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埃隆・马斯克的PPT造电池之路

2020-10-24 17:21:43,星期六 来源:加入IT 编辑:admin
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埃隆・马斯克的PPT造电池之路是由路由社roadbook的小编精心推荐,希望以下资讯对你能带来参考借鉴作用。

撰文|熊宇翔 编辑|老司机

一家成立已经14年的公司,在一场面向投资人的会议上,疯狂展示尚在实验室阶段的技术,并不断嚷嚷着要靠这些实现人类能源消费从化石燃料向可持续能源转变。这家公司的CEO,要么是疯子,要么就是马斯克。

今天凌晨,从今年4月一直推迟到9月的特斯拉电池日(Battery Day)正式举办。

作为一年一度的特斯拉技术开放日,Battery Day在两度延期后吊足了人们的胃口。马斯克也本色不改,不负众望地把人们的胃口吊得更高,将Battery Day变成了Flag Day——

10年后,特斯拉的电池产能将提升至3TWh(3000GWh),相当于20个Gigafactory;

特斯拉的动力电池成本3年将下降56%,同时续航表现提升54%;

电池日结束后,投资人对马斯克的flag大法表示情绪激动——特斯拉股价大跌。

过去十余年,马斯克一直走着一条被正统汽车人鄙视的路径——向消费者发布一张张PPT,再对着PPT把产品造出来(中途改改也不要紧)。不过,这条路径最终将特斯拉引向了全球市值第一车企。

如今,马斯克开始了他的PPT造电池之路。

一、一个大新闻 两个小目标

远在中国的你我或许很难感知到,特斯拉的美国车主们,是冒着生命危险,来欣赏马斯克的电池梦想和PPT的。

因为美国疫情仍然肆虐, 参加电池日的车主和投资人不得不待在自己的特斯拉内,将车停在开阔的露天场地参加活动。马斯克说,这有些像汽车影院。

而剧本其实已经演了十几年:特斯拉致力于成为一家推动人类能源转型、出行方式转型的公司。但剧情的终极矛盾,一直没解决——

按照特斯拉的测算,如果要实现全面的电动化,如今地球上的电池产能远远不够。虽然特斯拉电池工厂Gigafactory 15GWh的年产能已然全球领先,但能源结构转变,需要的是以TWh(1000GWh)为单位计量的电池。

另一方面,尽管电池价格已经飞速下降,但(相对于燃油车)今天的电池成本仍然高企,对大多数人来说,电动汽车的价格依然难以负担。新能源车在全球保有车辆中占比不到2%,显然无法撬动能源转型。

现实情况给特斯拉出了道难题,要想用电动汽车征服世界?必须把电池产能提上去,同时把电池价格降下来。

如果你关注过特斯拉的电池,大概率就会知道,马斯克对特斯拉与松下在电动汽车电池领域的合作,并不是很满意。即便松下已经全力配合,但马斯克仍嫌松下提供的动力电池产能不够多,价格不够低。

今年的Battery Day,便是特斯拉正式走向动力电池自研自产(但仍会向松下、宁德时代、LG等采购)。特斯拉也不谦虚,上来就定下了两个小目标:电池产能10年内达到3TWh,电池价格三年砍掉一半以上。

二、Battery Day?Flag Day

实际上,过去十年间动力电池的价格已经实现了从1000美元/kWh到不足150美元/kWh的大跳水。就像考试,及格容易高分难。如今,要将电芯成本每降低一美元,都要付出加倍的努力。而学霸特斯拉的风格是,但凡还有能提升的地方,就不放过。因此,特斯拉从电芯设计、电池生产工艺与电池材料几大板块入手,在5个方面实现降本增产。

1、电芯设计:4680无极耳电芯

从Model 3开始,特斯拉就走在了电芯越做越大的路上,将18650电芯升级为2170电芯,以换取更高的车辆续航以及更低的制造成本。而在电池日上,特斯拉公布了体格前所未有的圆柱电芯“4680”。4680,代表电芯的直径为46mm,高度80mm。

由于体格比2170电芯大了好几圈,4680电芯携带的能量(注意不是能量密度,而是电池容量)达到了前者的5倍还多,能输出的功率则高达6倍。这款新的电芯,可以提升特斯拉车辆16%的续航表现,同时降低14%的生产成本。

在4680电芯上,特斯拉还特别采用了无极耳设计(即将两极放置在圆柱的侧面而非两端)。这一设计可以极大减少电子在正负极间的运动距离,减少电池内阻。据特斯拉官方说法,新电芯的内阻将降低到上代产品五分之一的水平。

在特斯拉的构想中,无极耳电芯将带来多个好处:其一,更低内阻意味着更少的发热,这有助于对抗电芯变大要面临的散热挑战;其二,无极耳设计将更好适配特斯拉正在研发的电芯快速生产工艺。

2、制造工艺:干电极与高速连续产线

特斯拉正投入心力改造的电芯生产工艺,正是“干(法)电极”。具体来说,干电极工艺在结合正负极材料与电芯极片时,将不使用溶剂,而用特殊工艺将正负极材料的颗粒粉末与极片贴合压实。

采用干电极省掉溶剂后,电芯的生产将去掉传统湿法制造过程中极片干燥等中间步骤。特斯拉预计这将节省以10倍计的能源。

与此同时,特斯拉对现有电芯装配线的生产速度也不是很满意,认为可以采用高速连续动态组装(High-Speed Continuous Motion Assembly),极大提升产线的生产速度。特斯拉的PPT给出的数据是,一条高速连续动态组装产线,就能抵过七条传统产线,单线产能达到20GWh(目前特斯拉电池工厂Gigafactory年产能也才15GWh)。

与之相对应的,则是每GWh电芯的生产成本,可以因为更高速、流程更短的生产工艺,降低75%。最终,电芯生产工艺的进步会为特斯拉的电池成本带来18%的下降空间。但这并不是全部。

3、负极材料:硅基负极

在一枚电芯中,正负极材料是决定电池容量最关键的因素,它们的能量密度高,则电芯理论能量密度上限就高。

过去,出于成本考虑,电池行业普遍选用石墨/碳作为负极材料。不过,石墨的能量密度有限,使其一直成为制约电池容量增长的短板。近些年,业界开始采用能量密度达到石墨9倍的硅作负极。但硅在电池内的电压环境下,容易膨胀破裂,造成电芯容量的永久性损失,因此负极材料企业多采用碳硅复合材料以求取平衡。

而在电池日上,马斯克宣称,特斯拉采用了高弹性的硅材料如氧化硅或硅纳米线来解决硅膨胀的问题。他还称,特斯拉未来考虑重构材料的结构,以使硅的运用能够将车辆的续航表现提升20%,同时电池成本降低5%。

4、高镍正极 动力电池回收

与电芯负极材料升级同步,特斯拉未来的正极材料,也背着降低成本、提升能量密度的任务。

为此,特斯拉规划了一个三档正极材料共存并演进的路线。其中,成本较低的铁锂正极材料可以覆盖续航里程较低的车型(比如国产标准续航版Model 3);对高续航里程的产品,特斯拉则会使用高镍含量的正极材料,并最终在正极材料实现“全镍去钴”的目标。

由于镍的能量密度高于钴且价格更低,特斯拉将在正极材料的更迭中实现车辆续航4%的增长,以及电池成本12%的下降幅度。

另外,由于钴、锂等矿产的开采成本高企且易受政治环境影响,特斯拉已经开始布局动力电池回收,以回收利用电池中的贵金属资源。在特斯拉的测算中,回收动力电池最终要比从矿石中提取划算得多,不过需要长期投入才能显出效益。

5、电池底盘融合

我们曾经在文章中谈过,特斯拉拥有堪比苹果的工程创新能力,会为了哪怕微小的用户体验/制造成本收益而对既有设计、传统路径大动手术刀。马斯克在电池日上宣布的电池集成至底盘的技术,便是典型的例子。

传统上,电动汽车的电芯被组装为模组,再聚合成电池包,最后安置到车辆底盘上。在这种设计思路中,电池包与车辆底盘是相对独立的,同时也相对安全。但代价是,电池模组与电池包需要一些额外的结构进行连接、加固并保证强度。

其负面影响是特斯拉最不愿见到的:制造成本提高,车辆续航里程被拉低。

这两年,动力电池行业为解决这一问题,推出了去掉模组的CTP、刀片电池等技术。而特斯拉决定将步子迈得更加彻底——直接将电池包整合在车辆底盘中,以底盘作为电池包的安全件与连接件。

这样做的好处是,电池包抛掉了不想要的部件,既节省了成本,又有助于车身轻量化,为增加续航做贡献。特斯拉预计,电池与车身的整合,可以提升车辆14%的续航表现,降低7%的电池成本。

以上,马斯克和特斯拉的电池团队可谓是发挥了从细节抠铜板的精神,把动力电池还有提升潜力的地方筛了一遍。而各处细节累加的效应是惊人的——经过技术升级优化后,特斯拉的电池成本可以下降56%,同时车辆续航里程将增加54%。

加量反而减价的利好消息,惹得台下车里的特斯拉车主频频按响喇叭以表牛逼。

但是,请注意,特斯拉在电池上发布的所有技术,都并未实现量产,让人心动的数据,实际也是特斯拉根据实验测算设定的一个个目标。就连总是将“自动驾驶技术即将量产”挂在口头的马斯克,在电池日前也特意声明,发布的技术要到2022年才会量产使用。在电池日活动最后,马斯克更是明说,发布的新电池技术至少需要12-18个月才会初步投入使用,成熟则要等到三年以后。

这意味着,特斯拉电池日,是一场马斯克都承认的“期货发布会”,或者用一些中国网友更熟悉的词形容——PPT发布会。马斯克和特斯拉,用一个接一个的许诺,将Battery Day变成了Flag Day。

三、技术广告?未来预告

特斯拉盘后继续下跌的股价证明,即使是认可特斯拉价值的投资人们,也在特斯拉电池日满屏的PPT中心态不稳。

市场大概很难接受,全球市值第一的车企,竟然会在投资人如此重视的会议上,贩卖一些明明实现起来很难,但却如此乐观的预期。对资本来说,这显然是风险的味道。

而特斯拉改造动力电池之“难”,也不是投资人们瞎猜的,而是马斯克明示的。几乎在每一项电池技术讲解后,马斯克都会提到“Hard”这个词——艰难。

事实上,正如马斯克时时念叨的这个词所形容。如今动力电池的技术进步已经进入了一个平台期,一方面是能量密度与生产效率提升困难,另一方面则是成本下降难度陡增。也正是动力电池之路越走越难,单点技术突破收益越来越小,特斯拉才会一次性涉入动力电池产业如此多环节,自己亲自上手把持各关键技术,以确保领先优势。

而在动力电池行业人士看来,特斯拉今年的电池日早已褪去了往日神秘而惊艳的风采。因为特斯拉提出的这些技术,每一个方向都有不同的公司在进行技术攻关。它们在极限边缘求取突破要面对的困难,特斯拉同样也会面对。

举两个例子。在大尺寸电芯方面,就有专家质疑,4680电芯在经历如此多层卷绕后,会对电芯的一致性要求提出艰巨的挑战。早前,当比亚迪推出大尺寸的刀片电池时,也遭遇了同样的诘问。

而在电芯负极材料方面,国外有媒体与专家根据特斯拉电池日的海报和马斯克的发言推测,特斯拉的负极材料将使用先进的硅纳米线。而国内无论是企业还是高校实验室的结果表明,硅纳米线由于需要精细操控让其实现纳米尺度的生长,短时间内难以找到大规模量产的方法,近期将其批量应用于电芯负极材料不具备可行性。

不过,从马斯克的一再强调中可以看出,特斯拉对这些挑战其实都了解。为此,特斯拉特意设立了一座试验工厂,对新型电池技术进行由前到后的验证。

另一方面,早些时候,特斯拉加大了对电池工程师的招聘力度,希望聚集顶尖的人才来攻克技术难关。而在今天的电池日上,马斯克现场喊话招聘优秀的电池领域人才。他说,如果想做“Hardcore(硬核)”的电池工程项目,那就应该来特斯拉工作。

至于中途要面临的困难和人们的诘问,马斯克或许并不在乎。毕竟,2016年发布的Model 3,也是当了三年的PPT之车,最终才缝缝补补正式交付,而后成为席卷全球的电动新事物。

如今,当马斯克的PPT指向电池,钢铁侠的魔力还会再度上演吗?

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