成也电池败也电池,特斯拉终于还是忍不住了(组图)

36氪 1

特斯拉取代汽油车的美梦,可能已经近在咫尺了。

2 月 27 日,特斯拉内部出现了一个名为 Roadrunner 的秘密项目,旨在以「制造机器的机器」(自己生产制造设备)策略大规模生产更便宜的电池。这一项目集特斯拉近年来电池研究之大成。据电动车媒体 electrek 报道,其目标是将动力电池成本降到 100 美元/kWh,低于美国汽油成本。

「如果与批量生产相结合,这是电动汽车普及的『圣杯』。」美国媒体这样写到。有特斯拉电池制造工程师兴奋地说:「快来加入我们,重塑锂离子电池制造技术!」




而特斯拉如何实现这一壮举,将在 4 月 20 日的电池日上宣布。「无钴,不代表一定是磷酸铁锂。」特斯拉早先曾透露。有理由认为,这是一种采用高镍阴极+含硅阳极+干电池电极制备+超级电容动力回收的电池方案。

在 2 月 3 日,特斯拉则宣布与动力电池龙头宁德时代合作,在国产 Model 3 上使用便宜的磷酸铁锂电池。这为杀进退补后的中国市场打开了大门。

特斯拉的发展历程,几乎是在制造技术和电池技术上两条腿走路:从开创性地使用 18650 钴酸锂电池,到另辟蹊径青睐 NCA 三元锂电池,为求降价使用磷酸铁锂电池,又探索高镍无钴的电池技术。

把四驱车电池装进跑车


1980 年,古迪纳夫发明了钴酸锂(LixCoO2)作为阴极的锂离子电池。这款电池发明后,不为工业界所认可,直到日本索尼主动伸出橄榄枝。1991 年,索尼推出第一块商用锂离子电池 18650。

18650 指的是电池规格:直径 18mm,长 65mm,0 则代表圆柱形。而钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、NCA 三元电池等叫法,都指的是阴极材料。

要理解它的开创性,首先要说一下电池的原理。在电池阴极,锂失去电子,转变成更高价的锂离子,进入电解质,然后穿过隔膜,向阳极转移。虽然锂离子能穿过电解质和隔膜,电子却不行,只能从外部的电路跑到阳极,并在外部做功。这就是电池的放电过程。



▲ 钴酸锂电池原理,来源:Visual Capitalist


而锂的优越性在于它能提供更多的电子。由于只有原子外层电子能转移,参与做功,原子量越小就意味着能量密度越大。而锂作为 3 号元素,在自然界由两种同位素组成,相对原子量只有 6.9。此外,锂离子的半径小,更容易在电解液中移动,使得充放电更加快速和高效。

18650 钴酸锂电池发明后,很快因小巧和高能量密度,被应用在电子产品上。但它还有一个缺陷:钴酸锂在电压高于 4.6V 时会发生相变,导致锂离子扩散变慢,阴极材料出现应力,晶体结构崩塌。

为此,1997 年,古迪纳夫又发明了磷酸铁锂电池,就是如今特斯拉与宁德时代合作生产的电池。这种电池更稳定,也不会在高电压下发热,不含有昂贵的钴。但它能量密度更小、功率更低。采用这种电池其实是一种为成本退而求其次的做法。



▲ 几种主要锂离子电池,除锂以外的金属成分及用途,来源:Visual Capitalist

2003 年秋天,埃隆·马斯克诞生了一个疯狂的想法:把 10000 节 18650 钴酸锂电池串联起来,为一辆电动车供电。他遇到了电池专家,疯狂崇拜马斯克的 J. B. 斯特劳贝尔。在他们设想里,这是一项预算 2500 万美元的简单项目:只要几个工程师,改装下汽油车就行。

2005 年,第一辆特斯拉 Roadster 原型车上路了。但他们很快遇到第一个阻碍。

2007 年美国独立日,正沉湎于节日的特斯拉工程师为了狂欢,将 20 块绑在一起的电池点燃。这些电池像火箭一样飞了出去。特斯拉员工冒出一身冷汗:Roadster 是为富人打造的,如果有一位富豪坐在这辆车里葬身火海,会发生什么?

他们必须找到一种全新的技术,控制电池的电压电流并更好地散热。

这时,特斯拉创始人之一的马克·塔彭宁派上了用场。他将管理网络服务器的方法用在控制特斯拉电池上,开发出一套分层管理的方案:69 个 18650 电池被并联封装成一个电池砖;9 个电池砖串联成一个电池片;11 个电池片组成一个电池包,总计 6831 节。

由单个单芯(Cell)组成电池模组(Module),再组成电池包(Pack),维修时可以方便地替换一部分。这三个层级也都有独立的电池监控系统,并设有保险丝,一旦电流过大或者电池过热就熔断,断开电力。

这套电池控制系统成为特斯拉的核心资产,据传刚推出时造价超过 20000 美金,遭到业内人士唱衰。但伴随其他电动车雪佛兰 Volt、Fisker Karma 相继发生起火事故,特斯拉 Roadster 却证明了自己的安全性,逐渐为消费者接受。据 Relecura 统计,特斯拉的大部分专利都与 Battery(电池)、Charging(充电)和 Electric Motor(电机)有关。



▲ 特斯拉专利的分布统计,来源:Relecura

在 2007 年,特斯拉公开了 Roadster 电池系统的技术细节,解释了为何青睐 18650:它足够小,因此发生故障的影响要小于大尺寸电池单元。它的表面积/体积也足够大,能保障很好的散热。最重要的是,它在消费市场广为应用,使得能量密度和功率上升的同时,成本却在下降。

在尝试了 500 多家供应商后,特斯拉最终在 Roadster 上选择了松下,生产 18650 钴酸锂电池。当时的电池成本在 600-800 美元/kWh,大约是美国汽油的 3-4 倍。这对富人开的 Roadster 尚不是瓶颈,但对普及电动车仍过于昂贵。按照美国环保署数据,Roadster 的 NEDC 续航里程为 393 公里,要抢占汽油车市场也仍需继续提高。

寻找更低价电池

在生产 Model S 时,特斯拉将目光投向了三元锂电池。这种电池在动力电池领域通常有两种:NCA811(镍钴铝锂电池)或 NCM811(镍钴锰锂电池),811 代表三种材料的比例。特斯拉使用的是前者。

三元锂电池的好处在于,它的阴极由三种材料构成,能达到比单一材料更高的能量密度。以 NCA811 电池来说,能量密度能达到 250Wh/kg。而特斯拉在 Roadster 上使用的 18650 钴酸锂电池能量密度为 211Wh/kg。

由于锂电池的阳极石墨的锂离子容量远超阴极,因此提升能量密度主要在阴极下功夫。在三元锂电池里,提升钴和镍的比例,都能提高热稳定性和能量密度。这也是全球改进电池的主要方法。据 Visual Capitalist 统计,在 2020 年全球约 75% 的电池都含有一定量的钴。

但钴的问题在于,它太贵了。镍在全球分布广泛,地壳含量仅次于氧硅铝铁镁。而钴的全球 60% 产量都来自刚果,这一地区深陷武装冲突、雇佣童工等问题,供给增速远低于需求增速。在 2015 年前的二十年里,钴的价格已经飙升 6 倍,从 2 万美元/吨翻到 12 万美元/吨。



▲ 钴的价格随年份飙升

在 NCA 电池里,钴含量 5%(NCM 则为 10%)。这使得 Model S 能继续降低电池成本,大约为 240 美元/kWh。

当然,NCA 电池的阴极比 NCM 更不稳定,在 250-300 摄氏度便会分解;而电动车收到撞击时,电池隔膜破裂造成短路,很容易能让电池温度超过 300 摄氏度。这对特斯拉的电池管理和散热提出了更高考验。但在占全车成本 40% 的电池面前,价格才是首要问题。

与中国的宁德时代一样,松下乘上了特斯拉快车,产能也一路高歌猛进。2013 年 10 月,松下与特斯拉签订协议,将为 Model S 在未来四年供应 18 亿颗电芯。2014 年 9 月,双方宣布将在内华达州建设锂离子电池工厂 Gigafactory 1。



松下执行副总裁山田佳彦曾表示,「今天的电池产能是以前的三倍,为什么?这是特斯拉和松下员工一起工作的结果。」松下的客户结构极为单一,主要客户是特斯拉,其次是丰田,用山田佳彦的话说,双方关系是「密切而独特的」。

然而松下的产能逐渐开始拖累特斯拉。2019 年 4 月 13 日,马斯克发推文表示「超级工厂的电芯产能只有 24GWh,从 7 月份开始一直限制 Model 3 的产能,在产能到达 35GWh 之前,特斯拉不会再投钱进去。」

对比鲜明的是,松下为了跟上 Model 3 的量产步伐,一直在投入 Gigafactory 1,在 2018 年底发布的半年报显示,电池业务已经出现两个季度的亏损。2019 年,日经又传出双方计划在 2020 年提升工厂产能从 35GWh 到 54GWh 的计划泡汤。

2019 年 8 月,有媒体发现特斯拉打算与 LG 化学合作,采购更多电池用于在中国投产的电动车。2019 年 12 月,中国工信部发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,显示国产 Model 3 有两种型号电池,分别使用松下和 LG 化学的电芯,NEDC 续航里程(接近实际路况)分别为 445 公里和 455 公里,能量密度分别为 145Wh/kg 和 153Wh/kg。

而在此前 9 月,松下社长津贺一宏刚向媒体吐过苦水:「埃隆多次要求降低采购价格,有一次我回应他,如果再这样下去,我们要考虑撤走超级工厂的全部松下员工和设备。」被问及是否后悔投资特斯拉超级工厂,他回答道「是的,当然」。

特斯拉的移情别恋还未结束。2020 年 2 月 3 日,宁德时代,作为中国动力电池装机量 50% 以上的龙头,宣布将向特斯拉提供锂离子电池。这是一种磷酸铁锂(LiFePO4)电池,虽然无钴但能量密度较低,依靠 CTP(Cell to Pack,指电芯直接整合进电池包)技术才能达到 160Wh/kg 能量密度,并且在低温表现也逊于 NCA。

但它的好处是便宜,据中国化学与物理电源行业协会数据,磷酸铁锂电池价格能降低到 0.7 元/Wh 以下,而三元锂电池通常在 0.9 元/Wh。据东方证券分析师表示,以 50kWh 车型为例,从三元锂电池改用磷酸铁锂电池,补贴虽减少约 2000 元,但电池成本可降低 1.2 万元。

值得注意的是,人们常说的「无钴电池」是指在三元锂电池中降低钴用量,而非使用能量密度更低的磷酸铁锂电池。在国产 Model 3 上使用磷酸铁锂电池,可能是特斯拉为降低售价所采用的权宜之计。

要做「自己命运的主人」

2 月 21 日,特斯拉在官方帐号上表示:「无钴,不代表一定是磷酸铁锂。」并表示在四月将举行电池发布会。特斯拉很可能将宣布自己的无钴电池进展。

据平安证券预计,特斯拉有望采用高镍正极+硅碳负极(掺锂)+干电极+超级电容的技术组合。

这种判断十分符合行业认知。高镍正极能提高能量密度,但会降低热稳定性,而干电极能解决这一问题。掺硅的负极能提高锂离子容量,保证负极不成为瓶颈。超级电容则能回收车辆启停浪费的能源。

在过去几年里,特斯拉已经为这一刻做好了准备:

2019 年收购超级电容生产商 Maxwell,其核心技术是超级电容器和干电极其中,超级电容器可以回收电动车加速、减速、启停浪费的能源,与作为主动力的锂电池搭配使用。(如果类比数据存储,锂电池相当于硬盘,超级电容器相当于内存。)在 2017 年 Maxwell 已经申请了混合动力平台的超级电容+锂电池的方案专利。干电极技术是指,在制作电极时直接将粘合剂和正极粉末混合,挤压成电极材料片,然后压到金属箔上。它能克服三元锂电池的高镍电极热稳定性差等问题,使电池能量密度能大于 300Wh/kg,并有实现 500Wh/kg 的可行路径。



2019 年收购锂电池设备制造商 Hibar。这是电池制造设备领域首屈一指的公司,以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而闻名。

2020 年,据 Electrek 报道,特斯拉正在弗里蒙特建造一条电池生产线试点,计划用自己的设备来生产电池。此前 2019 年 6 月,特斯拉在弗里蒙特的名为「Skunkworks Lab」的电池设计和生产实验室曝光。

2020 年,有分析者猜测特斯拉收购了 SilLion。这家公司为商用圆柱形电池研发硅阳极、高镍 NCM 阴极和不易燃的离子电解质。这是为数不多能提高阳极性能的专利。相比石墨阳极每 6 个碳原子储存 1 个锂离子,硅阳极每个硅原子能储存 4.4 个锂离子。

值得一提的是,特斯拉可能在自研电池上探索 NCM 路线。2016 年特斯拉从 3M 挖来电池研究伙伴 Jeff Dahn,对方正是 NCM 电池专家,曾在 2017 年演示过一项技术:提高 NCM 电池的某种成分,能让电池在车辆行驶 48 万公里后仍有出厂容量的 95%。2019 年 9 月,他在论文中描述了一种电池,能在电动汽车上使用超过 160 万公里。特斯拉最近收购的 SilLion,专利也在 NCM 领域。最近国产 Model 3 更是用上了 LG 化学的 NCM 电池。

在 2019 年股东大会上,特斯拉元老 J. B. 斯特劳贝尔(曾担任特斯拉电池专家和 CTO)说过:「我们需要大规模的电池生产解决方案。」特斯拉技术副总裁德鲁·巴格利诺则补充说:「希望特斯拉能在电池领域成为『自己命运的主人』(master of their own destiny)」。可以想见,特斯拉亲自杀进动力电池领域已经不遥远了。

参考资料:


《特斯拉的动力电池梦》,平安研究

《The Future of Battery Technology》,Jeff Desjardins

《特斯拉与松下的「战争」》,陆三金

《马斯克:下一步我干啥,你猜》,孙鸣远

《第一个将钴酸锂电池应用于汽车,Tesla 凭什么?》,任海宁 阅读原文

文章来源: 留园 查看原文
https://www.6parknews.com/newspark/view.php?app=news&act=view&nid=404422
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