特斯拉电池设计解析 (上)

    特斯拉是最为成功的新能源汽车企业之一。尤其是Model 3车型，可以说是特斯拉多年电动技术积淀的集大成作品。今天我们就来带大家拆解分析一下特斯拉的电池系统设计亮点。

    从整车配电量设计上2022款Model 3提供了60 kWh和78.4 kWh两个选项。跟今天的新能源车型对比来看，这个级别的配电量算不上大电池包设计，但对于特斯拉的一体化极简车身来说，实际上特斯拉走的是大电池包高能量设计路线。高能量设计的优点是可以给电池提供更加温和的运行工况，降低对电池功率密度的需求，同时可以提升电池的服役寿命表现。

    电化学体系上，特斯拉电池也非常有特色。跟国内的NCM三元不同，特斯拉电池使用了NCA三元材料，这种材料比NCM三元材料的比容量更高。负极上特斯拉引入了硅基材料，大大提升了负极的克容量表现。所以从电化学体系匹配上，这个设计的初衷是追求高能量密度，跟电池包高配电量的设计逻辑是一致的。特斯拉使用硅基产品要比国内电池早一代，所以在理解上可能也更加深入，设计上引入一些反常设计思路。国内电池企业，早期设计很少使用硅基材料，当然也跟早期国产硅基材料性能较差有关。目前国内企业一般在超高比能产品上使用硅基材料，比如ED>300Wh/kg的产品。由于硅基材料天然引入的低首效问题，一般国内设计使用硅基材料的话都会使用补锂技术，但是补锂技术的工艺成本极高，所以真正量产产品上很少有落地应用的。而特斯拉的设计上虽然用来硅基材料，但是却没有使用补锂技术，按照常规的思路可能这样就无法发挥出电池的能量密度优势。但其实特斯拉在这里是做了非常体系化的设计考量。

    首先，一味地追求高比能设计往往会带来一些其他的弊端，比如，能量型电池往往功率能力受限，而这对于快速补能需求强烈的电动车来说又是非常难以妥协的；其次，特斯拉圆柱形封装和加硅设计都是不利于电池的寿命，这也跟我们追求的长寿命电池背道而驰。所以从参角度来看的话特斯拉电池每一个方面的性能都没有挖掘到极致，但其实特斯拉的电池设计里面是把能量、功率、寿命体系匹配甚至制造效率多因素综合考虑后做出的体系整合最优化设计。负极虽然加硅了，但是量非常少，所以复合负极整体的首效降低可以接受，而正极使用了高克容量的NCA三元材料可以在保证容量比较大的前提下为负极提供一部分初始消耗锂源，这样体系的能量密度潜力虽然没完全发挥出来（也已经是一个单项高指标设计）但带来的好处是可以显著提升电池的功率性能。通过仿真模拟定性对比可以看到，相对于普通石墨体系高比能设计，特斯拉电池设计的充电能力提升了15%以上， 这也间接会提升电池的寿命行为。提到体系设计对寿命影响，这里也顺便补充说明一下，传统的电池设计方法往往都是凭经验来设计，这样在面对一些新的体系/材料的时候就无法在设计阶段将寿命影响纳入考量。比如，一些企业在开发钠电池的时候，就会发现两款硬碳材料明明克容量没有差别，但是循环性能却相差很多。但其实材料特性对寿命的影响，是可以通过材料级别的电化学表征+系统地电化学模拟分析来识别出一些关键老化机行为上的差异，不过机理上要复杂一下，这里就不展开讲了。

    我们今天就先解析到这里，后半部分内容我们下一篇文章继续进行解析。 最后做一个预告，之前经常有学员会咨询一些电池相关的理论、仿真及工程知识，比如，为什么使用DCR模拟产热总是感觉偏差大？P2D到底能不能够用来描述工程三维电池实体？后续会把这些内容整理成一个系列专题《锂电池知识乱序300问》，欢迎大家留意关注。