特斯拉电池设计解析 (下)

    接着上一篇文章的电化学体系设计分析，我们继续来看一下特斯拉电池的封装设计。单纯从封装形式上来看，对于石墨负极体系电池来说，圆柱形电池是一个低寿命设计元素（同样的电化学体系，圆柱形封装会比软包和方形电池寿命要差），但是对于加硅体系来说，情况就有些不一样了。硅基的另一个天然特点是膨胀效应非常显著，而圆柱形封装如果设计合理就可以有效的把极片膨胀限制在合适的范围内，从而提升硅基材料的循环稳定性，从这个角度来看，特斯拉率先把硅基引入到圆柱形电池，反而可以把两个“短板”设计元素组合提升一些。事实上，从早期的车主数据来看，也能够证实我们的分析（Model 3的实际数据较少，这里参考了更早的车型数据，电化学体系是一样的）。从早期的用户电池衰减数据可以发现特斯拉电池的循环性能并不突出，模型预测全周期循环寿命低于1000cycle@80%SOH，这比目前国内企业的长寿命电池要差了一大截，但是大电量设计降低了循环寿命的要求，实际的用户体验上并没有折扣感。

    来自荷兰车主和比利时的大样本数据统计同样支持这一结论，但是在特斯拉的体系化设计能力加持下，电池包的循环寿命劣势并没有影响实际的用户体验。

    电池日上特斯拉也公开了一些先进技术元素，我们这里也简单解析一下，比较有代表性的就是集流结构的优化。圆柱封装电池本身不是什么新的技术，早期的3C领域已经很成熟。但是动力电池领域，国内厂商并不看好圆柱形封装。主要原因是圆柱形电池如果做大容量的话，过流极化、热管理、制造各方面都会遇到问题。类似地，软包电池也会遇到封装可靠性等方面的问题，所以国内电池厂主要以方形产品为主。特斯拉钟情圆柱电池的主要原因有两个：1. 产品路线的历史沿袭：早期做电动车的时候没得选，市场上成熟的电池产品只有3C电池；2. 圆柱封装的单体及成组降本空间都优于方形和软包：圆柱电池的生产效率远高于方形和软包电池，单体自支撑性好，对于高成组效率Pack设计兼容性佳。所以基于这些考虑特斯拉优化了圆柱电池的结构设计，引入全极耳卷心，大大缓解了传统圆柱形电池的弊端。可能直观上大家认为全极耳设计的目的是降低载流极化，但其实这种设计的另一个实质性优点是提供了畅通的内部传热路径。因为电池卷心带来的结构各向异性使得圆柱电池轴向传热能力远大于轴向传热能力，仿真分析表明全极耳设计在轴向上打通了卷心跟端面的直接传热路径，从而大大优化了电池的内部热环境。

    电池日上的另一项技术是干电极技术，这个技术把特斯拉"全都要"的野心暴露无遗。以往的电池设计已经没有太多创新，就是单纯在卷指标，活性物质不断涂的更厚，集流体不断减薄（或者替换成复合集流体），已经触及设计天花板，不转换设计逻辑的话，已经没法带来质的变化。干电极是电池创新里面非常独特的技术元素，不像其他的设计元素“鱼和熊掌不可兼得的”属性，干电极为“全都要”提供了可能性。所以干电极技术会是锂电技术创新的下一个增长点。特斯拉布局干电极技术的核心诉求是极致降本！干法生产工艺在物料、工序、厂房等多个方面做了”减法“操作，因此降本潜力极大。另一方面，干电极在做完”减法操作“之后，电化学性能和衰退特性还能实现大幅提升！这里面的机理比较复杂，核心的差异在于干电极整个电极的形态跟湿法电极差别很大，间接导致极片层级的关键电化学特性得到改善。把干电极的特殊极片特性描述引入电化学模型进行仿真分析表明，干电极的Rate性能、循环性能等都可以得到大幅度提升。不过第一代干电极目前工艺上还存在一些问题导致迟迟未能大规模量产。比如自支撑膜片在生产过程中容易断带导致生产速度和良率提升不上去。据悉，目前特斯拉正在开发第二代干电极技术，为了提升工艺制造性和同时进一步提升电化学性能，二代干电极可能会引入一些仿生和纺织技术元素。

    最后，简单做一下归纳总结，特斯拉电池设计中存在很多反常设计逻辑，这恰恰体现了其强大的体系化设计能力，其运用的设计元素每一个都不能作为一个独立设计元素来看待，而是需要综合体系化的进行分析：

    1. 圆柱封装形态选择上，考虑的是单体的结构自支撑更有利于Pack上使用大模组或者CTP路线，提高Pack成组效率，为高配电比提供方便，同时圆柱封装跟硅基设计元素自洽性高，实现技术元素互补；圆柱另一个设计意图是，高制造效率，为极致降本铺垫；

    2. 电化学体系上加硅但是不补锂，正极搭配了NCA，但进行了降阶使用（克容量只发挥了192mAh/g），是为了在能量、功率和成本上综合权衡；

    3. 电芯层级的寿命劣势（加硅、不补锂、圆柱形态），在整车层级上巧妙的化解，没有一味追求极端单指标，满足市场需求的前提下，没有欠设计，也没有过设计；

    4. 新型集流设计同时解决了极化和热管理需求，使得大圆柱设计成为新的产品趋势；

    5. 干电极作为一个”全都要“的创新元素，开辟了新的技术高地，意图同样是极致降本+性能提升。

    综上，特斯拉的设计逻辑有很多值得借鉴学习的地方，尤其是其体系化设计思考跟传统企业单纯卷指标式Roadmap形成鲜明对比。虽然特斯拉发布4680电池以来圆柱电池风头一时无两，很多企业都跟风布局圆柱电池，但是或多或少有些盲目效仿的成分在里面。很多企业在涉足圆柱电池后又回归到单纯卷指标研发思路上，比如单纯把封装尺寸进一步加大，或者硅含量加更多等，这些缺乏体系化设计考量的单点设计路线，往往会适得其反。比如，单纯提高硅含量意图卷能量密度，很容易造成电池跳水，或者循环后期遇到裂片的问题(虽然圆柱封装结构对膨胀的约束能力极强，但是不合理的设计往往使得卷心受力过大)。当然，国内有一些企业已经在布局数字化设计能力，基于数字化设计平台开展更加体系化的设计评估，大大提高新品研发的设计命中率，所以相信一些优秀的国内企业同样可以做出综合性能更优的先进产品。