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2020-09-24
随着万众瞩目的「特斯拉电池日」召开，我们也看到了特斯拉面临的两大问题，面向2030年，特斯拉思考问题是从整个能源结构转型，第一个挑战是对于电池的需求是按照10TWH（折合10万GWh），现有电池企业的规划都远远无法满足这个要求；第二个挑战是成本的需求，按照现有电芯成本的下降幅度，是没办法满足电池在各行的渗透。因此，特斯拉在这次电池日也是第一次正式宣布介入电池生产，通过到电芯层面的垂直整合，这次特斯拉给我们带来的解决办法，是整体创新——围绕着电芯设计、工艺、设备、材料、电芯成组进行，其结果有望大幅提升续航里程，降低电芯的成本和降低电池生产（单位GWh成本）的投资。 特斯拉Battery Day 对于普通消费者的意义？ 在这次电池日中，最重要的一点就是埃隆·马斯克（Elon Musk）想要干什么？ 1）他要制造足够多的电池，一方面通过现有供应商来提供，一方面要自己下场来造电池，未来特斯拉把车价做得足够低的时候，要满足全世界人民对于特斯拉电动汽车的需求； 2）他要使电池的成本降低一半，帮助特斯拉在三年内制造出令人信服的25,000美元的电动汽车——实际上这个25000美金的目标是在2018年说的，过了3年之后，发现自己不做电池这个事情是做不到的； 3）特斯拉的一顿操作，一方面把公司的想象空间拉到最高，一方面也试图把电动汽车价格不断往下压到普通消费者能负担得起的水平，这个价格和全球大部分中型燃油车的价格是相匹配的。如果比较全生命周期的成本，则有更大的优势。我们通常在说要到2025年让电动汽车和燃油车平价，这次电池日Elon Musk主要是就这个目标展开的。 特斯拉电池是什么样的？ 特斯拉这次把整个电池矩阵给说清楚了，如下图1所示，特斯拉的产品和对应的电池选择有了一个清晰的路径。 1）长循环寿命：这是特斯拉规划的入门级产品和储能站，优先考虑使用寿命（充放电次数），电池会主要考虑使用磷酸铁锂电池。可以预期的是，基于磷酸铁锂电池的入门级车型就是特斯拉所说的25000美金车型的电池选择。 2）长续航（中级产品）：这是特斯拉根据客户的需求，优先考虑续航里程的长度，电池需要较高的能量密度，目前是围绕镍和锰来做的无钴电池，这也是产业里面比较期待的，但特斯拉没有给出具体的答案。 3）重量敏感的产品（高端产品）：在皮卡、重卡领域，由于需要考虑载重能力，所以优先考虑性能，需要采用高镍电池，这也是特斯拉目前进行自主开发的重要领域。 第一类产品，主要由中国电池企业所把控；第二类产品目前主要是松下和LG 化学提供，第三类则是特斯拉自研的，所以特斯拉在电池产品线上构建了围绕寿命、里程和重量敏感三个维度去优化自己的电池结构。
图1 特斯拉的产品路径 特斯拉将在五方面开展自己的电池优化计划 特斯拉这次在创新层面，主要通过以下的不同层次来展开的，独特的电芯设计、自研的电芯生产工艺、基于硅负极材料、基于高镍的正极材料和电芯车辆集成化设计等方面，来实现多环节的综合创新，从而实现能量密度大幅提升、续航里程大幅提升、单位成本及投资额大幅下降。
图2 特斯拉的五个创新点 从特斯拉公布的路径来看，一方面特斯拉有信心将续航里程提升54%（电芯设计、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献提升16%、20%、4%、14%）；单位成本下降56%（电芯设计、电芯工厂、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献下降14%、18%、5%、12%、7%），也就是预期电芯的成本可以从2021年的100美金/kWh下降到2025年56美金/kWh；而单位投资额下降69%，这代表特斯拉可以大幅提高自己的产线能力，自己制造更多的电芯（五项措施带来的贡献下降7%、34%、4%、16%、8%）。
图3 特斯拉需求的成本 在这个具体措施里面，比较能落地和现实的地方在于—— 1）46800大圆柱电池 从18650到21700再到46800，特斯拉的优选路径还是圆柱电芯，这次直径46mm、高度80mm，容量可提升5倍，续航提升16%，成本下降14%。这里最大的挑战是快充速度，由于体积变大，电芯内部的热量在超级快充散热问题很难解决，所以这里通过创新无极耳设计，降低电流距离实现内阻下降。这种电芯的发展路径，最主要是基于特斯拉在圆柱模组设计和制造方面的雄厚积累。
图4 特斯拉的大圆柱电芯技术 2）电芯整合技术 和电芯技术相匹配的是特斯拉这一次采用了电池系统集成的方式，在原有的设计里面，特斯拉是把电池分为4个模组，而这一次电动皮卡对于电池能量需求实在太大，所以这里把电芯直接放在底盘上，下面采用铝板做防撞结构，这种设计大大提高了电芯集成的效率（电芯集成至底盘，重量减少10%，续航提升14%，成本下降7%。）
图5 特斯拉的电芯集成新技术 其他有关于电芯制造、正极和负极方面，由于需要很长的时间才能完成，特斯拉这次介绍得比较简单，这里主要包括—— 1）电芯制造技术：干电极技术，传统电极制备采用湿法工艺，而特斯拉通过干电极技术将混合材料压成膜，涂在极片上，实现10倍操作工序简化。在电芯组装线环节工艺优化：连续生产，一条组装线实现20GWh产能，单线产出增加7倍。还有化成分容环节工艺优化和正极生产环节工艺优化，这些生产技术光靠一页介绍材料，真的无法做判断，可能搞不好又会出现另一个电芯生产“地狱”。 2）负极材料：特斯拉在电芯材料负极技术上是围绕硅负极来做的，使用高弹性材料抑制硅膨胀。重新进行硅负极设计，在硅表面用覆膜材料，通过涂层材料方式，1kWh成本只需要1美元，提升20%续航里程，成本贡献下降5%。 3）正极材料：特斯拉采用的是高镍材料，通过使用更高镍材料，实现高能量密度、高续航，最终实现15%的成本下降。 需要注意的是，在这方面的探索，中日韩三个做锂电较早的国家，是遇到了很大的挑战的，很多工作并不是一蹴而就的，在这三个方向上，特斯拉做的事情更多的是从实验室到中试，这里列举的很多的数据都还基于纸面。电芯垂直整合需要大量的制造工艺人员，那么美国制造的电芯靠不靠谱，目前来说没有底。 小结：今年特斯拉电池日延迟了几个月，总体来说让我们看到了特斯拉直面锂电池瓶颈的勇气，也给出了自己的解决方案，想要打破天花板，目前全世界所有汽车企业和电池企业都在努力，特斯拉作为那个进行垂直整合的代表也给了我们不少的启示。 图｜网络及相关截图 作者简介：朱玉龙，资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师，著有《汽车电子硬件设计》。 |
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