电池技术漫谈

特斯拉首届电池日

2020年9月22日，特斯拉举办了首届电池日。我们生活在一个奇妙的世界，能够见证首次像苹果发布会般的电池主题演讲。电池是我们日常生活的一部分；没有它们，世界将大不相同。手机、手电筒、平板电脑、笔记本电脑、无人机、汽车等设备若没有电池将无法便携使用。

本质上，电池储存化学能并将其转化为电能。电池中的化学反应涉及电子从一个电极流向另一个电极。当电池放电时，电子从称为阳极（负电极）的电极流向称为阴极（正电极）的电极。这种电子流动提供可用于为设备供电的电流。

电子带负电荷；因此，当负电子从一个电极移动到另一个电极时，使用电解质通过作为电荷平衡正离子流动的路径来平衡电荷。

让我们稍微分解这个过程，揭示电池中发生的化学反应。要产生电流，我们需要电子流动。这些电子来自哪里？

阳极中的电子是通过阳极（负电极）与电解质之间的化学反应产生的。同时，阴极（正电极）发生另一个化学反应，使其能够接受电子。通过这些化学反应，产生电子流，从而形成电流。

涉及电子交换的化学反应称为还原氧化反应或氧化还原反应。还原指获得电子。因此，这部分反应（定义为还原）发生在阴极，因为它获得电子。氧化指失去电子。因此，这部分反应（定义为氧化）发生在阳极，因为它向阴极失去电子。

这些反应（还原和氧化）各自具有特定的标准电势。电化学电池可以由任何两种具有不同标准电势反应的电导材料组成，因为构成阴极的更坚固材料将从构成阳极的较弱材料获得电子。

电池可以由一个或多个电化学电池组成，每个电池包括一个阳极、一个阴极和一种电解质，如上所述。电极和电解质通常由不同类型的金属或其他化合物制成。电极和电解质的不同材料产生不同的化学反应，影响电池的工作方式、存储能量多少及其电压。

伏特

“伏特”一词指的是电势的度量。该术语来自意大利科学家亚历山德罗·伏特，他被认为是发明第一个电池的人。1780年，另一位意大利科学家路易吉·伽瓦尼观察到，挂在铁或黄铜钩上的青蛙腿在用其他金属类型的探针触摸时会抽动。伽瓦尼认为这是由青蛙组织内的电引起的。他称之为“动物电”。

伏特认为电流来自两种不同的金属类型：悬挂青蛙的钩子和探针的不同金属。他认为电流只是通过青蛙组织传输，而不是来自青蛙组织。伏特试验了堆叠的银和锌层，中间夹着浸过盐水的布或纸层，发现电流流过施加在堆两端的电线。伏特还发现，通过使用堆中不同的金属可以增加电压量。这导致了我们今天所知的科学单位“伏特”。

增加电池电压有两种方法：将多个电池堆叠在一起，或通过选择不同材料来增加电池的电化学电势。

当电池串联组合时，对电池电压具有累加效应。本质上，电子通过电池移动的力可以视为总力，因为它从第一个电池的阳极通过电池包含的电池数量移动到最后一个电池的阴极。

相反，当电池并联组合时，它增加了电池的可能电流（定义为流过电池的电子总数），但不增加其电压。

测量电力

购买灯泡时，盒子会标明灯泡的瓦数。瓦特是功率的度量。瓦特描述了特定时刻使用的电力速率。因此，一个60瓦的灯泡在开启时任何时刻使用60瓦的电力。

另一方面，瓦时（Wh）是能量的度量。瓦时描述了随时间使用的总电量。您可以从名称推导出，瓦时是瓦特（电力使用速率）和小时（使用时间长度）的组合。回到我们的例子，一个60瓦的灯泡在开启时任何时刻消耗60瓦的电力，在一小时内使用60瓦时的电力。

然而，瓦时只能带您走这么远。如果您想测量大型电器或家庭使用的电力，人们倾向于使用千瓦时（kWh）。一千瓦等于一千瓦；因此，一千瓦时等于一千瓦时。

如果您想测量发电厂的输出或整个城市使用的电量，您将使用兆瓦。一兆瓦是一千千瓦或一百万瓦。更大的是，一吉瓦是一千兆瓦，或一百万千瓦，或十亿瓦。吉瓦是特斯拉超级工厂名称的来源。2018年，内华达州超级工厂的电池产量达到每年20吉瓦时（GWh）。

碱性电池

大多数人可能熟悉碱性电池。这些是您通常用于为玩具、电子产品、手电筒等供电的电池。生产的大多数碱性电池是一次性的，尽管存在一些可充电碱性电池。那么碱性电池由什么组成？

碱性电池以锌为阳极，二氧化锰（MnO2）为阴极。然而，它们的名称来自用作电解质的碱性溶液。电解质通常是氢氧化钾（KOH），它可以包含大量溶解的离子。电解质溶液可以吸收的离子越多，驱动电池的氧化还原反应可以持续的时间就越长。

锌阳极通常是粉末形式。粉末具有更大的反应表面积，这意味着电池可以快速释放其电力。锌阳极将其电子提供给二氧化锰阴极，其中添加了碳（石墨形式）以改善其导电性并帮助其保持形状。

碱性电池很受欢迎，因为它们具有低自放电率，使其具有长保质期，并且不含铅或镉等有毒重金属。它们占当今制造的大部分电池，尽管它们的位置可能很快受到我们手机、笔记本电脑、汽车和越来越多其他设备中锂离子电池的挑战。

锂离子电池

锂离子电池因其能量密度而受欢迎。因为能量密集，您的手机可以续航一整天，并且仍然是我们都熟悉的小型便携式手持设备。正如您可能从手机行为中知道的那样，锂离子电池是可充电的。电池的名称来自这样一个事实：锂离子（Li+）参与了构成电池的化学反应。

在锂离子电池中，阳极和阴极两个电极都由可以吸收锂离子的材料制成。当元素的带电离子可以存储在材料内部而不会显著干扰它时，吸收动作称为插层。锂离子在阳极结构内与电子配对。当电池放电时，插层的锂离子从阳极释放，通过电解质溶液行进，以插层在阴极中。

锂离子电池在完全放电状态下开始其生命：所有锂离子都插层在阴极内，其化学性质尚不能产生任何电力。在电池可以使用之前，需要充电。当电池充电时，阴极发生氧化反应，意味着它失去一些带负电的电子。相等数量的带正电的插层锂离子溶解到电解质溶液中，以维持阴极中的电荷平衡。这些锂离子行进到阳极，在那里它们被插层或吸收在通常是石墨的材料中。这种插层反应还将电子沉积到石墨阳极中，与锂离子配对。还有许多其他类型的电池，但您主要需要理解锂离子电池作为本文的背景。

新技术

固态电池

与当今电池中发现的液体或聚合物凝胶电解质相反，固态电池使用固体电解质和固体电极。如果我们回想一下，正离子流过电解质以平衡电子的负电荷。如今，电池在传输正离子方面非常高效，因为液体电解质与电极的整个表面积接触。使用固体使这变得有点困难。想象一下将薯片浸入汤中和浸入切碎的西红柿中的区别。浸入汤中的薯片将比浸入切碎西红柿中的薯片覆盖更多的薯片表面积。

那么，如果效率较低，为什么还要使用固体电解质？今天的锂离子电池通常依赖易燃液体作为电解质。通过使用固体电解质，电池可以更不容易着火。大多数人可能记得三星的Galaxy Note 7，它具有着火的 unfortunate 副作用。固体电解质提供了更安全的选择。

固体电解质的研究和实验通常倾向于高温下的固体聚合物或室温下的陶瓷。高温下固体聚合物的缺点是它们需要在220°F（105°C）以上的温度下运行。这对于手机或平板电脑等手持设备来说肯定不实用，但可能适用于存储能量为家庭供电。

相当多的公司正在研究使用室温陶瓷创建固态电池。丰田多年来一直在谈论他们的固态电池，并计划在2025年完成。初创公司，如Solid Power和A123 Systems（在Iconic Materials的帮助下），旨在做同样的事情。

许多关于固态电池的新研究是Jürgen Janek的工作。Jürgen最近发布了一份关于全固态锂电池性能的基准。另一位备受瞩目的电池科学家Gerbrand Ceder发表了一篇关于固态电池界面稳定性的论文。关于固态电池的新研究发表得相当频繁。尽管有许多对固态电池的怀疑者，因为它尚未商业交付和规模化，但我不会完全排除它在未来占有一席之地。

核电池

到目前为止，我们只讨论了由化学反应供电的电池，例如为手电筒、手机和其他设备供电的电池。化学电池，也称为原电池，在给定时间内放电，需要丢弃或充电。这就引出了一个问题：是否有种电池可以长期使用？

核电池，也称为原子电池，使用β衰变的能量，正在被研究以创建比化学反应供电的电池寿命更长的电池。由β衰变供电的电池称为贝塔伏打电池。核电池中使用的放射性同位素的半衰期从几十年到几百年不等，因此它们的功率输出在很长一段时间内保持几乎恒定。如果核电池寿命从几十年到几百年，为什么我们今天不处处使用它们？难道不是每个人都想要一个至少十年不需要充电的手机吗？

核电池有一些副作用。它们无法关闭；电子不断产生，即使当它们不需要时。正在研究刺激β衰变，这将按需产生更多电流，允许输出在关闭时降至几乎为零。另一个缺点是贝塔伏打电池的功率密度远低于化学电池。然而，有趣的是，贝塔伏打在1970年代曾用于为心脏起搏器供电，然后被更便宜的锂离子电池取代，尽管锂离子电池寿命较短。

2016年，来自MISIS的俄罗斯研究人员展示了一个基于镍-63的贝塔伏打电池原型。使用镍-63的一个缺点是它不易获得，使他们的研究难以商业化。CityLabs销售一个贝塔伏打电池，半衰期为14.4年，您现在可以购买，起价1,000美元，但您需要120万个这样的电池才能有一瓦的功率。

NDB是一家致力于纳米钻石电池的初创公司，该电池可以持续数千年。UPower是另一家致力于兆瓦级原子发电机的初创公司。

硅阳极

今天，通常用于阳极的材料是石墨，因为它经济、可靠且相对能量密集，特别是与当前的阴极材料相比。锂离子电池的限制因素是可以存储在电极中的锂量。使用硅作为阳极材料，而不是石墨，允许在阳极中容纳约九倍的锂离子。

使用硅存储更多锂离子的能力听起来很棒；为什么不是每个人都这样做？问题是硅阳极在吸收锂离子时膨胀到其原始体积的3-4倍。使外壳更大并不能规避问题，因为膨胀导致硅破裂，导致电池失效。它还会被钝化层堵塞，也称为固体电解质界面（SEI），由电解质分解在电极表面形成。

“对于硅，饼干会碎裂并变得粘稠。” - 埃隆·马斯克。

作为这个问题的解决方案，许多公司使用硅作为阳极材料的一部分。但这些材料昂贵且高度工程化。这方面的例子包括结构在SiO玻璃中的硅（每千瓦时6.6美元）、结构在石墨中的硅（每千瓦时10.2美元）和硅纳米线（每千瓦时>100美元）。

Sila Nanotechnologies正在使用硅作为他们的阳极材料。Amprius声称使用硅纳米线100%用于阳极材料，这是一种高度工程化、昂贵的材料。Advano、Enevate和Enovix是致力于硅解决方案用于阳极材料的初创公司。

特斯拉电池日

在特斯拉电池日活动上，他们宣布了对电池的许多更改，这些更改不仅仅包括使用的材料。特斯拉拥有最著名的电池科学家之一Jeff Dahn。他最近关于“用于新电池技术基准的优秀锂离子电池化学的广泛测试结果”和“富镍正极材料中需要钴吗？”的论文有助于深入了解特斯拉一直在研究的内容。

电池日成果增加了他们车辆的续航里程，同时更经济；他们计划将每千瓦时的成本减半。这个领域的大多数初创公司倾向于考虑单一设计决策用于他们的产品，例如阳极材料，并专注于那个。另一方面，特斯拉采取了非常全面的方法。他们不仅考虑了阴极和阳极的材料，还考虑了电池设计、工厂和与车辆的集成。

让我们分解这些改进中的每一个。

电池设计

对于特斯拉的电池，在放电时，正离子流过极耳，而锂离子从阳极流向阴极，如下所示。极耳允许电池的能量转移到外部源。

特斯拉团队寻求将电池尺寸增加到46毫米，这优化了车辆续航里程和成本降低。然而，增加电池尺寸对超级充电有负面副作用，因为热问题。为了规避这些问题，特斯拉团队移除了极耳，称他们的新设计为无极耳。

无极耳设计导致更简单的制造、更少的部件和五倍的电路径减少。从250毫米到50毫米的电路径长度导致实质性的热益处。电路径长度很重要，因为电子必须行进的距离要少得多。尽管电池大得多，但功率重量比比带极耳的较小电池更好。

让我们深入探讨为什么这种新的无极耳设计很重要。特斯拉本可以称之为“多极耳”，因为每个折叠的引脚都是一个极耳，如上图所示。极耳的功能是什么？

成长过程中，我的家人总是在体育赛事结束前离开，以避免活动结束后人群试图离开体育场。如果我们待到活动结束，离开体育场需要更多时间，并且非常不舒服，因为每个人都会同时试图通过很少的出口离开。当人们试图离开时，他们彼此越来越近，环境变得非常热和喧闹。如果我们把人视为电子，具有单个出口的体育场类似于具有单个极耳的电池行为；电子都试图通过单个极耳离开并相互碰撞直到加热。特斯拉的新设计中有多个极耳，相当于具有许多出口的体育场。现在人们或电子可以快速退出，同时保持凉爽和冷静。

关于新的无极耳设计及其实现的演示细节不多，但这可以归因于“秘方”。

制造电池包括电极过程，其中活性材料被涂覆到箔片上的薄膜中；涂覆的箔片然后在卷绕过程中卷绕。卷然后组装到罐中，密封，并填充电解质，然后发送到化成，在那里电池首次充电。如果您从上面回想，锂离子电池在放电状态下开始其生命。对于带极耳的电池，制造要复杂得多。当带极耳的电池通过装配线时，它必须停在所有极耳所在的位置，因此您无法进行连续运动生产。它也更容易出错。

“从生产的角度来看，有极耳真的很麻烦。” - 埃隆·马斯克。

新电池是46毫米乘80毫米，导致名称4680。前两位数字指的是直径，后两位数字指的是长度。以前，名称末尾添加了一个额外的零，但由于没有目的而被移除。

4680电池具有五倍的能量和六倍的功率，并实现16%的续航里程增加。在电池包级别，仅外形尺寸改进导致每千瓦时成本降低14%。

电池工厂

我们上面学到了一点关于从电池中移除极耳如何简化制造过程。在装配线中，您不希望事物停止和启动，而是连续移动。任何过程停止的时间都会导致低效率。特斯拉团队旨在加速其过程，使一个工厂具有多个规模效率，比典型电池工厂更好。

我们上面学到，电极过程是活性材料被涂覆到箔片上的薄膜中的过程。电极过程的湿法步骤包括首先：混合。混合发生在粉末与水或溶剂（通常是阴极的溶剂）混合时。混合物然后进入大型涂布和干燥炉，几十米长，其中浆料被涂覆到箔片上并干燥。然后必须回收溶剂。最后，涂覆的箔片被压缩到最终密度。这个过程复杂且低效，特别是因为人类需要将混合物从混合步骤运输到炉子。由于需要放入溶剂然后回收它，它也很低效。

他们正在做的一个重大变化是跳过电极涂布湿法过程的溶剂步骤，转而采用干法过程。干法过程将粉末直接转化为薄膜。这项技术最初源于特斯拉在2019年初对Maxwell的收购。在电池日，埃隆提到自收购以来，他们现在正在第四版将粉末转化为薄膜的设备上。埃隆指出，“还有很多工作要做。有一条明确的成功之路，但从这里到那里之间有大量工作。”当这个过程扩大规模时，它导致占地面积减少十倍，能量减少十倍，以及资本支出投资大幅减少。

称为化成的制造步骤是电池首次充电并验证电池质量的地方。化成通常是资本支出投资的25%。特斯拉团队利用他们从汽车和Powerwall充放电的知识改进了密度和成本效益。这导致每吉瓦时化成资本支出投资减少86%，占地面积减少75%。对于以前输出150吉瓦时的工厂，这转化为同一工厂通过更高效的流程输出1太瓦时。在电池包级别，这导致每千瓦时成本降低18%。

阳极材料

特斯拉宣布他们正在转向硅作为他们的阳极材料。硅很棒，因为它是地壳中氧之后最丰富的元素。特斯拉将使用地壳中发现的原始硅并设计它以膨胀，而不是创建高度工程化且昂贵的材料。他们将通过弹性、离子导电聚合物涂层和高弹性粘合剂和电解质来稳定硅的表面。

特斯拉的硅成本为每千瓦时1.20美元，而我们之前涵盖的解决方案成本从每千瓦时6美元到一百多美元不等。使用硅导致在电池包级别每千瓦时成本降低5%，特斯拉车辆续航里程延长20%。

阴极材料

理解阴极的一个有用类比是将阴极视为书架。在这种情况下，锂离子将是书籍。最有效的书架持有最多的书籍，同时仍然足够稳定以在书籍借出和归还时保持其结构。

特斯拉团队旨在增加其阴极材料中的镍，因为它最便宜且具有最高的能量密度（如上所示）。钴通常用作阴极材料，因为它非常稳定。然而，特斯拉团队旨在利用新型涂层和掺杂剂更好地稳定镍，并从他们的材料中完全移除钴。移除钴导致阴极每千瓦时成本降低15%。

特斯拉团队确保牢记所用材料的成本和材料的可用性。对于阳极材料的硅，可用性不是问题，因为硅容易获得。锂也是如此，也非常容易获得。另一方面，对于镍，特斯拉团队通过根据车辆类型多样化他们使用的镍量来牢记总镍可用性。

团队还通过移除所有遗留部件简化了阴极制造过程。根据电池日演示，阴极制造过程（占阴极每千瓦时成本的35%）长期以来没有新审视，并且非常低效。

“如果您看一下‘这是一个小世界旅程’——我是一个镍原子，发生在我身上的事情，这很疯狂，您绕世界三次，有道德等价于挖沟、填沟、再挖沟。这完全是疯狂。” - 埃隆·马斯克。

典型的阴极过程从将来自矿山的金属转化为称为金属硫酸盐的中间材料开始，这反过来又被再次加工。特斯拉团队移除了将金属转化为金属硫酸盐的中间步骤以及一堆其他不必要的步骤。他们还将阴极材料本地化到美国，这减少了材料需要行进的距离。这导致资本支出投资减少66%，过程成本减少76%，并且零废水。阴极材料改进导致在电池包级别每千瓦时成本降低12%。

电池车辆集成

在飞机的早期，燃料作为货物携带。后来，燃料箱被制成机翼形状。这是一个突破，因为机翼对飞机的功能至关重要，但现在可以用于另一个目的。燃料箱不再是货物，而是飞机结构的基础。特斯拉打算为汽车做同样的事情。

通过移除电池包中的中间结构，他们可以更密集地包装电池。电池包本身是结构性的，而不是在电池中具有支撑和稳定器，构成中间结构元件。通常，特斯拉用阻燃剂填充电池包。新电池包将填充阻燃剂和结构粘合剂，在没有中间结构元件的情况下赋予其刚度和稳定性。这使得结构比普通汽车更硬。

电池现在可以更向车辆中心移动，因为体积效率更好，避免侧面碰撞可能接触电池。这也允许汽车更好地操纵，因为极惯性矩得到改善。很像滑冰者可以通过将手臂靠近身体而不是伸出来更好地转动。

电池包集成的改进导致汽车车身质量减少10%，续航里程增加14%，以及减少370个部件。更小、集成的电池和车身也有助于提高制造效率。这导致资本支出投资减少55%，占地面积减少35%。在电池包级别，集成改进导致每千瓦时成本降低7%。

所有这些改进的总和，包括电池设计、工厂、材料和车辆集成，实现了将每千瓦时成本减半的目标。更便宜的电动汽车将特斯拉的市场扩大到新买家，减少了道路上的汽油动力车辆数量。

总结

总而言之，看到我们日常依赖的技术成为焦点真是太棒了。尽管在电池日未提及，如果特斯拉实现每千克400瓦时，零排放喷气式飞机可能就在眼前。既然电池垂直集成到特斯拉的产品中，您只能想象软件将跟踪更多关于电池效率的数据，导致未来越来越多的改进。

看到特斯拉重新审视制造最高效和最具成本效益的电池真是令人难以置信。重新思考旧过程从第一原理到使它们更高效所投入的思考和细节水平是鼓舞人心的。特斯拉团队不仅看一个角度，而且看所有角度：电池设计、制造、车辆集成和材料。每个决策都有一个明确的“为什么”，归结为经济学，而不仅仅是技术收益。希望我们很快看到另一个核心技术，如电池，成为焦点。