特斯拉已完成對(duì)Maxwell的收購(gòu)，該公司之前更多主要從事超級(jí)電容的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。然而，近期大部分業(yè)界媒體已經(jīng)注意到特斯拉對(duì)Maxwell的興趣可能更多與他們的干電極技術(shù)有關(guān)。
那么Maxwell的干電極技術(shù)到底神在哪兒呢？
原纖維化（Fibrilization）
特斯拉收購(gòu)Maxwell的一項(xiàng)重要技術(shù)理由可以歸結(jié)為“原纖維化（Fibrilization）”。這是什么意思呢？舉個(gè)例子，在炎熱的天氣下，鞋底不小心黏到了口香糖，當(dāng)你抬腳繼續(xù)向前邁步時(shí)，就會(huì)使黏到鞋底的口香糖“纖維化”。所有那些將將鞋底連接到人行道上的粘性物質(zhì)稱為原纖維（Fibrils）。
Maxwell的干電極工藝通過(guò)將混入活躍的負(fù)極或正極材料顆粒的PTFE（Teflon）原纖維化，形成負(fù)極或正極材料的自支撐膜（self supporting film）。我們可以把Maxwell的這個(gè)工藝想象成一個(gè)裝滿高爾夫球和口香糖的大水箱，水箱底部有一個(gè)窄口的二維漏斗。當(dāng)高爾夫球的重量通過(guò)槽將高爾夫球和口香糖片推到底部時(shí)，高爾夫球之間相互推動(dòng)、滑動(dòng)和滾動(dòng)，偶爾會(huì)有一些口香糖被擠壓。
隨著高爾夫球繼續(xù)重新排列穿過(guò)狹槽，高爾夫球最終與口香糖的原纖維連在一起。這就是對(duì)Maxwell工藝的大致描述。然后將負(fù)極和正極材料的薄膜層壓到金屬箔集電體上制備負(fù)極和正極，正極和負(fù)極之間用隔膜卷繞制成電池的卷芯。
而最關(guān)鍵的是Maxwell的工藝使電池的負(fù)極和正極不使用溶劑。
傳統(tǒng)的鋰電池制造使用有粘合劑材料的溶劑，NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone）是其中一種常見(jiàn)溶劑。將具有粘合劑的溶劑與負(fù)極或正極粉末混合后，把漿料涂在電極集電體上并干燥。溶劑有毒，必須小心回收，進(jìn)行純化和再利用。而且需要巨大、昂貴且復(fù)雜的電極涂覆機(jī)。下圖就是若干年前特斯拉Giga 1正在建造的這種機(jī)器。
Maxwell干電極工藝更簡(jiǎn)單，不使用溶劑，它提供了一個(gè)重要但不那么明顯的優(yōu)勢(shì)。該過(guò)程從電極粉末開(kāi)始，比如說(shuō)特斯拉的NCA正極的鋰鎳鈷氧化鋁粉末。將少量（約5-8％）細(xì)粉狀PTFE粘合劑與正極粉末混合。然后將混合的正極+粘合劑粉末通過(guò)擠壓機(jī)形成薄的電極材料帶。
將擠出的電極材料帶層壓到金屬箔集電體上形成成品電極。過(guò)程如下面草圖。
Maxwell的工藝皆適用于正極和負(fù)極。用NCA粉末和鋁箔制作正極，用石墨粉和銅箔制作負(fù)極。另外，還為Teflon添加了一些不同的聚合物，獲得了更好的強(qiáng)度和離子傳輸，添加一些其他材料可以提高導(dǎo)電性。通過(guò)將電極膜卷繞成卷，然后送入層壓機(jī)。但這個(gè)過(guò)程其實(shí)非常非常簡(jiǎn)單。
Maxwell已將這種工藝用于制造超級(jí)電容。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，制造電池的成本支出將會(huì)少得多，且不使用溶劑。
更高的能量密度
為了充分理解在電極制造中不使用溶劑的重要性，就需要了解整個(gè)鋰電池的制造方法。
通常鋰離子電池處于很低的電量狀態(tài)時(shí)，當(dāng)暴露在空氣中時(shí)它們不會(huì)有劇烈反應(yīng)。正極材料、既鋰化金屬氧化物會(huì)完全鋰化，而負(fù)極不含任何鋰。這意味著所有鋰離子（除了在電池末端添加的電解質(zhì)中的少量鋰離子）都在正極材料內(nèi)。
正極材料很重，大約是其中鋰含量的20倍。在完全充電的鋰電池中，大部分鋰已從正極材料中移動(dòng)并儲(chǔ)存在負(fù)極的石墨中。隨著電池放電，鋰返回到正極，鋰離子嵌入到正極中，回到金屬氧化物晶體中。當(dāng)負(fù)極消耗完鋰，或正極充滿鋰且不能再接受更多時(shí)，電池就已完全放電。
這里存在一些問(wèn)題。當(dāng)電池充滿電解質(zhì)且進(jìn)行第一次充電時(shí)，正極材料的一些鋰離子會(huì)被負(fù)極、電解質(zhì)和鋰離子之間的反應(yīng)消耗掉。這種寄生反應(yīng)形成SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質(zhì)界面）。SEI是電池的重要組成部分，因?yàn)樗梢苑乐闺娊赓|(zhì)與負(fù)極中的碳反應(yīng)。問(wèn)題在于，一旦進(jìn)行第一次充電，在放電過(guò)程中從負(fù)極返回正極的鋰離子就會(huì)損失一些。結(jié)果導(dǎo)致了“第一次循環(huán)容量損失”，這種現(xiàn)象在所有常見(jiàn)類型的鋰離子電池中很普遍。第一次循環(huán)容量損失真正重要的原因是用于形成SEI的鋰成為了鋰化正極材料的一部分，因此電池在生命周期內(nèi)總是帶著一堆永遠(yuǎn)不會(huì)被使用的很重的正極材料，因?yàn)樗畛醢囊恍╀囋赟EI中被束縛住了。
解決方案似乎只需添加額外的鋰來(lái)彌補(bǔ)用于形成SEI的缺口部分。這似乎只是一個(gè)小問(wèn)題，添加的鋰必須是鋰金屬，或者將鋰添加到負(fù)極的石墨中。但在有溶劑的情況下，鋰金屬和與混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合，通常都伴隨著煙霧、火苗和噪音等強(qiáng)烈反應(yīng)。因此，第一次循環(huán)容量損失的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。
但Maxwell的工藝不使用溶劑。順便提一下，Maxwell有一項(xiàng)待審專利，專利內(nèi)容正是用干法將鋰金屬添加到負(fù)極，補(bǔ)償?shù)谝淮窝h(huán)的容量損失......
添加額外的鋰有兩個(gè)好處。首先，少量添加的鋰可以彌補(bǔ)在初始充電時(shí)形成SEI所消耗的鋰，從而減少第一次循環(huán)容量損失。這就意味著更高的電池容量與能量密度。
其次，添加更多的鋰可以補(bǔ)償隨著時(shí)間的推移而消耗掉的鋰，因?yàn)镾EI會(huì)隨著電荷循環(huán)以微小的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。因此，添加一點(diǎn)鋰可能意味著增加電池壽命。
結(jié)論
Maxwell的超級(jí)電容本身似乎對(duì)特斯拉電池性能的提高暫時(shí)不會(huì)有立竿見(jiàn)影的作用，但Maxwell用于制造超級(jí)電容器的專利工藝可以大大降低特斯拉（或松下？）的電池制造成本。此外，由于這是一種干電極制造工藝，可以添加額外的鋰，特斯拉/松下電池的容量和循環(huán)壽命都可能會(huì)提高。
前段時(shí)間不斷有些傳聞?wù)f松下可能計(jì)劃削減對(duì)Giga 1的資本支出，有些人認(rèn)為這是松下失去了對(duì)特斯拉銷量信心的證據(jù)。而通過(guò)這篇文章，另一個(gè)更有趣的解釋可能是，松下認(rèn)為現(xiàn)有工藝可能會(huì)因技術(shù)迭代即將過(guò)時(shí)，繼續(xù)投資會(huì)面臨不小的風(fēng)險(xiǎn)。因此可密切關(guān)注特斯拉與松下之間的關(guān)系動(dòng)向。
如果特斯拉使用Maxwell工藝和專利實(shí)現(xiàn)了更好、更低成本的電池工藝，那么就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)有趣的問(wèn)題，特斯拉會(huì)向整個(gè)行業(yè)分享出技術(shù)細(xì)節(jié)嗎？
