電池驅(qū)動未來　特斯拉電池日技術(shù)解讀

張平

特斯拉是目前全球新能源汽車市場霸主。從技術(shù)角度來看，特斯拉旗下的電動汽車無論是在能源管理、駕駛體驗以及自動化技術(shù)演進(jìn)方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢。不過，相比傳統(tǒng)汽車，新能源汽車尤其是電動汽車的核心問題：充放電速度、續(xù)航里程和隨之而來的里程焦慮等問題依舊困擾著包括特斯拉在內(nèi)的廠商。鑒于此，特斯拉希望通過新的“4680”電池來徹底解決電動車充放電以及續(xù)航焦慮等問題。那么，特斯拉是如何做到這一點(diǎn)的呢？

2020年9月23日凌晨4點(diǎn)45分，特斯拉公司CEO埃隆·馬斯克終于召開了那場由于疫情而延期的“電池日”大會。顧名思義，“電池日”大會主要是以電池、電能相關(guān)技術(shù)為主的發(fā)布會。作為全球最著名也是最受關(guān)注的新能源汽車企業(yè)，特斯拉電池日帶來的技術(shù)得到了整個業(yè)界包括大部分新能源車用戶的關(guān)注。在會議上，馬斯克發(fā)布了全新的“4680”型電池，同時宣布將通過五大方面的改進(jìn)，使得每千瓦電池成本降低56%、每GWh產(chǎn)能投資下降69%以及電池里程提升54%。毫無疑問，如果上述的“4680”型電池和后續(xù)的每一項提升都能夠在馬斯克宣稱的2023年實(shí)現(xiàn)的話，那么特斯拉和其代表的整個電池、電能產(chǎn)業(yè)鏈，將徹底重塑未來全球多個關(guān)鍵市場。如此重要的技術(shù)革新和深刻的技術(shù)改變，值得進(jìn)一步了解。

純電交通的未來——從一個故事開始

作為全球最會講故事的CE0，馬斯克在特斯拉發(fā)布會上可謂“居功至偉”。和之前給各大投資人講述的故事那樣，這一次召開的電池日發(fā)布會，特斯拉也講了一個非常“巨大”的故事。

故事的開頭，是環(huán)保。特斯拉先是宣稱化石燃料帶來了一些環(huán)境的負(fù)面影響，然后給出了一個終極目標(biāo)，那就是實(shí)現(xiàn)100%的純電交通。為了達(dá)成這個目標(biāo)，特斯拉開始計算純電交通所需要的能源總量折合電能后的數(shù)據(jù)。其具體的數(shù)據(jù)包括，非可再生能源帶來的（折合電能數(shù)據(jù)，下同）2300GWh，煤炭燃燒帶來的大約1400GWh，可燃?xì)怏w燃燒帶來的大約2100GWh，石油燃燒帶來的800GWh以及純電汽車帶來的大約1500GWh，還有未來增長的1900GWh空間，總計算下來大約需要10TeraWh，也就是10太瓦時。先不管10太瓦時如何計算出來（數(shù)據(jù)來源于IHs），也不管這些能源最終是否都需要轉(zhuǎn)換為電力并使用電池存儲，僅從這個數(shù)據(jù)來看還是相當(dāng)可觀的。當(dāng)然，2019年的電池驅(qū)動汽車的數(shù)據(jù)僅僅為0.006太瓦時，增長空間大約有1600倍之多。

由于電力驅(qū)動存在巨大的增長空間，因此特斯拉就存在巨大的增長空間，尤其是電池方面。特斯拉的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的超級工廠電池年產(chǎn)能僅為0.15太瓦時，以現(xiàn)在的規(guī)模實(shí)現(xiàn)未來20太瓦時的電池容量，那么需要2萬億美元的資金投入和280萬員工。

這樣問題就來了，特斯拉將其總結(jié)為2個核心矛盾：

1.現(xiàn)有的電池工廠產(chǎn)能擴(kuò)張速度無法滿足未來巨量電池市場需求的矛盾。

2.現(xiàn)有的電池成本下降速度較慢和未來電池巨量市場應(yīng)用潛能的矛盾。一個典型的例子就是電動汽車的市場在增長，但是并不是所有人都買得起電動汽車。

好了，問題提出來了，那么應(yīng)該如何解決呢？特斯拉帶來了一個分為五個方面的發(fā)展計劃，來徹底解決上述2個核心問題，這五方面包括電池設(shè)計、電池工廠、陽極材料、陰極材料以及電動汽車設(shè)計改良，接下來，我們一起來了解一下。

全新的4680電池——無極耳技術(shù)上線

特斯拉早期使用松下型號為18650的圓柱形鋰電池作為汽車的電能存儲的核心，其中18是指圓柱形鋰電池的直徑是18mm，65則是圓柱的高度為65mm，最后的0則是指電池是圓形的。當(dāng)電池指代非常明確也就是圓柱形的時候，這個電池也可以成為1865型。實(shí)際上，目前用作動力源的鋰電池還有包括軟包型、方殼型、刀片型等多個樣式。但是特斯拉自始至終都在使用圓柱形鋰電池。

說起鋰電池，就不得不提到它的基本工作原理。簡單來說，鋰電池之所以能存儲電能，是由于在充電過程中，存在于正極的鋰離子，在電壓的作用下，進(jìn)入電解液后通過隔膜來到負(fù)極，并和負(fù)極中流入的電子結(jié)合在一起并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這樣就完成了電能到化學(xué)能的能量保存過程。鋰離子電池的放電過程和充電過程基本上是相反的，那就是結(jié)合了電子的鋰離子從負(fù)極進(jìn)入電解液后，通過隔膜到達(dá)正極，差別在于此時結(jié)合的是從外部電路進(jìn)入正極的電子。

通過上述原理可以看出，鋰離子電池實(shí)際上擁有正極部分、負(fù)極部分、中央隔膜三個核心部分以及相關(guān)的材料。一般來說，現(xiàn)在的鋰離子電池制造中，正極往往會使用鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、導(dǎo)電劑和石墨粉以及黏結(jié)劑涂布在鋁箔上，負(fù)極則是石墨粉和黏結(jié)劑涂布在銅箔上，中央隔膜則是由聚乙烯、聚丙烯等材質(zhì)制作而成。在柱狀鋰離子電池生產(chǎn)過程中，人們會使用類似“三明治”的四層結(jié)構(gòu)，典型的一些例子中可以將隔膜、正極、隔膜、負(fù)極進(jìn)行疊加，形成長而薄的軟條，再將這些條卷繞在一起，就成為了一個典型的柱狀鋰離子電池。

但是這樣一來，鋰離子電池應(yīng)該如何通電呢？傳統(tǒng)的做法是使用“極耳”來進(jìn)行接觸。所謂“極耳”，可以認(rèn)為是電池的“導(dǎo)線”，用于導(dǎo)通電池的正極部分和負(fù)極部分。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們往往使用導(dǎo)電的金屬薄片插入鋰離子電池的正極或者負(fù)極部分，再將其分別接出，以實(shí)現(xiàn)電池正極或者負(fù)極的功能。

明白了鋰電池的基本原理和結(jié)構(gòu)后，我們再來看看特斯拉在這里做了什么。特斯拉先是大幅度提高了電池的體積。實(shí)際上之前特斯拉已經(jīng)提升過—次電池的體積了，從早期的1865提升至2170，也就是直徑提升至21毫米，高度提升至70毫米，特斯拉宣稱這樣的提升帶來了50%的能量容量提升。實(shí)際上2170型電池的體積相比1865型增加了大約46%，再加上更少的外殼占用面積以及更多的電池存儲空間比例等因素，因此50%的容量提升是合理的。

特斯拉在嘗到了2170型更大的圓柱電池的甜頭后，認(rèn)為應(yīng)該繼續(xù)提升電池體積，理由是更大的圓柱形電池體積成本更低。圓柱電池體積越大，那么對外殼包材、連接線數(shù)量以及控制電路的要求就越少，這樣能夠進(jìn)一步提高電池的能量密度，降低冗余。

因此，特斯拉帶來了4680型電池，直徑為46毫米，高度80毫米，體積是之前的2170電池的5.4倍，更是1865電池的8倍之多。由于體積進(jìn)一步變大，特斯拉宣稱新的4680型電池的容量相比2170型提升了5倍，功率提升了6倍，在相同尺寸的車型上帶來了16%的續(xù)航里程提升。

特斯拉還給出了新的電池的橫截面圖，可以清晰地看到采用了圓柱形的環(huán)形纏繞方式，在這部分結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)電池沒有任何差異。但是，由于電池容量、輸出功率都變高了，如果依舊采用傳統(tǒng)的設(shè)計方案，那么將會給電池極耳帶來巨大的壓力，簡而言之，傳統(tǒng)的單個或者多個極耳的存在，無法適應(yīng)特斯拉新電池如此巨大的充電電流，會由于電阻帶來極高的熱量，這將嚴(yán)重影響電池的安全。在這里，特斯拉改用的無極耳的設(shè)計，也就是去除了單個或者多個極耳，改用了新的專利連接方法，簡單來說就是使得正負(fù)極部分直接和電池蓋板或者殼體連接。這種新的無極耳連接方式能夠通過較大的電流導(dǎo)通橫截面積來實(shí)現(xiàn)電阻的降低，同時能夠承受更大的電流并大幅度降低電池發(fā)熱量。另外，特斯拉還宣稱新的設(shè)計帶來了成本的降低，相比之前的產(chǎn)品，新的電池帶來了每千瓦時14%的成本降低。

有了新的電池設(shè)計，那么需要新的工廠以及巨大的產(chǎn)能與之匹配，這樣才能順利解決之前特斯拉提出的兩大問題。因此，特斯拉也介紹了其全新的電池工廠的發(fā)展情況，但是實(shí)際內(nèi)容比較少。比如在電池的工藝方面沒有更為詳細(xì)的解釋，也沒有給出有關(guān)創(chuàng)新工藝方面的內(nèi)容。只是提到新的電池還有大量需要解決的技術(shù)問題，因此需要在3年后才能正式登場，同時特斯拉還展示了大量新研發(fā)的設(shè)備，包括專用于生產(chǎn)4680電池的各類高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)裝置。

值得注意的是，特斯拉目前正在建造一條試驗線，用于研發(fā)這種新電池生產(chǎn)制造的相關(guān)技術(shù)，其制造容量約為每年10GWh，最終4680電池將會在德國的工廠完成制造。特斯拉給出的數(shù)據(jù)顯示，希望在2022年，新工廠能夠生產(chǎn)100GWh電池，未來的2030年能夠帶來3TWh電池的生產(chǎn)能力。

特斯拉最后還提到，由于全新的工藝、制造流程等，新的電池生產(chǎn)成本下降了18%。但是具體如何做到的并沒有詳細(xì)的分析。

新的正負(fù)極材料——硅材料和高鎳材料的舞臺

在新的正負(fù)極材料的介紹上，特斯拉給出了一些信息，但是顯然非常模糊。比如在陽極材料方面，特斯拉提到了他們使用了納米化的硅材料制作的新硅材氧化反應(yīng)極（對應(yīng)電池負(fù)極）。簡單來說就是硅材料破碎后進(jìn)行納米球化，加入彈性離子聚合物圖層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的硅材料表面結(jié)構(gòu)，然后再用于制作相關(guān)鋰電池的負(fù)極。特斯拉說明這樣制作的成本是最低的，能達(dá)到大約1.2美元每千瓦時。相比之下，之前的硅材料使用方法大約是6.6美元或者10.2美元每千瓦時，特斯拉大幅度降低了硅材料的應(yīng)用成本。最終，相比現(xiàn)有以石墨等材料為基礎(chǔ)的電池負(fù)極材料，特斯拉的新技術(shù)和硅材料帶來了大約5%的成本降低。

在電池的還原反應(yīng)極材料方面（對應(yīng)電池正極），特斯拉介紹了現(xiàn)在的材料的情況，包括鈷、鎳和鐵。特斯拉的技術(shù)路線是最大化鎳材料，即采用高鎳材料，無鈷化設(shè)計，并且采用了新型的圖層和摻雜劑，以實(shí)現(xiàn)每千瓦時15%的材料減少。特斯拉還提到在正極材料方面的多樣化選擇，比如對小汽車、蓄電站等需要長循環(huán)壽命的場所，采用鐵基材料;在汽車等需要更強(qiáng)能量存儲的場合使用鎳和錳材料作為基礎(chǔ);在重卡、皮卡等質(zhì)量敏感的設(shè)備上，則使用高鎳材料作為基礎(chǔ)?？偟膩碚f，在電池正極方面，特斯拉帶來了12%的成本降低。

另外，特斯拉在制造方面采用了全新的流程和工藝，不再使用硫酸和多余的金屬，只是用少量的水并且完全不排放廢水，也沒有額外的副產(chǎn)品。最終降低了66%的投資、減少了76%的處理費(fèi)用，還直接使用鎳粉簡化了金屬的精煉回收過程。鎳粉的來源則是礦藏、制造過程的改進(jìn)和舊電池的回收等，并目可以保持未來大約10年的可持續(xù)發(fā)展。

全新汽車結(jié)構(gòu)帶來汽車成本降低

對電動汽車來說，電池本身的重量和強(qiáng)度是可以和車身結(jié)構(gòu)很好地結(jié)合在一起的。特斯拉這一次在電池日上還帶來了全新設(shè)計的電池車身結(jié)構(gòu)。特斯拉的數(shù)據(jù)顯示，新的結(jié)構(gòu)帶來了10%的重量降低、14%的相對提升續(xù)航能力、減少了370個部件、降低了7%的成本。其中一些顯著的改進(jìn)包括之前采用的四個區(qū)分開來的電池倉現(xiàn)在在使用全新的電池后合并在一起，并進(jìn)一步下沉。這樣可以降低制造困難并節(jié)約成本。另外，特斯拉的車身工廠未來還會減少每GWh 55%的投資和35%的占地面積。

電池驅(qū)動未來，解密尚待時間？

在上述所有技術(shù)介紹完成后，特斯拉帶來了1張幻燈片和3個數(shù)字用于總結(jié)本次發(fā)布會：在里程方面，特斯拉通過全新的電池設(shè)計、全新的電池陰陽極材料和全新的電池集成方式的改進(jìn)，帶來了54%的提升;在每千瓦時價格方面，通過全新的電池設(shè)計、全新的電池工、全新的陰陽極材料以及全新的電池集成設(shè)計特斯拉帶來了56%的價格下降;在每GWh時的投資降低方面，特斯拉通過全新的電池設(shè)計、電池工廠、陰陽極材料和電池集成設(shè)計帶來了69%的價格降低。并目特斯拉還宣稱自己的電池價格降低曲線將比預(yù)測的數(shù)值更低，更具有競爭力。

本次發(fā)布會上技術(shù)方面的內(nèi)容就是本文介紹的這些了。值得一提的是，特斯拉發(fā)布會后股價應(yīng)聲大跌，其原因也不難猜測，特斯拉在本次發(fā)布會上并沒有拿出太多實(shí)際的東西，比如電池設(shè)計方面包括無極耳方案、新的陰陽極材料等，都是泛泛而談，沒有展示更多更為實(shí)際的技術(shù)和內(nèi)容。在自動化工廠的設(shè)計上，特斯拉之前并不具有工廠自動化機(jī)械設(shè)計的能力，要依靠合作伙伴外采，而全世界在自動化工廠上最領(lǐng)先的國家也不位于美國。其余的還有包括電池材料、制造技術(shù)尤其是陰陽極材料設(shè)計方面，中日韓是這些技術(shù)的領(lǐng)先國家，現(xiàn)在特斯拉突然出現(xiàn)說自己已經(jīng)掌握了這些技術(shù)并且將在三年后大規(guī)模推廣，同時又拿不出太多技術(shù)和證據(jù)，的確讓人迷惑。

總的來看，作為目前全球最大、最熱門的新能源汽車尤其是電動汽車廠商，特斯拉在本次發(fā)布會上帶來的計劃無疑是雄心勃勃的，其垂直整合整個電動汽車行業(yè)的計劃以及小到連電極材料都要自己研發(fā)的想法還是非常值得期待的。希望特斯拉下—次，能給人們一個大大的驚喜。作為那個屢屢創(chuàng)造奇跡、公司股價已經(jīng)達(dá)到史無前例高峰的特斯拉，如果三年后的2023年真的做出來點(diǎn)什么，應(yīng)該也不會太令人驚訝吧？