要把電池成本降到比汽油低!特斯拉秘密專案透露:將親自殺進、並顛覆電池製造領域

2020.03.05 by
36氪
36氪 查看更多文章

36氪是中國領先的科技新媒體,報導最新的互聯網科技新聞以及最有潛力的互聯網創業企業。

要把電池成本降到比汽油低!特斯拉秘密專案透露:將親自殺進、並顛覆電池製造領域
路透社
據報導特斯拉的目標是將動力電池成本降到3,000元,價格比美國汽油成本還低,而特斯拉會如何實現這一壯舉呢?

特斯拉取代汽油車的美夢,可能已經近在咫尺了。

2月27日,特斯拉內部出現了一個名為Roadrunner的秘密專案,旨在以「製造機器的機器」(自己生產製造裝置)策略大規模生產更便宜的電池。這一專案集特斯拉近年來電池研究之大成。據電動車媒體electrek報導,其目標是將動力電池成本降到100美元(約新台幣3,000元)/kWh,低於美國汽油成本。

特斯拉內部的Roadrunner專案,旨在大規模生產便宜的動力電池。
路透社

延伸閱讀:特斯拉系統領先Toyota、福斯6年!日媒拆解後,工程師:這我們做不到

「如果與批量生產相結合,這是電動汽車普及的聖杯。」美國媒體這樣寫到。有特斯拉電池製造工程師興奮地說:「快來加入我們,重塑鋰離子電池製造技術!」

而特斯拉如何實現這一壯舉,將在4月20日的電池日上宣布。「無鈷,不代表一定是磷酸鐵鋰。」特斯拉早先曾透露。有理由認為,這是一種採用高鎳陰極+含矽陽極+乾電池電極製備+超級電容動力回收的電池方案。

在2月3日,特斯拉則宣布與動力電池龍頭寧德時代合作,在中國產Model 3上使用便宜的磷酸鐵鋰電池。這為殺進退補後的中國市場打開了大門。

特斯拉的發展歷程,幾乎是在製造技術和電池技術上兩條腿走路:從開創性地使用18650鈷酸鋰電池,到另闢蹊徑青睞NCA三元鋰電池,為求降價使用磷酸鐵鋰電池,又探索高鎳無鈷的電池技術。

把四驅車電池裝進跑車

1980年,古迪納夫發明了鈷酸鋰(LixCoO2)作為陰極的鋰離子電池。這款電池發明後,不為工業界所認可,直到日本索尼主動伸出橄欖枝。1991年,索尼推出第一塊商用鋰離子電池18650。

18650指的是電池規格:直徑18mm,長65mm,0則代表圓柱形。而鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、NCA三元電池等叫法,都指的是陰極材料。

要理解它的開創性,首先要說一下電池的原理。在電池陽極,鋰失去電子,轉變成更高價的鋰離子,然後穿過隔膜,向陰極轉移。雖然鋰離子能穿過電解質和隔膜,電子卻不行,只能從外部的電路跑到陰極,並在外部做功。這就是電池的放電過程。

鈷酸鋰電池原理
36氪

而鋰的優越性在於它能提供更多的電子。由於只有原子外層電子能轉移,參與做功,原子量越小就意味著能量密度越大。而鋰作為3號元素,在自然界由兩種同位素組成,相對原子量只有6.9。此外,鋰離子的半徑小,更容易在電解液中移動,使得充放電更加快速和高效。

18650鈷酸鋰電池發明後,很快因小巧和高能量密度,被應用在電子產品上。但它還有一個缺陷:鈷酸鋰在電壓高於4.6V時會發生相變,導致鋰離子擴散變慢,陰極材料出現應力,晶體結構崩塌。

為此,1997年,古迪納夫又發明了磷酸鐵鋰電池,就是如今特斯拉與寧德時代合作生產的電池。這種電池更穩定,也不會在高電壓下發熱,不含有昂貴的鈷。但它能量密度更小、功率更低。採用這種電池其實是一種為成本退而求其次的做法。

幾種主要鋰離子電池,除鋰以外的金屬成分及用途
36氪

2003年秋天,伊隆·馬斯克誕生了一個瘋狂的想法:把10000節18650鈷酸鋰電池串聯起來,為一輛電動車供電。他遇到了電池專家,瘋狂崇拜馬斯克的JB斯特勞貝爾。在他們設想裡,這是一項預算2,500萬美元(約新台幣7億元)的簡單專案:只要幾個工程師,改裝下汽油車就行。

2005年,第一輛特斯拉Roadster原型車上路了。但他們很快遇到第一個阻礙。

2007年美國獨立日,正沉湎於節日的特斯拉工程師為了狂歡,將20塊綁在一起的電池點燃。這些電池像火箭一樣飛了出去。特斯拉員工冒出一身冷汗:Roadster是為富人打造的,如果有一位富豪坐在這輛車裡葬身火海,會發生什麼?

他們必須找到一種全新的技術,控制電池的電壓電流並更好地散熱。

這時,特斯拉創辦人之一的馬克·塔彭寧派上了用場。他將管理網絡伺服器的方法用在控制特斯拉電池上,開發出一套分層管理的方案:69個18650電池被並聯封裝成一個電池磚;9個電池磚串聯成一個電池片;11個電池片組成一個電池包,總計6,831節。

由單個單芯(Cell)組成電池模組(Module),再組成電池包(Pack),維修時可以方便地替換一部分。這三個層級也都有獨立的電池監控系統,並設有保險絲,一旦電流過大或者電池過熱就熔斷,斷開電力。

這套電池控制系統成為特斯拉的核心資產,據傳剛推出時造價超過20,000美金(約新台幣60萬元),遭到業內人士唱衰。但伴隨其他電動車雪佛蘭Volt、Fisker Karma相繼發生起火事故,特斯拉Roadster卻證明了自己的安全性,逐漸為消費者接受。據Relecura統計,特斯拉的大部分專利都與Battery(電池)、Charging(充電)和Electric Motor(電機)有關。

特斯拉專利的分佈統計
36氪

在2007年,特斯拉公開了Roadster電池系統的技術細節,解釋了為何青睞18650:它足夠小,因此發生故障的影響要小於大尺寸電池單元。它的表面積/體積也足夠大,能保障很好的散熱。最重要的是,它在消費市場廣為應用,使得能量密度和功率上升的同時,成本卻在下降。

在嘗試了500多家供應商後,特斯拉最終在Roadster上選擇了松下,生產18650鈷酸鋰電池。當時的電池成本在600-800美元(約新台幣1.7萬-2.3萬元)/kWh,大約是美國汽油的3-4倍。這對富人開的Roadster尚不是瓶頸,但對普及電動車仍過於昂貴。按照美國環保署數據,Roadster的NEDC續航里程為393公里,要搶占汽油車市場也仍需繼續提高。

尋找更低價電池

在生產Model S時,特斯拉將目光投向了三元鋰電池。這種電池在動力電池領域通常有兩種:NCA811(鎳鈷鋁鋰電池)或NCM811(鎳鈷錳鋰電池),811代表三種材料的比例。特斯拉使用的是前者。

三元鋰電池的好處在於,它的陰極由三種材料構成,能達到比單一材料更高的能量密度。以NCA811電池來說,能量密度能達到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650鈷酸鋰電池能量密度為211Wh/kg。

由於鋰電池的陽極石墨的鋰離子容量遠超陰極,因此提升能量密度主要在陰極下功夫。在三元鋰電池裡,提升鈷和鎳的比例,都能提高熱穩定性和能量密度。這也是全球改進電池的主要方法。據Visual Capitalist統計,在2020年全球約75%的電池都含有一定量的鈷。

但鈷的問題在於,它太貴了。鎳在全球分佈廣泛,地殼含量僅次於氧矽鋁鐵鎂。而鈷的全球60%產量都來自剛果,這一地區深陷武裝衝突、僱傭童工等問題,供給增速遠低於需求增速。在2015年前的二十年裡,鈷的價格已經飆升6倍,從2萬美元(約新台幣60萬元)/噸翻到12萬美元(約新台幣360萬元)/噸。

鈷的價格隨年份飆升
36氪

在NCA電池裡,鈷含量5%(NCM則為10%)。這使得Model S能繼續降低電池成本,大約為240美元(約新台幣7181元)/kWh。

當然,NCA電池的陰極比NCM更不穩定,在250-300攝氏度便會分解;而電動車受到撞擊時,電池隔膜破裂造成短路,很容易能讓電池溫度超過300攝氏度。這對特斯拉的電池管理和散熱提出了更高考驗。但在佔全車成本40%的電池面前,價格才是首要問題。

與中國的寧德時代一樣,松下乘上了特斯拉快車,產能也一路高歌猛進。2013年10月,松下與特斯拉簽訂協議,將為Model S在未來四年供應18億顆電芯。2014年9月,雙方宣布將在美國內華達州建設鋰離子電池工廠Gigafactory 1。

36氪

松下執行副總裁山田佳彥曾表示,「今天的電池產能是以前的三倍,為什麼?這是特斯拉和松下員工一起工作的結果。」松下的客戶結構極為單一,主要客戶是特斯拉,其次是豐田,用山田佳彥的話說,雙方關係是「密切而獨特的」。

然而松下的產能逐漸開始拖累特斯拉。2019年4月13日,馬斯克發推文表示「超級工廠的電芯產能只有24GWh,從7月份開始一直限制Model 3的產能,在產能到達35GWh之前,特斯拉不會再投錢進去。 」

對比鮮明的是,松下為了跟上Model 3的量產步伐,一直在投入Gigafactory 1,在2018年底發布的半年報顯示,電池業務已經出現兩個季度的虧損。2019年,日經又傳出雙方計劃在2020年提升工廠產能從35GWh到54GWh的計劃泡湯。

2019年8月,有媒體發現特斯拉打算與LG化學合作,採購更多電池用於在中國投產的電動車。2019年12月,中國工信部發布《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》,顯示國產Model 3有兩種型號電池,分別使用松下和LG化學的電芯,NEDC續航里程(接近實際路況)分別為445公里和455公里,能量密度分別為145Wh/kg和153Wh/kg。

而在此前9月,松下社長津賀一宏剛向媒體吐過苦水:「伊隆多次要求降低採購價格,有一次我回應他, 如果再這樣下去,我們要考慮撤走超級工廠的全部松下員工和裝置。 」被問及是否後悔投資特斯拉超級工廠,他回答道「是的,當然」。

松下社長津賀一宏曾公開表示後悔投資特斯拉超級工廠。
Tesla

延伸閱讀:特斯拉員工手冊曝光:蠢蛋、混蛋,請離開

特斯拉的移情別戀還未結束。2020年2月3日,寧德時代,作為中國動力電池裝機量50%以上的龍頭,宣布將向特斯拉提供鋰離子電池。這是一種磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池,雖然無鈷但能量密度較低,依靠CTP(Cell to Pack,指電芯直接整合進電池包)技術才能達到160Wh/kg能量密度,並且在低溫表現也遜於NCA。

但它的好處是便宜,據中國化學與物理電源行業協會數據,磷酸鐵鋰電池價格能降低到0.7元(約新台幣2.8元)/Wh以下,而三元鋰電池通常在0.9元(約新台幣3.6元)/Wh。據東方證券分析師表示,以50kWh車型為例,從三元鋰電池改用磷酸鐵鋰電池,補貼雖減少約2,000元(約新台幣8,600元),但電池成本可降低1.2萬元(約新台幣5.1萬元)。

值得注意的是,人們常說的「無鈷電池」是指在三元鋰電池中降低鈷用量,而非使用能量密度更低的磷酸鐵鋰電池。在中國產Model 3上使用磷酸鐵鋰電池,可能是特斯拉為降低售價所採用的權宜之計。

要做「自己命運的主人」

2月21日,特斯拉在官方帳號上表示:「無鈷,不代表一定是磷酸鐵鋰。」並表示在四月將舉行電池發布會。特斯拉很可能將宣布自己的無鈷電池進展。

據平安證券預計,特斯拉有望採用高鎳正極+矽碳負極(摻鋰)+乾電極+超級電容的技術組合。

這種判斷十分符合行業認知。高鎳正極能提高能量密度,但會降低熱穩定性,而乾電極能解決這一問題。摻矽的負極能提高鋰離子容量,保證負極不成為瓶頸。超級電容則能回收車輛啟停浪費的能源。

在過去幾年裡,特斯拉已經為這一刻做好了準備:

  • 2019年收購超級電容生產商Maxwell,其核心技術是超級電容器和乾電極。

其中,超級電容器可以回收電動車加速、減速、啟停浪費的能源,與作為主動力的鋰電池搭配使用。(如果類比數據儲存,鋰電池相當於硬碟,超級電容器相當於ram。)在2017年Maxwell已經申請了混合動力平台的超級電容+鋰電池的方案專利。

乾電極技術是指,在製作電極時直接將粘合劑和正極粉末混合,擠壓成電極材料片,然後壓到金屬箔上。它能克服三元鋰電池的高鎳電極熱穩定性差等問題,使電池能量密度能大於300Wh/kg,並有實現500Wh/kg的可行路徑。

36氪
  • 2019年收購鋰電池裝置製造商Hibar。這是電池製造裝置領域首屈一指的公司,以精密計量泵、注液系統及電池製造系統而聞名。

  • 2020年,據Electrek報導,特斯拉正在美國弗里蒙特建造一條電池生產線試點,計劃用自己的裝置來生產電池。此前2019年6月,特斯拉在弗里蒙特的名為「Skunkworks Lab」的電池設計和生產實驗室曝光。

  • 2020年,有分析者猜測特斯拉收購了SilLion。這家公司為商用圓柱形電池研發矽陽極、高鎳NCM陰極和不易燃的離子電解質。這是為數不多能提高陽極性能的專利。相比石墨陽極每6個碳原子儲存1個鋰離子,矽陽極每個矽原子能儲存4.4個鋰離子。

值得一提的是,特斯拉可能在自研電池上探索NCM路線。2016年特斯拉從3M挖來電池研究夥伴Jeff Dahn,對方正是NCM電池專家,曾在2017年演示過一項技術:提高NCM電池的某種成分,能讓電池在車輛行駛48萬公里後仍有出廠容量的95%。2019年9月,他在論文中描述了一種電池,能在電動汽車上使用超過160萬公里。特斯拉最近收購的SilLion,專利也在NCM領域。最近國產Model 3更是用上了LG化學的NCM電池。

在2019年股東大會上,特斯拉元老JB斯特勞貝爾(曾擔任特斯拉電池專家和CTO)說過:「我們需要大規模的電池生產解決方案。」特斯拉技術副總裁德魯·巴格利諾則補充說:「希望特斯拉能在電池領域成為自己命運的主人(master of their own destiny)」。可以想見,特斯拉親自殺進動力電池領域已經不遙遠了。

責任編輯:林芳如、蕭閔云

本文授權轉載自:36氪

延伸閱讀

每日精選科技圈重要消息