特斯拉出新研究，全球頭疼的新能源汽車(chē)燃燒問(wèn)題終于找到解藥？

       2019年6月11日，特斯拉在加拿大的電池研究小組提交了一項新的專(zhuān)利申請，其主要內容是分析鋰電池中的電解質(zhì)，其團隊稱(chēng)這項研究有助于防止電池故障。“如果該項技術(shù)能早日應用到新能源汽車(chē)電池領(lǐng)域，將會(huì )有里程碑的意義。”Jeff Dahn介紹。

新技術(shù)將提供前所未有的高容量
       該專(zhuān)利是由Jeff Dahn領(lǐng)導的特斯拉電池研究小組提交的，這距Jeff Dahn入駐特斯拉僅僅過(guò)去三年。Jeff Dahn被認為是鋰離子電池的先驅。鋰電池自從被廣泛應用后，他便一直致力于鋰電池的研究領(lǐng)域以及增加鋰電池的生命周期，并幫助其研究成果商業(yè)化。據外媒稱(chēng)，目前Jeff Dahn的主要工作集中在增強電池的耐久度和電池能量密度的研究上。從他開(kāi)始研究開(kāi)始，Dahn就與工業(yè)界密切合作。在Simon Fraser大學(xué)任職期間，他曾與E-One Moli Energy合作。在1996年搬到Dalhousie后，Dahn成為NSERC / 3M（加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì )）加拿大先進(jìn)電池材料工業(yè)研究主席，并且開(kāi)始了長(cháng)達20年的任期。自2016年6月，Dahn開(kāi)始與特斯拉汽車(chē)公司建立長(cháng)達5年的研究合作伙伴關(guān)系，以提高鋰離子電池的能量密度和壽命，同時(shí)降低成本。通過(guò)這項協(xié)議，特斯拉為其在新斯科舍省哈利法克斯附近的達恩集團附近投資了一個(gè)新的研究實(shí)驗室。

     值得一提的是，在今年5月美國陸軍開(kāi)發(fā)的新型鋰離子電池技術(shù)引起了Jeff Dahn的興趣，據了解，這種新型鋰離子電池技術(shù)“完全不含過(guò)渡金屬，并通過(guò)可逆地儲存高電位（~4.2 V）的鋰離子，提供前所未有的高容量。”這項新技術(shù)“開(kāi)啟了一種可能性，即顯著(zhù)提高鋰離子電池的能量密度，同時(shí)由于電解質(zhì)的水性而保持其安全性。”但沒(méi)人知道這項技術(shù)為Jeff Dahn的鋰電池研究帶來(lái)了多少幫助。

       “在過(guò)去的幾年里，我們沒(méi)有從Dahn那里聽(tīng)到太多的研究成果，但之前曾有報道，他的團隊一直在研究電解質(zhì)的添加劑，以提高鋰離子電池的化學(xué)性能。”國外媒體報道，Jeff Dahn及其團隊于今年早些時(shí)候開(kāi)始為特斯拉提供電池技術(shù)專(zhuān)利，如今是一個(gè)新的突破。這項新的研究被稱(chēng)為“確定鋰離子電池電解質(zhì)組分濃度的方法和系統”。

如何理解這一項突破性專(zhuān)利？

達恩等人在專(zhuān)利申請摘要中描述了這項發(fā)明：

“提供了一種用于確定鋰離子或鋰離子電池中電解質(zhì)組分濃度的計算機實(shí)現方法。該方法包括向光譜儀提供捕獲電解質(zhì)樣品溶液的光譜并產(chǎn)生信號的指令。

該方法包括分析信號以確定光譜的一個(gè)或多個(gè)光譜特征。

該方法包括制備對應于具有預定濃度的電解質(zhì)組分的溶液的光譜數據庫，其中數據庫包括多個(gè)用于每種溶液的光譜特征。該方法還包括使用光譜數據庫確定機器學(xué)習（ML）模型。 

特斯拉描述了當前電解質(zhì)的問(wèn)題以及如何分析它們的狀態(tài)：

鋰離子電池或電池失效的主要原因，特別是在高壓電池中，是電解質(zhì)的降解，特別是在帶電電極的表面。

解決電池故障和電解質(zhì)降解的現有解決方案集中于電解質(zhì)分解產(chǎn)物的膜，其積聚在電極的表面上。這些薄膜含有衍生自電解質(zhì)溶劑和電解質(zhì)鹽的化學(xué)部分，例如六氟磷酸鋰（LiPF 6）。

例如，LiPF 6 分解成LiF和PF 5，后者容易水解形成HF和PF3O.這兩種水解產(chǎn)物在兩個(gè)電極上都具有高反應性，并且它們在LiPF 6 溶液中不可避免的存在可能對電極的性能產(chǎn)生不利影響。

盡管已經(jīng)確定了鋰離子電池中電解質(zhì)溶劑和電解質(zhì)鹽LiPF 6 的消耗機制，但是沒(méi)有一種廉價(jià)和準確的方法來(lái)表征未知電解質(zhì)并因此確定電解質(zhì)已經(jīng)降解的程度。

通常，電解質(zhì)溶液的定量分析集中在昂貴的分析工具上，例如核磁共振（NMR）光譜儀，氣相色譜 - 質(zhì)譜儀（GC-MS），高效液相色譜（HPLC）儀器和電感耦合等離子體光發(fā)射光譜儀（ICP-OES），需要大量時(shí)間進(jìn)行分析。

此外，一些分析工具甚至不能直接測量電解質(zhì)組分的濃度。

例如，基于色譜的方法中使用的色譜柱或檢測器不能暴露于LiPF 6的高溫分解產(chǎn)物，因此這些方法僅關(guān)注電解質(zhì)的水溶性部分之后的電解質(zhì)的有機部分。

       通過(guò)特斯拉對專(zhuān)利的描述，不難看出，其提出的電池問(wèn)題解決方案主要集中在電解質(zhì)溶液的分析上。而電解液是電芯的主要構成部分。“新能源車(chē)汽車(chē)的電池不能僅僅從一個(gè)方向來(lái)看，他實(shí)際上是一個(gè)相對復雜的系統。”電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域相關(guān)人士解釋?zhuān)?ldquo;為了更好的理解新能源汽車(chē)的電池，可以把它拆分為三個(gè)部分：

1. 電芯：正極材料、負極材料、電解液，構成了電芯；
2. 電池包：由數百至數千個(gè)電組成，俗稱(chēng)Pack；
3. 系統：電動(dòng)車(chē)在加上傳感器(眼睛與耳朵)測電壓、電流、溫度等；用BMS(大腦)來(lái)思考決策；加上執行器(手腳)來(lái)控制開(kāi)關(guān)，就成了系統。”

       此前，國內外特斯拉電動(dòng)車(chē)連續發(fā)生自燃事件，這讓新能源汽車(chē)的安全性再度遭到質(zhì)疑。有專(zhuān)家指出，鋰離子電池發(fā)生火災的情況通常是一個(gè)或多個(gè)電池單元內的短路，這會(huì )產(chǎn)生熱量并且產(chǎn)生的熱量可以點(diǎn)燃電池內的化學(xué)物質(zhì)，這可能會(huì )在相鄰的電芯中引起問(wèn)題并導致稱(chēng)為“熱失控”的情況，導致火勢蔓延開(kāi)來(lái)。

        從圖中也可以看出，電芯是所有電動(dòng)車(chē)電池最基本也是最核心的一部分，電池老化甚至出現故障基本上也是從這一部分開(kāi)始出現。“特斯拉團隊目前做的應該是在電解液的部分添加一些新的化學(xué)成分。”相關(guān)人士指出，這應該是目前最高效和靠譜的方法。

解決電池問(wèn)題，是新能源汽車(chē)騰飛的動(dòng)力

        顯而易見(jiàn)，一旦新能源電動(dòng)車(chē)電池能得到有效的把控，那將會(huì )對新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)質(zhì)的飛躍。目前，幾乎所有的電動(dòng)車(chē)都是安裝鋰離子電池，相比磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池能量密度高、價(jià)格便宜，目前成為各大電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)家的選擇。據了解，全球各大新能源電動(dòng)車(chē)幾乎都搭載的是鋰電池，其中包括，特斯拉、蔚來(lái)、威馬等。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，要想提高續航里程，目前只能通過(guò)裝載更多電池或提升電池的能量密度。但車(chē)輛的容積是有限的，能提供給電池的容積也是固定的，在美觀(guān)、安全性、速度等因素的限制下，只能通過(guò)提升電池的能量密度來(lái)提升續航里程，但這其中也包含了潛在的電池自燃等風(fēng)險。其他解決電池問(wèn)題的方案都是在電池材質(zhì)本身，但目前看來(lái)都不怎么靠譜。比如，液流電池技術(shù)（很有可能是死胡同）、增程式發(fā)電技術(shù)（依然有較多污染）、石墨烯電池（商用化遙遙無(wú)期）以及此前大熱的氫燃料，最近也似乎逐漸銷(xiāo)聲匿跡了。

        據了解，目前消費者在考慮購買(mǎi)電動(dòng)車(chē)的最大擔憂(yōu)除了續航能力之外就是電池的安全性。這兩大問(wèn)題也是新能源電動(dòng)車(chē)的老大難。但現今特斯拉團隊對鋰離子電池的研究在這兩各領(lǐng)域都突破。“電動(dòng)汽車(chē)的安全涉及不同的層級，從材料到電芯到電池系統、電動(dòng)汽車(chē)呈現給消費者的就是電動(dòng)汽車(chē)的安全。”塔菲爾新能源科技集團董事長(cháng)兼總裁龍繪錦表示，“現在有人說(shuō)是材料不安全，有人說(shuō)電芯不安全，我們需要從系統層面解決整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題，一旦解決了電池問(wèn)題，電動(dòng)車(chē)的發(fā)展將呈現直線(xiàn)上升。”“毫無(wú)疑問(wèn)這項針對電離子鋰電池的技術(shù)對全球電動(dòng)車(chē)行業(yè)來(lái)講是具有劃時(shí)代意義的。”資深汽車(chē)媒體人黃超（化名）指出，一旦開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)應用，對特斯拉來(lái)講也會(huì )是其在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域持續領(lǐng)先的利器。