電子發(fā)燒友報(bào)道(文/周凱揚(yáng))在剛剛結(jié)束的電池日暨投資者大會(huì)上,特斯拉公布了自己在汽車電池上所做出的革新,并對(duì)特斯拉的成果和未來作了簡(jiǎn)要的總結(jié),同時(shí)開啟了高性能車型Model S Plaid的預(yù)定,這款新車型預(yù)計(jì)將于2021年年末交付。
特斯拉去年在上海建成了一家超級(jí)工廠,特斯拉中國也是國內(nèi)首家新能源汽車外商獨(dú)資企業(yè),主要用于生產(chǎn)Model Y車型的二期超級(jí)工廠也于今年年初開始搭建。除了上海和美國本土的超級(jí)工廠計(jì)劃外,特斯拉還打算在柏林開設(shè)新的超級(jí)工廠。
特斯拉近三年盈利情況 / 特斯拉
在銷售上,特斯拉也在近四個(gè)季度連續(xù)盈利,盡管受到了一定疫情影響,特斯拉還是在今年Q2季度實(shí)現(xiàn)了3.27億美元的營收,在過去一年內(nèi)的全球汽車交付量的增長(zhǎng)上更是遠(yuǎn)超其他公司。
業(yè)界近一年來的交付量增長(zhǎng) / 特斯拉
本次會(huì)議上,Elon Musk提到隨著自動(dòng)駕駛的要求不斷提高,特斯拉目前的自動(dòng)駕駛發(fā)展出現(xiàn)了瓶頸。于是特斯拉開發(fā)團(tuán)隊(duì)重寫了整個(gè)自動(dòng)駕駛功能的軟件棧,采用全新的3D視頻標(biāo)注系統(tǒng),與之前的單張2D圖像標(biāo)注存在很大差異。Musk補(bǔ)充道,該系統(tǒng)將會(huì)標(biāo)注一整段視頻,同時(shí)調(diào)用車身上的八個(gè)攝像頭,大幅提高車輛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和整體邏輯。新版的自動(dòng)駕駛軟件將于一個(gè)月左右后開始封閉測(cè)試,未來將推送給廣大車主。
然而,本次會(huì)議的重頭戲還是特斯拉在新能源汽車電池上所做的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的汽車電源面臨著兩大挑戰(zhàn):1.受制于材料、生產(chǎn)和人力成本的限制,電源工廠難以迅速擴(kuò)大規(guī)模;2.降低電池成本($/kWh)困難。特斯拉高級(jí)副總裁Andrew Baglino表示,借助全新的電池方案,車輛續(xù)航里程將提高54%,電池成本降低56%,工廠投資成本降低69%。那么要如何實(shí)現(xiàn)這般可觀的提升呢?特斯拉給出了5個(gè)辦法。
全新的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(續(xù)航提升16%,成本降低14%)
傳統(tǒng)圓柱鋰電池設(shè)計(jì) / 特斯拉
從2008年的18650電池到2017年的21700電池,電池能量提升了50%。特斯拉在本次大會(huì)上公布了46mm x 80mm 規(guī)格的圓柱鋰電池。傳統(tǒng)圓柱鋰電池內(nèi)部一般由極耳(tab)和極柱(jellyroll)組成,而特斯拉的全新電池結(jié)構(gòu)采用了tabless的無極耳設(shè)計(jì)。這是因?yàn)榇篌w積的鋰電池面臨著充電時(shí)間長(zhǎng)的挑戰(zhàn),而特斯拉的無極耳設(shè)計(jì)可以在保證大外徑的情況下,做到穩(wěn)定的充電時(shí)長(zhǎng)。
無極耳鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖 / 特斯拉
新結(jié)構(gòu)可以做到更簡(jiǎn)單的生產(chǎn)流程、更少的零件數(shù)和更短的路徑,單節(jié)鋰電池實(shí)現(xiàn)5倍的能量,6倍的功率,進(jìn)而提高16%的續(xù)航里程數(shù),這還只是結(jié)構(gòu)上帶來的提升。大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)旁的費(fèi)利蒙工廠已經(jīng)在加速生產(chǎn)新型電池,未來的德國柏林工廠也將投入該電池的生產(chǎn),但目前該電池工藝仍處于試驗(yàn)生產(chǎn)階段。
電池工廠改良(成本降低18%)
電池的工序流程 / 特斯拉
一節(jié)圓柱鋰電池的工序基本分為四步,從電極成型到卷繞,再到裝配和化成。而特斯拉打算在工廠自動(dòng)化和高速化上更進(jìn)一步,所以做出了一些改良。首先是電極涂層的制作工藝,與目前常用的“濕法”工藝相比,特斯拉的“干法”工藝可以減少90%的生產(chǎn)空間和能耗成本,直接將混合后的粉末壓制成薄膜,省掉溶劑回收的步驟,略去體積龐大的干燥爐。
“干法”涂層工藝 / 特斯拉
特斯拉也對(duì)裝配線和化成進(jìn)行了改良。利用全新的儀器實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)運(yùn)作的裝配線后,一條裝配線可以做到20GWh的產(chǎn)能輸出,這是過去的7倍。傳統(tǒng)電池工廠中,化成往往占據(jù)了1/4的投資成本,但對(duì)電池的充放電驗(yàn)證過程仍是單獨(dú)進(jìn)行的,而特斯拉打造的全新化成設(shè)備可以同時(shí)對(duì)上千電池進(jìn)行充放電,降低了86%的成本投入,減少了75%的空間占用。這對(duì)特斯拉從150GWh的Giga工廠進(jìn)化至1TWh的Tera工廠提供了相當(dāng)大的助力,特斯拉也計(jì)劃在2020實(shí)現(xiàn)100GWh的產(chǎn)能,在2030年實(shí)現(xiàn)3TWh的產(chǎn)能。
陽極材料(續(xù)航提升20%,成本降低5%)
硅材料處理 / 特斯拉
鑒于硅材料的低成本,以及與鋰和石墨相比高出9倍的產(chǎn)量,特斯拉決定采用它作為陽極材料。但現(xiàn)有的硅技術(shù)都要求高度工程化的昂貴材料,比如氧化硅(6.6$/KWh)、石墨-硅(10.2$/KWh)和硅納米線(>100$/KWh)等。而特斯拉則利用原始的硅材料,通過彈性導(dǎo)電的聚合物涂層來制作陽極材料。僅這項(xiàng)改動(dòng)可再度提升20%的里程數(shù),同時(shí)做到極低的材料成本(1.2$/KWh)。
負(fù)極材料(續(xù)航提升4%,成本降低12%)
特斯拉在描述負(fù)極材料時(shí)用了一個(gè)生動(dòng)的比喻,如果說鎳、鈷、錳和鋁等混合金屬是書架的話,那么鋰離子就是其中的書,而這個(gè)書架的容量和穩(wěn)定性就是負(fù)極材料所需要考慮的因素。但對(duì)廠商和顧客來說,材料成本同樣至關(guān)重要。如下圖所示,從能量密度和成本上來看,鎳是最為合適的負(fù)極材料,這也是特斯拉所設(shè)定的改良路線。
常用負(fù)極金屬材料的能量密度和成本對(duì)比 / 特斯拉
特斯拉在新的電池負(fù)極材料中完全剔除了鈷,將鎳的占比最大化,并采用了新型涂層和摻雜劑,使得負(fù)極材料的成本降低了15%。但特斯拉也將針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來定義負(fù)極材料的組成,鐵作為中端應(yīng)用,鎳錳合金作為中高端應(yīng)用,高鎳占比的負(fù)極材料用于Cybertruck和Semi等長(zhǎng)里程應(yīng)用。這其中還運(yùn)用了優(yōu)化后的負(fù)極材料制造工序,通過減少原材料處理和多數(shù)制造步驟,特斯拉成功將成本降低66%,制造費(fèi)用降低76%,同時(shí)實(shí)現(xiàn)零廢水。而面對(duì)鋰的高需求量,特斯拉也已在內(nèi)華達(dá)中選址建立電池工廠,充分利用當(dāng)?shù)氐匿囐Y源。
電池與車輛集成(續(xù)航提升14%,成本減少7%)
特斯拉為了改善鑄件工藝,在費(fèi)利蒙市工廠建造了超大型鑄造機(jī)器,在Model Y這款車型的生產(chǎn)上中,后底板成本節(jié)約了40%,每輛車減少了79個(gè)零件。
車身+電池結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) / 特斯拉
在航天飛機(jī)中的動(dòng)力系統(tǒng)中所做出的突破就是將燃料箱做成翼狀,從而將燃料也作為一個(gè)結(jié)構(gòu)整體,而不單單只是貨物。特斯拉也采用了同樣的思路,通過車身+電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程化改造,結(jié)構(gòu)化的電池不僅提升了電池密度,更是可以做到重量減少10%,零件數(shù)減少370件,同時(shí)提供了14%的續(xù)航提升空間。
小結(jié)
綜上所述,不難看出特斯拉在電池方向上的戰(zhàn)略就是低成本、高續(xù)航和可持續(xù)。通過一系列降低成本的舉措,Elon Musk稱特斯拉有信心在三年內(nèi)推出25000美元價(jià)位的新能源純電動(dòng)車。
業(yè)界與特斯拉的電池成本預(yù)測(cè)曲線 / 特斯拉
這套全新的電池方案雖然優(yōu)勢(shì)滿滿,但目前仍在試驗(yàn)試產(chǎn)階段,特斯拉高級(jí)副總裁Andrew Baglino認(rèn)為充分利用這些優(yōu)勢(shì)大概需要三年時(shí)間。盡管特斯拉開始加大自研自產(chǎn)的汽車電池比例,但這對(duì)寧德時(shí)代等電池供應(yīng)商來說也是一個(gè)機(jī)會(huì)。Elon Musk于電池日前一天在推特上提到,為了使電池供應(yīng)速度達(dá)到最快,特斯拉會(huì)加大從松下、LG和寧德時(shí)代等電池供應(yīng)商的購買量,但仍預(yù)見2022及之后會(huì)出現(xiàn)電池缺貨的情況,所以他們才打算自己投入電池的生產(chǎn)。從這些年汽車行業(yè)的發(fā)展來看,特斯拉也許不會(huì)一直保持性能、續(xù)航和自動(dòng)駕駛等參數(shù)上的霸主地位,但它一直都充當(dāng)著行業(yè)推動(dòng)者的角色,此番在汽車電池技術(shù)上的突破,勢(shì)必會(huì)加速新能源汽車的價(jià)格下調(diào)。
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