特斯拉看重的Maxwell的干电极技术解析
原创 Astroys Astroys 2019-05-22
用干法将额外的锂添加到负极，补偿容量损失。
特斯拉已完成对Maxwell的收购，该公司之前更多主要从事超级电容的开发与应用。然而，近期大部分业界媒体已经注意到特斯拉对Maxwell的兴趣可能更多与他们的干电极技术有关。
那么Maxwell的干电极技术到底神在哪儿呢？前不久Randy Carlson在Seeking Alpha上发表的一篇文章中写到了有关此过程的大量技术细节。生肉啃下来大概明白了其中的原理，试着大白话翻译了一下。由于涉及到很多电池制造工艺中的专业术语，本人并非该领域专业，用词不准确的地方还请读者见谅。
原纤维化（Fibrilization）
特斯拉收购Maxwell的一项重要技术理由可以归结为“原纤维化（Fibrilization）”。这是什么意思呢？举个例子，在炎热的天气下，鞋底不小心黏到了口香糖，当你抬脚继续向前迈步时，就会使黏到鞋底的口香糖“纤维化”。所有那些将将鞋底连接到人行道上的粘性物质称为原纤维（Fibrils）。
Maxwell的干电极工艺通过将混入活跃的负极或正极材料颗粒的PTFE（Teflon）原纤维化，形成负极或正极材料的自支撑膜（self supporting film）。我们可以把Maxwell的这个工艺想象成一个装满高尔夫球和口香糖的大水箱，水箱底部有一个窄口的二维漏斗。当高尔夫球的重量通过槽将高尔夫球和口香糖片推到底部时，高尔夫球之间相互推动、滑动和滚动，偶尔会有一些口香糖被挤压。随着高尔夫球继续重新排列穿过狭槽，高尔夫球最终与口香糖的原纤维连在一起。这就是对Maxwell工艺的大致描述。然后将负极和正极材料的薄膜层压到金属箔集电体上制备负极和正极，正极和负极之间用隔膜卷绕制成电池的卷芯。
而最关键的是Maxwell的工艺使电池的负极和正极不使用溶剂。
传统的锂电池制造使用有粘合剂材料的溶剂，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone）是其中一种常见溶剂。将具有粘合剂的溶剂与负极或正极粉末混合后，把浆料涂在电极集电体上并干燥。溶剂有毒，必须小心回收，进行纯化和再利用。而且需要巨大、昂贵且复杂的电极涂覆机。下图就是若干年前特斯拉Giga 1正在建造的这种机器。
Maxwell干电极工艺更简单，不使用溶剂，它提供了一个重要但不那么明显的优势。该过程从电极粉末开始，比如说特斯拉的NCA正极的锂镍钴氧化铝粉末。将少量（约5-8％）细粉状PTFE粘合剂与正极粉末混合。然后将混合的正极 粘合剂粉末通过挤压机形成薄的电极材料带。
将挤出的电极材料带层压到金属箔集电体上形成成品电极。过程如下面草图。
Maxwell的工艺皆适用于正极和负极。用NCA粉末和铝箔制作正极，用石墨粉和铜箔制作负极。另外，还为Teflon添加了一些不同的聚合物，获得了更好的强度和离子传输，添加一些其他材料可以提高导电性。通过将电极膜卷绕成卷，然后送入层压机。但这个过程其实非常非常简单。
Maxwell已将这种工艺用于制造超级电容。使用这个简单的过程，制造电池的成本支出将会少得多，且不使用溶剂。
更高的能量密度
为了充分理解在电极制造中不使用溶剂的重要性，就需要了解整个锂电池的制造方法。
通常锂离子电池处于很低的电量状态时，当暴露在空气中时它们不会有剧烈反应。正极材料、既锂化金属氧化物会完全锂化，而负极不含任何锂。这意味着所有锂离子（除了在电池末端添加的电解质中的少量锂离子）都在正极材料内。
正极材料很重，大约是其中锂含量的20倍。在完全充电的锂电池中，大部分锂已从正极材料中移动并储存在负极的石墨中。随着电池放电，锂返回到正极，锂离子嵌入到正极中，回到金属氧化物晶体中。当负极消耗完锂，或正极充满锂且不能再接受更多时，电池就已完全放电。
这里存在一些问题。当电池充满电解质且进行第一次充电时，正极材料的一些锂离子会被负极、电解质和锂离子之间的反应消耗掉。这种寄生反应形成SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面）。SEI是电池的重要组成部分，因为它可以防止电解质与负极中的碳反应。问题在于，一旦进行第一次充电，在放电过程中从负极返回正极的锂离子就会损失一些。结果导致了“第一次循环容量损失”，这种现象在所有常见类型的锂离子电池中很普遍。第一次循环容量损失真正重要的原因是用于形成SEI的锂成为了锂化正极材料的一部分，因此电池在生命周期内总是带着一堆永远不会被使用的很重的正极材料，因为它最初包含的一些锂在SEI中被束缚住了。
解决方案似乎只需添加额外的锂来弥补用于形成SEI的缺口部分。这似乎只是一个小问题，添加的锂必须是锂金属，或者将锂添加到负极的石墨中。但在有溶剂的情况下，锂金属和与混有锂金属的碳不能很好地彼此融合，通常都伴随着烟雾、火苗和噪音等强烈反应。因此，第一次循环容量损失的问题一直没有得到很好的解决。
但Maxwell的工艺不使用溶剂。顺便提一下，Maxwell有一项待审专利，专利内容正是用干法将锂金属添加到负极，补偿第一次循环的容量损失......
添加额外的锂有两个好处。首先，少量添加的锂可以弥补在初始充电时形成SEI所消耗的锂，从而减少第一次循环容量损失。这就意味着更高的电池容量与能量密度。
其次，添加更多的锂可以补偿随着时间的推移而消耗掉的锂，因为SEI会随着电荷循环以微小的速度继续增长。因此，添加一点锂可能意味着增加电池寿命。
结论
Maxwell的超级电容本身似乎对特斯拉电池性能的提高暂时不会有立竿见影的作用，但Maxwell用于制造超级电容器的专利工艺可以大大降低特斯拉（或松下？）的电池制造成本。此外，由于这是一种干电极制造工艺，可以添加额外的锂，特斯拉/松下电池的容量和循环寿命都可能会提高。
前段时间不断有些传闻说松下可能计划削减对Giga 1的资本支出，有些人认为这是松下失去了对特斯拉销量信心的证据。而通过这篇文章，另一个更有趣的解释可能是，松下认为现有工艺可能会因技术迭代即将过时，继续投资会面临不小的风险。因此可密切关注特斯拉与松下之间的关系动向。
如果特斯拉使用Maxwell工艺和专利实现了更好、更低成本的电池工艺，那么就会出现一个有趣的问题，特斯拉会向整个行业分享出技术细节吗？