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实践
电池一天
信贷:Andrii Malkov
特斯拉在2020年9月22日举行了第一个电池日。我们生活在一个多么奇妙的世界，我们可以见证第一个苹果式的电池主题演讲。电池是日常生活的一部分;没有他们，世界将是一个完全不同的地方。没有电池，你的手机、手电筒、平板电脑、笔记本电脑、无人机、汽车和其他设备将无法携带和运行。
电池的核心是储存化学能并将其转化为电能。电池中的化学反应包括电子从一个电极流向另一个电极。当电池放电时，电子从电极中流出阳极，或负极，以阴极，或正极。这种电子流提供的电流可以用来为设备供电。电子带负电荷;因此，当负电子的流动从一个电极移动到另一个电极时，电解液就被用来作为平衡电荷的正离子流动的路线来平衡电荷。
让我们来分析一下电池内部的化学反应。电流需要电子的流动。这些电子从哪里来?
阳极中的电子是由阳极和电解质之间的化学反应产生的。同时，另一种化学反应在阴极中发生，使其能够接受电子。这些化学反应产生了电子流，从而产生了电流。
涉及电子交换的化学反应称为Areduction-oxidation反应，即氧化还原反应。
减少指的是电子的增益。因此，一半的还原反应发生在阴极，因为它获得了电子。氧化指的是电子的损失。因此，这个反应的另一半——氧化——发生在阳极，因为它失去了电子到阴极。每一个反应都有特定的电势。一个电化学电池可以由任何两种具有不同标准电位反应的导电材料组成，因为构成阴极的较强的材料将从构成阳极的较弱的材料获得电子。
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，一个阴极和电解液，如前所述。电极和电解质通常由不同类型的金属或其他化合物组成。不同的电极和电解质材料会产生不同的化学反应，从而影响电池的工作方式、能储存多少能量以及电压。
伏
这个词伏特指电势的测量。这个术语来源于发明了第一块电池的意大利科学家亚历山德罗·沃尔特的名字。1780年，另一位意大利科学家路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)观察到，挂在铁钩或铜钩上的青蛙的腿，在用其他金属探针触摸时会抽搐。伽伐尼认为这是由青蛙组织内的电流引起的。他称之为“动物的电”。
伏特认为电流来自两种不同的金属:悬挂青蛙的钩子和探针的不同金属。他以为电流只是在传递通过,而不是从即青蛙的组织。Volta实验了将银和锌层与浸泡在盐水中的布或纸层穿插在一起，发现电流通过一根导线，导线连接在银和锌层的两端。伏特还发现，通过在金属堆中使用不同的金属可以增加电压，这就形成了我们今天所知的科学单位伏特。
提高电池电压有两种方法:将几个电池堆在一起或通过选择不同的材料来提高电池的电化学电位。
将电池串在一起对电池的电压有附加效应。从本质上讲，电子在电池中移动时所受的力可以被看作是电子从第一个电池的阳极穿过电池中所有的电池到达最后一个电池的阴极时所受的总力。
相反，将电池单元并联则会增加电池的可能电流，它被定义为流过电池单元的电子总数，而不是电池的电压。
测量电
当你买一个灯泡时，盒子上标明了灯泡的瓦数。瓦特是功率的测量单位。它描述了在特定时刻用电的速率。因此，一个60瓦的灯泡在开着的任何时刻都要消耗60瓦的电力。
一个瓦时另一方面，Wh是能量的度量。它描述了一段时间内的总用电量。你可以从它的名字推导出瓦时是瓦的组合，瓦是电的使用速率;用的时间是小时。让我们回到这个例子，一个60瓦的灯泡，在打开的时候随时都能消耗60瓦的电，一个小时就用了60瓦时的电。
然而，瓦时只能帮到你这么多。为了测量大型电器或家庭的用电量，更常用的术语是千瓦时(千瓦时)。一千瓦等于1000瓦;因此，1千瓦时等于1000千瓦时。
为了测量发电厂的发电量或整个城市的用电量，兆瓦是更实际的术语。一兆瓦是1000千瓦或100万瓦。再大一点，a十亿瓦是1000兆瓦，100万千瓦，或者10亿瓦。吉瓦是特斯拉超级工厂的名字。2018年，位于内华达州的超级工厂的电池产量达到了每年20吉瓦时(GWh)。
碱性电池
大多数人对碱性电池都很熟悉。这些电池通常用来为玩具、电子产品、手电筒等供电。虽然也有一些可充电的碱性电池，但生产的大部分碱性电池都是一次性使用的。
碱性电池用锌作阳极，二氧化锰作阴极。它的名字来自于用作电解质的碱性溶液。电解质通常是氢氧化钾，它可以包含大量溶解的离子。电解质溶液吸收的离子越多，驱动电池的氧化还原反应持续的时间就越长。
锌阳极通常呈粉末状。粉末具有更大的反应表面积，这意味着电池可以快速释放能量。锌阳极把它的电子让给了锰-二氧化锰阴极，而以石墨形式加入的碳可以提高它的导电性，帮助它保持形状。
碱性电池很受欢迎，因为它们自放电率低，保质期长，而且不含铅或镉等有毒重金属。它们占据了当今电池生产的大部分，尽管它们的领先地位可能很快就会被手机、笔记本电脑、汽车和越来越多的其他电子产品中的锂离子电池所挑战。
锂离子电池
锂离子电池因其能量密度大而广受欢迎。因为能量是密集的，你的手机可以持续一整天，仍然是我们所熟悉的小，便携，手持设备。从手机的使用情况你可能知道，锂离子电池是可充电的。这种电池的名字来源于锂离子参与组成电池的化学反应这一事实。
锂离子电池在完全放电的状态下开始使用:它的所有锂离子都插在阴极中，它的化学性质还不能产生任何电。
在锂离子电池中，阳极和阴极都是由可以吸收锂离子的材料制成的。这种吸收作用被称为夹层这使得一种元素的带电离子可以储存在材料内部，而不会对材料造成明显的干扰。锂离子与阳极结构中的一个电子配对。当电池放电时，插入的锂离子从阳极释放，并通过电解液溶液插入阴极。
锂离子电池在完全放电的状态下开始使用:它的所有锂离子都插在阴极中，它的化学成分还不能产生任何电。在电池可以使用之前，它需要充电。当电池充电时，阴极会发生氧化反应，这意味着它会失去一些带负电的电子。等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。这些离子移动到阳极，在那里被插入或吸收到通常是石墨的物质中。这种插层反应也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，但在本文中，您首先需要了解锂离子电池。(不过，有些人可能会对尿动力电池感兴趣。)
新技术
固态电池。与目前电池中使用的液体或聚合物凝胶电解质不同，固态电池使用固体电解质和固体电极。回想一下，正离子在电解质中流动以平衡电子的负电荷。如今，由于液体电解质与电极的整个表面积相接触，电池在传输正离子方面相当高效。用固体就有点难了。想象一下把薯片蘸在汤里和蘸在切碎的西红柿里的区别。汤汁会比切碎的番茄覆盖更多的薯片表面。
如果固体电解质效率较低，为什么要使用它呢?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，电池可以减少爆炸起火的可能性。你可能还记得三星的Galaxy Note 7，它不幸的副作用是起火。固体电解质提供了一个更安全的选择。
固体电解质通常在高温下趋向于固体聚合物，在室温下趋向于陶瓷。固体聚合物的缺点是它们需要在220°F(105°C)以上的温度下工作。这对手机或平板电脑等手持设备来说当然不现实，但可以用于为家庭供电的储存能源。
一些公司正在研究在室温下使用陶瓷制造固态电池。丰田多年来一直在谈论其电池，并计划在2025年完成。像Solid Power和A123 Systems(在离子材料的帮助下)这样的初创公司也有同样的目标。
很多关于固态电池的新奇研究都是由Jürgen Janek完成的，他最近发表了一个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频繁发表。尽管有很多人对固态电池持怀疑态度，因为它们还没有进行商业交付和规模化生产，但我不会否认它在未来有一席之地。
核电池。到目前为止，我们只讨论了由化学反应提供动力的电池，比如手电筒、手机和其他电子产品中的电池。化学电池，也被称为原电池，在一定的时间内放电，需要扔掉或充电。有没有一种电池可以长期使用?
核电池，或原子电池，使用贝塔衰变的能量，被称为betavoltaics。它们之所以受到研究关注，是因为它们比化学反应产生的能量持续时间长得多。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几乎保持不变。
如果核电池可以使用几十年到几百年，为什么今天没有到处使用呢?难道不是每个人都想要一部不需要充电就能使用至少十年的手机吗?
核电池有一些副作用。它们无法关闭;即使在不需要电子的时候，电子也在不断地产生。人们正在进行刺激β衰变的研究，这将按需产生更多电流，使输出在关闭电源时几乎为零。
另一个缺点是电池的功率密度比化学电池低得多。有趣的是，上世纪70年代，倍伏电池曾被用来为心脏起搏器供电，后来才被更便宜的锂离子电池所取代，尽管锂离子电池的寿命更短。
2016年，俄罗斯国立科技大学MISiS的研究人员提出了一种基于镍-63的bet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。City Labs出售一种半衰期为14.4年的贝塔伏打电池，你现在可以以1000美元的起价购买，但你需要120万个这种电池才能获得1瓦的电力。NDB是一家初创公司，正在研究一种可以使用数千年的纳米钻石电池。UPower Technologies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，相对能量密集，特别是与目前的阴极材料相比。锂离子电池的限制因素是电极中可存储的锂量。使用硅而不是石墨作为阳极材料，可以在阳极中容纳大约9倍多的锂离子。
利用硅存储更多锂离子的能力听起来令人惊叹;为什么不是每个人都这样做呢?问题是，当硅阳极吸收锂离子时，它的体积会膨胀到原来的3到4倍。增大外壳并不能解决这个问题，因为膨胀会导致硅断裂，导致电池失效。钝化层，也称为SEI(固体电解质间相)，由电解质分解在电极表面形成。这一钝化层通常会抑制电解液进一步分解，使电池寿命更长。锂离子的吸收会使这一层粘在一起，使其效果降低。
“有了硅，饼干就会碎，变得粘稠。”elon Musk
为了解决这个问题，许多公司使用硅作为阳极材料的一部分，但这种材料昂贵且高度工程化。例子包括SiO(二氧化硅)玻璃结构的硅(每千瓦时6.60美元)、石墨结构的硅(每千瓦时10.20美元)和硅纳米线(每千瓦时100美元)。Sila纳米技术公司使用硅作为阳极材料。Amprius声称将硅纳米线作为100%的阳极材料，硅纳米线是一种高度工程的、昂贵的材料。Advano、Enevate和Enovix是几家致力于研究阳极材料硅解决方案的初创公司。
特斯拉的电池一天
在特斯拉的电池日活动上，该公司宣布了其电池的许多变化，不仅仅包括所使用的材料。特斯拉的员工中有著名的电池科学家杰夫·达恩。他最近的论文《一种优秀锂离子电池化学物质的广泛测试结果，可作为新电池技术的基准》和《锂离子电池的富镍正极材料需要钴吗?》有助于了解特斯拉一直在研究什么。
电池日的成果可以增加特斯拉汽车的续航里程，同时更经济;该计划是将每千瓦时的成本减半。大多数创业公司(除了Sila Nanotechnologies，它似乎与特斯拉的方法最接近)在这个领域倾向于将一个单一的设计决策考虑到他们的产品——例如，阳极材料——并专注于此。另一方面，特斯拉采取了更广泛的方法。它不仅考虑了正极和阳极的材料，而且还考虑了电池的设计，工厂，以及与车辆的集成，说明在图1．(特斯拉在报告中称，未来还有更多方面有待改进。)
图1所示。特斯拉垂直整合的好处。
让我们逐一分析这些改进。
电池的设计。对于特斯拉的电池，放电时，正离子流经制表片，而锂离子从阳极流向阴极，如图所示图2．这些标签可以将细胞的能量转移到外部来源。
图2。电池放电。
特斯拉团队试图将电池尺寸增加到46毫米，这可以优化汽车的续航里程并降低成本。然而，由于热问题，增加电池的尺寸对增压有负面的副作用。为了避免这些问题，特斯拉团队删除了标签，称新设计为“无表”。
无表设计使得制造更简单，零件更少，电气路径减少了五倍。从250毫米到50毫米的电程长度会带来巨大的热效益。电程的长度是很重要的，因为电子必须移动的距离要小得多。尽管电池更大，但功率重量比优于带标签的小电池。
为什么这种新的无桌设计如此重要?特斯拉可以称其为“无表”，而不是“无表”许多选项卡，因为每一个折叠的大头针都是一个标签，如图所示图3．选项卡的功能是什么?
图3。表格单元格。
想想这个类比:在我成长的过程中，我的家人总是在体育赛事结束前离开，以避免人群试图离开体育场。如果我们一直呆到活动结束，退出的过程将会花费更多的时间，而且会让人不舒服，因为每个人都试图同时从几个出口离开。他们彼此越走越近，环境变得炎热而喧闹。如果你把离开的人想象成电子，一个只有一个出口的体育场和一个只有一个标签的电池的行为类似;所有的电子都试图通过单一的标签离开，互相碰撞，直到它们被加热。
特斯拉的新设计有多个标签，相当于一个有很多出口的体育场。现在，人或电子可以在保持冷静和冷静的情况下迅速离开。
特斯拉在其演示中没有提供关于新的无桌设计及其实现的很多细节，但可以将其归功于“秘密武器”。
制造电池包括一个电极过程，其中活性材料被涂成薄膜在箔上;然后在缠绕过程中缠绕涂覆的箔。该卷被组装到罐中，密封，充满电解液，然后送至成型，在那里电池第一次充电。回想一下，锂离子电池在放电状态下开始使用。对于带标签的电池来说，制造要复杂得多。当带有标签的细胞在流水线上运行时，它必须在所有标签所在的位置停止，所以你不能进行连续的运动生产。它也更容易出错。
“从生产的角度来看，有标签真的是一种巨大的痛苦。”elon Musk
新电池的尺寸是46毫米× 80毫米，因此得名4680，这是指电池的直径和长度。以前，在名字后面会加一个额外的零，但由于它没有任何用途，所以被删除了。
4680电池的功率是6倍，能量是5倍，续航里程增加16%。在电池组水平上，单是外形因素的改进就可使每千瓦时成本降低14%。
细胞工厂。之前我们了解了一些关于如何从电池上去除标签简化制造过程。在装配线上，你不希望生产线停止和启动，而是不断地移动。停止这个过程会导致效率低下。特斯拉团队的目标是加快过程，使一个工厂的效率比一个典型的电池工厂更高。
我们还了解到电极过程是活性材料被涂成薄膜在箔上。电极过程的湿法步骤从混合开始，当粉末与水或溶剂混合时，通常是阴极的溶剂。然后，混合后的混合物进入一个几十米长的大型涂层烘干烤箱，在那里，浆液被涂在铝箔上并烘干。然后必须回收溶剂。最后，将涂覆的箔片压缩到最终密度。这个过程是复杂和低效的，特别是因为人类需要将混合步骤的混合物运输到烤箱。它也是低效的，因为需要放入溶剂，然后回收它。
特斯拉正在做的一个重大改变是，跳过了电极涂层湿法过程中的溶剂步骤，而采用了将粉末直接转化为薄膜的干法过程。这项技术源于特斯拉在2019年初收购麦克斯韦。在电池日当天，马斯克提到，自从被收购以来，特斯拉正在第四次修改将粉末转化为薄膜的设备。他指出:“还有很多工作要做。通往成功的道路很清晰，但其间还有大量工作要做。”当这一过程扩大规模时，其结果是占地面积减少了10倍，能源减少了等量，以及资本支出(CapEx)的大幅减少。
被称为形成的制造步骤是电池第一次充电并验证其质量。形成通常占资本支出投资的25%。特斯拉团队利用他们在汽车和电源墙充放电方面的知识，提高了密度和成本效益。这使得每GWh的资本支出减少了86%，占地面积减少了75%。对于一个以前输出150GWh的工厂来说，这相当于该工厂使用更高效的流程生产了1TWh的电力。在电池组层面，这使得每千瓦时的成本降低了18%。
阳极材料。特斯拉宣布将改用硅作为阳极材料。硅是地壳中仅次于氧的最丰富的元素。特斯拉不会制造一种昂贵的高度工程化材料，而是会使用原始硅，并为其进行扩展设计。硅的表面将通过弹性，离子导电聚合物涂层和高弹性粘合剂和电解质来稳定。
特斯拉的硅电池每千瓦时的成本为1.20美元，而本文涉及的其他解决方案每千瓦时的成本从6美元到100美元以上。使用硅将使特斯拉的电池组每千瓦时成本降低5%，行驶里程增加20%。
阴极材料。一个有助于理解阴极的类比是把它想象成一个书架，如图4．在这种情况下，锂离子就是书。最高效的书架既能容纳最多的书，又能保持足够的稳定性，在书被取出和归还时保持其结构。
图4。电池阴极。
特斯拉团队的目标是增加镍在正极材料中的含量，因为它更便宜，而且具有最高的能量密度(如前面所示)。钴通常用作正极材料，因为它非常稳定。然而，特斯拉团队的目标是利用新型涂层和掺杂剂更好地稳定镍，并从材料中完全去除钴。去除钴将使阴极每千瓦时成本降低15%。
材料的成本和可用性是重要的考虑因素。可用性不是阳极材料的问题，因为硅是丰富的。锂也是如此，它也很容易获得。另一方面，特斯拉团队正在对每种车型的镍用量进行多元化配置。
该团队还通过移除所有遗留部件简化了阴极的制造过程。根据电池日的介绍，每千瓦时成本为35%的阴极制造过程，在很长一段时间内都没有新的面貌，效率非常低。
“如果你看看‘这是一个小小的世界旅行’，我是一个镍原子，发生在我身上的事情，这是疯狂的，你要环游世界三圈，这在道德上相当于挖沟、填沟、再挖沟。这是总疯狂。”elon Musk
一种典型的阴极工艺首先将矿山中的金属转化为一种叫做金属硫酸盐的中间材料，然后再进行加工。特斯拉团队取消了将金属转化为硫酸金属的中间步骤，以及其他一堆不必要的步骤。它还将阴极材料本地化到美国，这减少了材料的运输所需的英里数。这导致了66%的资本支出投资减少，76%的工艺成本减少，零废水。正极材料的改进使电池组的每千瓦时成本降低了12%。
细胞车辆集成。在飞机早期，燃料是作为货物运输的。后来，油箱被做成了机翼的形状。这是一个突破，因为对飞机功能至关重要的机翼现在可以用于其他用途。燃料箱不再是货物，而是飞机结构的基础。特斯拉打算在汽车领域采取同样的做法。
移除电池组中的中间结构可以使电池更密集地封装。电池组本身是结构化的，而不是在电池组中有支撑和稳定器，构成中间结构元素。特斯拉一直在用阻燃剂填充电池组。新的电池组现在充满了阻燃剂和结构粘合剂，使它们的刚度和稳定性没有中间结构元素。这使得它的结构比普通汽车更坚固。
电池现在可以更多地移动到车辆的中心，因为体积效率更好，避免了潜在接触电池的侧面冲击的风险。这也使汽车的机动性能更好，因为极惯性矩得到了改善——就像滑冰运动员手臂紧贴身体而不是伸直时转弯更好一样。
生产更多价格实惠的电动汽车可以拓宽特斯拉的市场，吸引新买家，从而减少路上的汽油动力汽车数量。
电池组集成的改进使车身质量减少了10%，行驶里程增加了14%，零部件减少了370个。更小的集成电池和车身也有助于提高生产效率。这导致资本支出投资减少了55%，建筑面积减少了35%。在电池组层面，集成改进意味着每千瓦时成本降低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——实现了每千瓦时成本减半的目标。生产更多价格实惠的电动汽车可以拓宽特斯拉的市场，吸引新买家，从而减少路上的汽油动力汽车数量。
总结
看到一项我们每天都在依赖的技术在聚光灯下出现是令人满意的。虽然在电池日期间没有提及，但如果特斯拉能达到每公斤400瓦时的速度，零排放喷气式飞机可能就在眼前了。现在电池已经垂直集成到特斯拉的产品中，你可以想象，软件将跟踪更多的电池效率数据，从而在未来实现更多的改进。
看到特斯拉重新审视生产更高效、更划算的电池，令人鼓舞。重新思考旧流程以使其更高效的思想和细节水平是令人鼓舞的。特斯拉团队不只从一个角度考虑，而是从各个角度考虑:电池设计、制造、汽车集成和材料。有一个明确的为什么每一个决策都归结为经济，而不仅仅是技术收益。希望我们很快能看到另一项核心技术成为焦点。
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