特斯拉超級(jí)電池工廠的成敗攸關(guān)之年

費(fèi)文緒/編譯

特斯拉超級(jí)電池工廠的成敗攸關(guān)之年

費(fèi)文緒/編譯

● 終于，特斯拉的鋰離子電池將要從超級(jí)電池工廠下線了，但它會(huì)給特斯拉帶來豐厚收益嗎？

3年前，特斯拉汽車公司宣布了建設(shè)超級(jí)電池工廠（Gigafactory）的計(jì)劃，這個(gè)鋰離子電池工廠橫亙?cè)诿绹鴥?nèi)華達(dá)州斯帕克斯市外炎熱的丘陵上。此前，從未有人提過與此類似的建議。特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）宣稱，該超級(jí)電池工廠將成為世界上最大的建筑物，占地面積相當(dāng)于107個(gè)美式足球場(chǎng)，每年生產(chǎn)的鋰電池產(chǎn)能至少是35千兆瓦時(shí)，超過2013年全球鋰電池產(chǎn)能的總和。

“這個(gè)超級(jí)電池工廠必須很大，因?yàn)檫@個(gè)世界很大。”馬斯克在2015年7月表示。超級(jí)電池工廠將使電池比以前更便宜，電池價(jià)格的下降反過來刺激電動(dòng)汽車銷量的上漲，這將極大降低各地的石油消耗量。

超級(jí)電池工廠允諾推動(dòng)鋰電池迅速達(dá)到前所未有的規(guī)模，這成為清潔能源產(chǎn)業(yè)變大變強(qiáng)的象征。建設(shè)超級(jí)電池工廠的設(shè)想同時(shí)也轉(zhuǎn)變了汽車制造業(yè)和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑。相互競(jìng)爭(zhēng)的汽車制造商在電動(dòng)汽車研發(fā)方面的投入加倍，儲(chǔ)能企業(yè)則增加電池產(chǎn)量并降低電池價(jià)格。根據(jù)能源市場(chǎng)研究公司Navigant Research的分析，特斯拉的推動(dòng)是2017年電動(dòng)汽車電池銷量預(yù)計(jì)增長60%背后的主導(dǎo)因素。超級(jí)電池工廠沒有生產(chǎn)一塊單獨(dú)的電動(dòng)汽車電池就做到了這一切，不過這種情況即將發(fā)生變化。在接下來幾個(gè)月的時(shí)間里，完全內(nèi)部生產(chǎn)的首個(gè)電池包將在流水線上完成裝配。到年中，超級(jí)電池工廠將需要每秒為特斯拉Model 3汽車生產(chǎn)75塊鋰離子電池，Model 3是特斯拉備受期待的一款大眾電動(dòng)汽車。超級(jí)電池工廠還需增加“電力墻”（Powerwall）和“電源組”（Powerpack）的產(chǎn)量，這是特斯拉為住宅、商業(yè)和實(shí)用程序開發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。為了持續(xù)滿足訂單需求，超級(jí)電池工廠必須在2017年內(nèi)達(dá)到35千兆瓦時(shí)的年產(chǎn)能。簡(jiǎn)而言之，超級(jí)電池工廠必須在2017年從人們崇拜的偶像變成高效的大規(guī)模生產(chǎn)商。

超級(jí)電池工廠仍然還是一個(gè)進(jìn)展中的工程。固定存儲(chǔ)單元已經(jīng)在那里組裝，但用的是進(jìn)口的電池單元。據(jù)特斯拉稱，到 2016年底超級(jí)電池工廠開始批量生產(chǎn)。但是，特斯拉在超級(jí)電池工廠項(xiàng)目上的合作伙伴日本松下公司告訴IEEE Spectrum雜志說，其實(shí)他們能保證的開始批量生產(chǎn)的最早時(shí)間是2017年4月。

“特斯拉還要證明很多東西，”馬克·穆羅（Mark Muro）說，他是位于華盛頓的智庫布魯金斯學(xué)會(huì)里研究制造業(yè)的高級(jí)研究員，“他們?cè)谝粋€(gè)很短的時(shí)間架構(gòu)下嘗試新穎的流程，并聲稱能夠重塑制造業(yè)和其他一切。他們投入了很多東西在這上面，這是一場(chǎng)豪賭?！?/p>

2017年年中，特斯拉汽車公司的超級(jí)電池工廠將開始為特斯拉Model 3汽車每秒生產(chǎn)75塊鋰離子電池，Model 3是特斯拉備受期待的一款大眾電動(dòng)汽車

對(duì)特斯拉而言，投資電池制造業(yè)是必要的行為。當(dāng)其他汽車制造商依賴專門為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的袋狀鋰離子電池時(shí)，特斯拉使用和筆記本電腦電池相同的18650型圓柱形鋰離子電池來充當(dāng)其首批電動(dòng)汽車的電源。這些電池是向松下公司購買的。如果特斯拉只生產(chǎn)高端電動(dòng)汽車，比如Model X和Model S車型，那么這個(gè)方法是可行的。若要盈利，特斯拉需要開拓售價(jià)3.5萬美元的Model 3車型的大眾市場(chǎng)，而且每年需至少生產(chǎn)50萬輛。Navigant Research公司駐底特律的高級(jí)研究分析師薩姆·阿布爾薩米德（Sam Abuelsamid）說，電池供應(yīng)商不可能保證這個(gè)規(guī)模的電池供應(yīng)，除非特斯拉自己也參與其中。

特斯拉和松下合作建設(shè)的超級(jí)電池工廠正是做這個(gè)事情。鋰電池巨頭松下公司帶來了專家、供應(yīng)鏈和資本，在50億美元的項(xiàng)目總投資中貢獻(xiàn)了16億美元。據(jù)報(bào)道，內(nèi)華達(dá)州政府為特斯拉提供了價(jià)值13億美元的獎(jiǎng)勵(lì)措施。其余投資來自特斯拉。

超級(jí)電池工廠體現(xiàn)了垂直整合的愿景，原材料從一端進(jìn)入，完成的產(chǎn)品從另一端出去。一切工序都從電池自動(dòng)生產(chǎn)流水線上開始，這條流水線屬于松下公司并由其操縱。在那里，活性粉末與一種液體混合形成漿料，然后涂覆在金屬箔上形成陰極和陽極。金屬箔和多孔隔膜一起卷成圓柱狀，并裝滿用鋰離子導(dǎo)電的電解液，然后加上電池蓋帽就成為了一塊電池，看起來就像大號(hào)的AA電池。

在特斯拉的超級(jí)電池工廠，成百上千的電池與電子元件和冷卻系統(tǒng)一起封裝，成為一個(gè)完整的電池組件。Model 3的電池包將被運(yùn)往加州弗里蒙特的汽車工廠，而Powerpack和Powerwall則直接投放市場(chǎng)。

在特斯拉讓其超級(jí)電池工廠運(yùn)轉(zhuǎn)起來的3年間，特斯拉的競(jìng)爭(zhēng)者們也沒有停滯不前。阿布爾薩米德說，超級(jí)電池工廠讓經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的Model 3看起來快要成為現(xiàn)實(shí)了，這迫使汽車制造商大鱷們拿他們自己的大眾市場(chǎng)電動(dòng)汽車與目標(biāo)續(xù)航里程346公里的Model 3較量。一些與之競(jìng)爭(zhēng)的電動(dòng)汽車已經(jīng)或者很快將擺放在展廳，其中領(lǐng)頭的是通用汽車公司續(xù)航里程383公里的雪佛蘭博爾特電動(dòng)車，起價(jià)37 495美元。現(xiàn)代和福特也有望在2017年，尼桑和大眾有望在2018年，推出續(xù)航里程長的大眾市場(chǎng)電動(dòng)汽車。

不斷升級(jí)的電動(dòng)汽車?yán)顺狈催^來促使電池研發(fā)和制造業(yè)的提升，不僅日本的松下如此，韓國的LG化學(xué)和三星集團(tuán)、中國的比亞迪也是如此。與此同時(shí)，價(jià)格戰(zhàn)則導(dǎo)致電池價(jià)格大幅下跌。波士頓一家關(guān)注可再生能源行業(yè)的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)GTM Research的儲(chǔ)能總監(jiān)拉維·曼加尼 （Ravi Manghani）指出，自從2014年以來，一些固定存儲(chǔ)系統(tǒng)的成形電池包價(jià)格就從每千瓦時(shí)400美元下降到200美元以下。類似的價(jià)格下跌也沖擊了汽車市場(chǎng)，通用汽車公司表示，他們以每千瓦時(shí)145美元的價(jià)格向LG公司購買了2017年的博爾特電動(dòng)車電池包的電池。

據(jù)特斯拉說，超級(jí)電池工廠的地面將比類似的設(shè)施對(duì)空間的浪費(fèi)更少，電池的產(chǎn)能增至3倍。這張照片攝于2016年7月，當(dāng)時(shí)超級(jí)電池工廠正式開工，但沒有開始全規(guī)模生產(chǎn)

超級(jí)電池工廠帶來的最大影響可能還是對(duì)它自己。2016年4月，在特斯拉揭開Model 3設(shè)計(jì)的神秘面紗后，將近40萬份預(yù)訂單就蜂擁而來。一個(gè)月后，馬斯克鄭重宣告，特斯拉會(huì)在2017年至少完成其中10萬份訂單，從7月開始生產(chǎn)，然后在2018年生產(chǎn)出50萬輛電動(dòng)汽車。因此，工廠要在2017年達(dá)到35千兆瓦時(shí)的電池產(chǎn)能，比原定計(jì)劃提前了兩年。

進(jìn)展如此迅速的理由很充分：特斯拉將很快失去聯(lián)邦補(bǔ)貼。在一家制造商賣出第20萬輛電動(dòng)汽車之后的18個(gè)月內(nèi)，每購買一輛電動(dòng)汽車所享受的7 500美元的美國聯(lián)邦所得稅抵免將逐漸降為零。特斯拉將先于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在2017年達(dá)到這個(gè)臨界值。而且不像其他汽車制造商可以拿傳統(tǒng)汽車和卡車的利潤補(bǔ)貼其電動(dòng)汽車，特斯拉專售電動(dòng)汽車。

電池仍然是電動(dòng)汽車最昂貴的部件。特斯拉一開始就宣稱，在Model 3投產(chǎn)的第一年內(nèi)，超級(jí)電池工廠將使每千瓦時(shí)的電池包成本下降超過30%。但是超級(jí)電池工廠是否能提供電池成本上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，還是一個(gè)未決問題。Navigant Research估計(jì)，通用汽車公司的博爾特電動(dòng)車每60千瓦時(shí)的電池成本為16 200～16 800美元。阿布爾薩米德推斷，Model 3每55千瓦時(shí)的電池成本會(huì)在13 000～16 500美元之間。

馬斯克吹捧了超級(jí)電池工廠的規(guī)模效益。但是，專家們對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)電池的好處并不那么樂觀?？突仿〈髮W(xué)關(guān)于電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)的新研究考慮了影響鋰電池生產(chǎn)的一系列因素，包括安裝和操作機(jī)器的成本、勞動(dòng)力、生產(chǎn)周期和意料外的停工時(shí)間。研究者們對(duì)袋狀鋰電池和受到特斯拉青睞的圓柱形電池進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)其規(guī)模效益趨近于1千兆瓦時(shí)，而松下和其他電池生產(chǎn)商早已達(dá)到了這種體量的規(guī)模效益。博士生麗貝卡·謝茲（Rebecca Ciez）指出：要達(dá)到超過1千兆瓦時(shí)電池容量的規(guī)模效益，你只需建立多個(gè)并行生產(chǎn)程序就行。使用更大型的生產(chǎn)機(jī)器并不能節(jié)省成本。她跟隨卡耐基梅隆大學(xué)的工程學(xué)教授、儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)和制造商阿奎昂能源公司的創(chuàng)始人杰伊·惠特克（Jay Whitacre）一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心主任喬治·里佐尼（Giorgio Rizzoni）也認(rèn)為規(guī)模效益是有限的，并且說卡耐基梅隆大學(xué) “對(duì)于這個(gè)規(guī)模效益的上限，建立了一個(gè)可信的分析模型?！崩镒裟嶂赋觯瑒?chuàng)新的生產(chǎn)方法、廢棄物減少、電池和組件組裝的垂直整合都可以降低超級(jí)電池工廠的成本。

但是準(zhǔn)確地說，大幅度的成本降低來自哪里呢？比如，松下就說其超級(jí)電池工廠的機(jī)器與其他鋰離子電池生產(chǎn)所用的機(jī)器并無區(qū)別。馬斯克和特斯拉首席技術(shù)官施特勞貝爾（J.B.Straubel）盛贊了沒有浪費(fèi)空間的工廠布局。施特勞貝爾說：“工廠每層上的所有東西基本上幾乎都是互相緊挨著的?！彼麄冋f，結(jié)果是超級(jí)電池工廠的產(chǎn)能增至3倍。

但是，每平方英尺更大的產(chǎn)量可能對(duì)電池成本的下降并無太大裨益。在卡耐基梅隆大學(xué)的分析模型中，工廠因素只占到了電池成本的大約3%。一些專家告訴IEEE Spectrum雜志，更緊湊的空間布局會(huì)導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備更難維修和更換，實(shí)際上對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和生產(chǎn)線利用反而有害。

而超級(jí)電池工廠的垂直整合有可能遺漏了所有因素中最大的成本下降因素：電極材料的生產(chǎn)?？突仿〈髮W(xué)的謝茲指出，鎳鈷鋁氧化物和鎳錳鈷粉末的供應(yīng)商命令大幅提高售價(jià)。特斯拉拒絕對(duì)超級(jí)電池工廠是否將生產(chǎn)這些粉末作出評(píng)論。

埃隆·馬斯克欲在全球布局超級(jí)電池工廠，2017年是成敗攸關(guān)的一年

布魯金斯學(xué)會(huì)的穆羅說，超級(jí)電池工廠的勞動(dòng)力可能也是一個(gè)挑戰(zhàn)。特斯拉已經(jīng)承諾在本州雇用超級(jí)電池工廠預(yù)計(jì) 6 000名員工中的一半。穆羅說這一點(diǎn)很難做到，他與人合著的在2014年發(fā)表在《內(nèi)華達(dá)經(jīng)濟(jì)報(bào)》的一份報(bào)告認(rèn)定，內(nèi)華達(dá)州的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育中存在著“熟練度危機(jī)”。

看上去確實(shí)有可能降低成本的一個(gè)舉措與超級(jí)電池工廠沒多大關(guān)系，反而與松下電池的設(shè)計(jì)有更大的關(guān)系。他們將常用的18650型鋰電池（型號(hào)18650指直徑為18毫米、長度為65毫米的圓柱形電池）加長了3毫米，直徑加寬了5毫米?？突仿〈髮W(xué)估計(jì)，大一些的設(shè)計(jì)版式以及粘稠的電極材質(zhì)能使電池的成本下降大約25%。但是卡耐基梅隆大學(xué)的研究還表明，通過對(duì)袋狀電池進(jìn)行類似的處理，電池的成本還可能下降更大。通用汽車公司就已發(fā)話說：其博爾特電動(dòng)車的電池成本到2020年有望降至每千瓦時(shí)100美元。

與此同時(shí)，Model 3是否將在2017年中準(zhǔn)備好上市還不確定，錯(cuò)過預(yù)定日期堪稱特斯拉的傳統(tǒng)。2015年8月《華爾街日?qǐng)?bào)》的一篇分析文章發(fā)現(xiàn)，過去5年中，特斯拉沒能完成的馬斯克親自制定的計(jì)劃有20項(xiàng)，而且其他目標(biāo)“幾乎平均每年”有10個(gè)沒能達(dá)成。Navigant的阿布爾薩米德預(yù)測(cè)，Model 3將比計(jì)劃的上市時(shí)間推遲1年。

Model 3若不能如期上市，可能導(dǎo)致特斯拉囤積大量的電池。盡管松下與特斯拉合作協(xié)議的細(xì)節(jié)是保密的，但是特斯拉最新一個(gè)季度的報(bào)告承認(rèn)，特斯拉承諾購買超級(jí)電池工廠生產(chǎn)的17億美元的電池，抵消了松下在超級(jí)電池工廠投資的16億美元。

這些電池一部分將用到Powerwall和 Powerpack上。效用尺度的Powerpack已經(jīng)在不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)中贏得了大量訂單。南加州愛迪生電力公司的一所變電站正在安裝的1個(gè)80兆瓦時(shí)的Powerpack系統(tǒng)，是目前世界上最大的鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。特斯拉最近推出的太陽能屋頂將提升家用尺寸的Powerwall的銷量。但是鋰儲(chǔ)能對(duì)大多數(shù)房主而言還是太過昂貴。GTM Research的曼加尼指出：“要得到住宅區(qū)一定程度的采用，成本就必須降到目前的一半甚至1/4?！?/p>

在所有這些不確定因素中，有一點(diǎn)是確定的：可能真會(huì)出現(xiàn)不好的結(jié)果。馬斯克和他的各個(gè)合資企業(yè)已經(jīng)捉襟見肘，尤其是處理Model X的缺陷問題，這一問題導(dǎo)致特斯拉在《消費(fèi)者報(bào)告》最新的可靠性排名中墊底；拯救最近收購的債務(wù)纏身的太陽能安裝公司SolarCity；還要為因2016年9月發(fā)射平臺(tái)爆炸而陷困的美國太空探索技術(shù)公司SpaceX解決糾紛。以上這些努力只要走錯(cuò)任何一步，都會(huì)受到痛苦的懲罰。

馬斯克自己已經(jīng)感受到了壓力。2016年10月，馬斯克在與行業(yè)分析師們的一次盈收電話會(huì)議中說，2015年去特斯拉的弗里蒙特工廠露營以及修理阻礙電動(dòng)汽車生產(chǎn)率的“破碎”要素很可能讓我折壽一年甚至更多。在2015年7月的一篇博客中，也就是超級(jí)電池工廠開工典禮前夕，他承認(rèn)自己正在做的事情很瘋狂。想到美國業(yè)已失敗的一長串汽車制造商的名單，馬斯克在博客中寫道，“創(chuàng)辦一家汽車公司是白癡，創(chuàng)辦一家電動(dòng)汽車公司則是白癡的平方。 ”

[資料來源：IEEE Spectrum][責(zé)任編輯：朝 云]

本文作者彼得·費(fèi)爾利 （Peter Fairley），IEEE Spectrum雜志特約編輯，20年來一直致力于跟蹤報(bào)道能源技術(shù)及其對(duì)全球環(huán)境的影響，描繪了把可再生能源和電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁鞲?jìng)爭(zhēng)者的工程和政策創(chuàng)新。