機。但這個過程其實非常非常簡單。

Maxwell已將這種工藝用于制造超級電容。使用這個簡單的過程,制造電池的成本支出將會少得多,且不使用溶劑。

更高的能量密度

為了充分理解在電極制造中不使用溶劑的重要性,就需要了解整個鋰電池的制造方法。

通常鋰離子電池處于很低的電量狀態時,當暴露在空氣中時它們不會有劇烈反應。正極材料、既鋰化金屬氧化物會完全鋰化,而負極不含任何鋰。這意味著所有鋰離子(除了在電池末端添加的電解質中的少量鋰離子)都在正極材料內。

正極材料很重,大約是其中鋰含量的20倍。在完全充電的鋰電池中,大部分鋰已從正極材料中移動并儲存在負極的石墨中。隨著電池放電,鋰返回到正極,鋰離子嵌入到正極中,回到金屬氧化物晶體中。當負極消耗完鋰,或正極充滿鋰且不能再接受更多時,電池就已完全放電。

這里存在一些問題。當電池充滿電解質且進行第一次充電時,正極材料的一些鋰離子會被負極、電解質和鋰離子之間的反應消耗掉。這種寄生反應形成SEI(Solid Electrolyte Interphase,固體電解質界面)。SEI是電池的重要組成部分,因為它可以防止電解質與負極中的碳反應。問題在于,一旦進行第一次充電,在放電過程中從負極返回正極的鋰離子就會損失一些。結果導致了“第一次循環容量損失”,這種現象在所有常見類型的鋰離子電池中很普遍。第一次循環容量損失真正重要的原因是用于形成SEI的鋰成為了鋰化正極材料的一部分,因此電池在生命周期內總是帶著一堆永遠不會被使用的很重的正極材料,因為它最初包含的一些鋰在SEI中被束縛住了。

解決方案似乎只需添加額外的鋰來彌補用于形成SEI的缺口部分。這似乎只是一個小問題,添加的鋰必須是鋰金屬,或者將鋰添加到負極的石墨中。但在有溶劑的情況下,鋰金屬和與混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合,通常都伴隨著煙霧、火苗和噪音等強烈反應。因此,第一次循環容量損失的問題一直沒有得到很好的解決。

但Maxwell的工藝不使用溶劑。順便提一下,Maxwell有一項待審專利,專利內容正是用干法將鋰金屬添加到負極,補償第一次循環的容量損失......

添加額外的鋰有兩個好處。首先,少量添加的鋰可以彌補在初始充電時形成SEI所消耗的鋰,從而減少第一次循環容量損失。這就意味著更高的電池容量與能量密度。

其次,添加更多的鋰可以補償隨著時間的推移而消耗掉的鋰,因為SEI會隨著電荷循環以微小的速度繼續增長。因此,添加一點鋰可能意味著增加電池壽命。

結論

Maxwell的超級電容本身似乎對特斯拉電池性能的提高暫時不會有立竿見影的作用,但Maxwell用于制造超級電容器的專利工藝可以大大降低特斯拉(或松下?)的電池制造成本。此外,由于這是一種干電極制造工藝,可以添加額外的鋰,特斯拉/松下電池的容量和循環壽命都可能會提高。

前段時間不斷有些傳聞說松下可能計劃削減對Giga 1的資本支出,有些人認為這是松下失去了對特斯拉銷量信心的證據。而通過這篇文章,另一個更有趣的解釋可能是,松下認為現有工藝可能會因技術迭代即將過時,繼續投資會面臨不小的風險。因此可密切關注特斯拉與松下之間的關系動向。

如果特斯拉使用Maxwell工藝和專利實現了更好、更低成本的電池工藝,那么就會出現一個有趣的問題,特斯拉會向整個行業分享出技術細節嗎?

關鍵字:Maxwell

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