特斯拉看重的Maxwell的干电极技术解析
特斯拉电动汽车技术解析
特斯拉电池技术分享
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虽然18650钴酸锂电池是满足较高续航行驶里程的关键，但它在高温状 态下的稳定性相比镍钴锰酸锂（NCM）和磷酸铁锂电池则要稍差些，因此， 在安全性斱面就需要技术的有力支撑。
暴烈的性格曾让它也惹了丌少麻烦，记得在几年前，索尼公司就因旗 下笔记本产品所使用的电池发生爆炸采取了召回行劢。丌过，现在的18650 电池已经可以在技术上避免自燃戒无故爆炸的情况出现。丌过，在发生强烈 的撞击后，这种电池还是存在着很大的爆炸可能，另外，对于低温环境的适 应能力也丌是很稳定，在低温环境下，钴酸锂电池容易出现因过度放电导致 过热的情况。这样看来，如何管理这些电池就成了十分重要的事。
当然，保险装置是最后的一道屏障，当它切断的时候也就意味着某个 电池单元出现了问题，如果涉及到更换，整个电池包可以以“片”为单位迚 行更换。每节电池之间以幵联的斱式连接，而电池砖之间和电池片之间分别 以串联的斱式连接，也就是说，在实际用车过程中，当某节电池出现问题时， 车辆丌会抛锚，受到影响的只是车辆的续航里程。
所谓双充电器模式就是用户的车内部拥有两个 充电单元，其中一个是原车出厂自带，而另外一个 是需要用户付费选装的，官网价格3600美元。它的 作用和效果其实很简单，就是给用户的车增加了一 个充电通道，充电速度提升为原来的一倍，最多一 个小时可以充电58英里，这个速度要比普通电源插 座快得多了，基本一个晚上就能将车辆充满。
特斯拉MODEL S电动汽车电池情况
车型 正极材料 电池供应商 电池总容量 续航里程 电池质保期
MODEL S （85KWh） 18650电池钴酸锂 松下（三洋被其收购） 85kWh 426km 8年丌限里程
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85kWh的MODEL S的电池单元一共运用了8142个18650锂电池，工程师 首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池包，电池包位于 车身底板。
特斯拉电池的设计理念
特斯拉电池的设计理念
特斯拉电池的设计理念包括高能量密度、长寿命、高安全性和可持续性，这些理念共同驱动着特斯拉电池的技术创新与进步。
首先，特斯拉电池的设计理念之一是高能量密度。
电池的能量密度是指单位体积或单位重量内存储的能量量，高能量密度意味着同样体积或重量的电池能够存储更多的能量。
特斯拉电池通过采用高效的化学成分和工艺技术，使得电池的能量密度较高。
这有助于提高特斯拉电动车的续航里程，满足用户对长续航里程的需求。
其次，特斯拉电池的设计理念还包括长寿命。
电池寿命是指电池能够正常工作的时间周期。
特斯拉电池通过创新的设计和材料选择，降低了电池的衰减速率，延长了电池的使用寿命。
特斯拉还通过智能的电池管理系统，控制电池的充放电过程，最大程度地延长了电池的寿命。
高安全性也是特斯拉电池设计的重要理念之一。
电池的安全性是指在充电、放电和使用过程中，电池不会发生过热、燃烧或爆炸等危险情况。
特斯拉电池采用了多层安全保护措施，包括防火材料和设计、温度控制系统等，以提高电池的安全性。
最后，特斯拉电池的设计理念还注重可持续性。
特斯拉在电池制造过程中，努力减少对环境的影响。
特斯拉电池采用了可再生能源，如太阳能和风能，来供电生产。
此外，特斯拉还致力于回收和再利用废旧电池，减少对资源的浪费。
综上所述，特斯拉电池的设计理念包括高能量密度、长寿命、高安全性和可持续性。
这些设计理念推动着特斯拉不断进行创新和改进，为用户提供更高性能、更可靠、更环保的电池产品。
特斯拉在电池领域的不断突破，也为整个电动汽车产业的发展树立了标杆。
Maxwell超级电容器基本原理及性能特点
Maxwell超级电容器基本原理及性能特点Maxwell超级电容器结构超级电容的容量比通常的电容器大得多。
由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。
超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
超级电容器原理电化学双层电容器（EDLC）因超级电容器被我们所熟知。
超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。
虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。
这个机制是高度可逆的，它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。
超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。
对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子，而负面板电势吸引正离子。
这有效地创建了两个电荷储层，在正极板分离出一层，并在负极板分离出另外一层。
传统的电解电容器存储区域来自平面，导电材料薄板。
高电容是通过大量的材料折叠。
可能通过进一步增加其表面纹理，进一步增加它的表面积。
过去传统的电容器用介质分离电极，这些介质多数为：塑料，纸或薄膜陶瓷。
电介质越薄，在空间受限的区域越可以获得更多的区域。
可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。
超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。
这种材料的多孔结构，允许其面积接近2000平方米每克，远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。
超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。
这个距离（小于10埃）远远小于通过使用常规电介质材料的距离。
巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。
超级电容器内部结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。
由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。
所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。
Maxwell课件
超材料与超表面
超材料
具有天然材料不具备的超常物理性质的人工复合材料。
超表面
具有超常光学特性的二维材料，可实现对电磁波的任意调控。
计算电磁学
有限元法（FEM）
将问题域离散成许多小的网格单元，在每个单元上求解麦克 斯韦方程的近似解。
时域有限差分法（FDTD）
传导骚扰
Maxwell的传导骚扰分析可以预测电子设备通过电源线和其他导体产生的噪声对 其他设备的影响。
微波和射频
波导分析
Maxwell的波导分析可用于研究和设计微波和射频传输线系 统，例如波导、同轴线和微带线。
电磁波传播
Maxwell的电磁波传播分析可以模拟电磁波在各种介质和结 构中的传播，例如天线设计和无线通信系统。
恒定磁场的性质包括安培环路定律、法拉第电磁感应定律、 磁通连续性原理等。
时变电磁场
时变电磁场是指随时间变化的电磁场，其基本特征是能量转换和传播。
时变电磁场的性质包括麦克斯韦方程组、波动方程等。
02
maxwell方程的程序实现
程序实现方法
1 2
基于有限元方法
将连续的Maxwell方程离散化，转化为线性方 程组进行求解。
求解线性方程组的方法
直接求解法
利用矩阵的逆运算直接求解方程组，得到每个节 点的数值解。
迭代求解法
通过迭代逐步逼近方程组的解，直到满足一定的 收敛准则。
快速求解算法
采用快速算法如FFT等，对有限元离散后的方程 组进行快速求解。
03
maxwell方程的数值计算
有限元方法
区域离散：将连续的求解区域离散化为由有限个小的 子区域组成的集合
特斯拉工艺解析
如何评价特斯拉电池铝丝铝带超声波焊接质量作者（原创）：微迅超声罗琳美国特斯拉电动汽车从2008年进入市场并得到认可已经10年了，该车引进国内后，大家对特斯拉汽车电池的结构和电连接方式进行了深入的拆解研究，发现特斯拉汽车的电池包是由7000多只当时具有最优性价比的18650电芯组成，通过超声波铝丝焊接工艺进行电连接，把这些电芯通过串并联的方式成组为可以驱动特斯拉汽车长距离行驶的动力电池包，超声波铝丝焊接电连接工艺的特点是焊接效率高，没有高温，回收维修容易，成本低，适当粗细的铝丝还可以在大电流短路时熔断电路以保护电池包，阻止或延缓热失控而造成的起火。
特斯拉专利开放后，这些独特的优良特性吸引了国内各相关厂家进行了仿制研发，成立于2005年的深圳市微迅超声设备有限公司作为国内最早涉足半导体内引线超声波焊接的厂家，参与了从手工仿制到将特斯拉铝丝焊接工艺应用到国内电池模组全自动生产线的整个过程，在这五年的研发生产过程中，总结了这种焊接工艺在电池焊接中遇到的一些问题，形成了这种焊接工艺的质量评价标准，在这里和国内同行们进行分享探讨，以促进我国电池行业的进步。
超声波焊接工艺，最早是广泛运用于半导体元器件集成电路硅片电极引出线连接到管脚的工艺。
从最细的0.05毫米到0.5毫米的铝金银铜丝或带状引线等都有应用。
图（一）图（二）图（三）超声波金属焊接的原理为：来自超声波发生器产生的超声波电信号经换能器产生超声波振动，通过变幅杆将超声波振动传送到焊接劈刀，当劈刀与引线和被焊件接触时，在压力和振动的作用下引线与被焊件金属表面相互摩擦，金属表面氧化膜被破坏并发生塑性变形，使两个纯净的金属面紧密接触互溶，达到原子距离的结合，最终形成牢固的机械连接和优良的电连接。
在半导体行业由于生产为净化环境，被焊件金属表面没有被油、水和指纹等有机物或氧化物污染，只要机器性能稳定，就能生产出漂亮一致的焊点，当反撕揭掉或推掉焊点上的引线时，引线与被焊件之间的连接面会留下不小于百分之五十面积的引线残留物，这些残留物是证明引线和被焊件之间是否产生了原子距离的结合互溶的直接证据，引线残留物占的面积百分比越高，焊接质量越好；如连接面没有引线残留物，则引线与被焊件之间没有产生互溶，只是处于搭接导通的状态，有时接触电阻尽管很小达到要求，在以后的使用中也会产生变化发热或脱落。
特斯拉电池分析报告
特斯拉电池分析报告引言特斯拉（Tesla）是一家全球知名的电动汽车制造商，其电动车辆的核心组成部分之一就是电池系统。
电池是电动车的能量存储设备，对于电动车的性能、续航里程等方面具有重要影响。
本报告旨在对特斯拉电池进行分析，探讨其性能、技术以及未来发展方向。
一、特斯拉电池概述特斯拉电池是一种锂离子电池，具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率等优点，被广泛应用于特斯拉的电动车辆中。
特斯拉电池采用了多种技术创新，如锂离子电池化学组成优化、能量密度提升、快速充电技术等，以实现更高的性能和更长的续航里程。
二、特斯拉电池技术分析1.锂离子电池化学组成优化特斯拉电池在锂离子电池的化学组成上进行了优化，采用了锂镍锰钴（NMC）的正极材料和石墨的负极材料。
这种化学组成能够提供更高的能量密度和稳定的循环性能，使特斯拉电池在同类电池中具有更高的性能。
2.能量密度提升特斯拉电池通过在电池设计上的技术改进，使其能量密度得到了大幅提升。
特斯拉电池的能量密度是指单位体积内所存储的能量量，能量密度的提升意味着电池能够存储更多的能量，从而提供更长的续航里程。
3.快速充电技术特斯拉电池还采用了快速充电技术，能够在短时间内充满电池。
这项技术的实现离不开电池的结构设计和充电系统的优化，通过提高充电功率和智能控制，特斯拉电池能够实现更快的充电速度。
三、特斯拉电池性能分析1.高能量密度特斯拉电池具有较高的能量密度，相比传统的铅酸电池或镍氢电池，特斯拉电池能够存储更多的能量，从而提供更长的续航里程。
2.长循环寿命特斯拉电池采用的锂离子电池技术具有较长的循环寿命，可以进行数千次的充放电循环而不损失太多容量。
这使得特斯拉电池在使用寿命上具有优势。
3.低自放电率特斯拉电池的自放电率较低，即在不使用的情况下，电池的容量损失较小。
这让特斯拉电池在长时间存储或停车的情况下，仍能够保持较高的电量。
四、特斯拉电池未来发展方向1.提升能量密度未来，特斯拉将继续致力于提升电池的能量密度。
特斯拉电池成为特斯拉最核心技术产品
2020年4月29日，特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）在2020年一季度业绩电话会议上表示，2020年5月下旬的“电池日”将是特斯拉历史上“最令人激动的一天”。
据《韩国时报》报道，特斯拉已与韩国韩华集团（Hanwha）签订了制造电池机器的订单，以建造自己的电池。
韩国科技网站The Elec称，韩华集团的电池生产设备最初将会提供给特斯拉在加利福尼亚的弗里蒙特工厂，然后再提供给特斯拉内华达州工厂。
2019年4月，马斯克曾宣布，预计2020年将推出使用寿命超过100万英里（160万千米）的电池。
同年9月，特斯拉电池研究方向合作专家杰夫·达恩（Jeff Dahn）发表的一篇论文提及该项技术，称该技术可以提升电池的寿命。
Electrek网近日报道称，特斯拉已经通过加拿大特斯拉分公司就该技术成功申请了国际专利，这意味着特斯拉自产的寿命超“百万英里”的超级电池，或许即将到来。
电池降本提效，再度碾压友商2020年2月份，Electrek网报道称，特斯拉正在弗里蒙特工厂建造一条电池生产线试点，以生产更便宜更节能的电池。
其中提到，特斯拉还为这个业务制定了一个目标，每千瓦时的成本要下降到100美元。
每千瓦时100美元被视为电池的终极目标价格，该价格可以让电动汽车与燃油车达到同等价格。
相比之下，根据投资机构瑞银公布的数据，松下当前动力电池的成本约为111美元/ kWh，而宁德时代动力电池的成本则为150美元/kWh。
如果特斯拉电池可以实现批量生产，无疑可以为电动车的普及踩上一脚油门。
通过收购麦克斯韦（Maxwell）获得的新技术，也将助力特斯拉研究成本更低、续航更久的电池。
2019年2月初，特斯拉宣布收购超级电容器制造商Maxwell 79%的股权，后者拥有的新锂离子电极技术可使电池能量密度超过300 Wh/kg，甚至是500 Wh/kg，并且这一数字以2～3年为一个周期再提升15%～25%。
揭秘：Maxwell超级电容器核心技术
揭秘：Maxwell超级电容器核心技术超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。
与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，性能十分稳定，故而安全系数高、低温性能好、寿命长且免维护。
超级电容器的核心元件是电极，电极的制造工艺目前分为干电极与湿电极两种技术。
干电极技术是仅通过干混活性碳粉和粘合剂加工成电极。
湿电极技术在制作电极的过程中，除了活性碳粉和粘合剂还需加入液态的溶剂。
由于液态溶剂会影响超级电容器的工作性能，因此还需使用烘箱对其进行干化处理，将溶剂从电极中去除。
这意味和干电极技术相比，湿电极技术工序更长，而且有额外的生产成本。
另外，烘干处理很难将溶剂彻底去除。
在超级电容器工作过程中，溶剂杂质会发生反应产生额外物质，影响电极和电解质的性能。
而反应产生的气体更会加速超级电容器的老化。
因此，采用湿电极技术的超级电容器相对寿命较短，可靠性低，稳定性差。
下表列出采用干电极工艺和湿电极工艺的具体比较：在生产成本上干电极技术也独具优势。
业界领先的超级电容器厂商 Maxwell 表示，他们从椰子壳、杏仁壳、麦子等多种材料中来提取超级电容器中的核心材料 -- 碳，这些新材料的应用也是降低成本的一种方式。
Maxwell 还拥有集中在电极的研发、生产和制造上大部分专利技术，超过35项专利技术及专有干电极工艺造就了其超级电容器的卓越性能优势。
采用这种工艺可以生产出拥有总成本最低的电容器单体。
由于使用的是无溶剂残留的高纯度材料，这种方式也更为绿色环保和节约能源、并且可以达到百分之百的回收再利用。
Maxwell 超级电容器专利干电极工艺流程在中国，超级电容器最为广泛的应用就是城市混合动力客车制动能量回收系统。
据统计，目前 Maxwell 在中国超容混合动力客车的保有量已超过一万辆，宇通，金龙、金旅、海格、南车等国内知名的十多家车企都已将超容成功应用于新能源汽车上，节能减排，省油环保效果卓著。
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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？。