特斯拉創(chuàng)新低成本電池，行業(yè)轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車（BEV）將早于預(yù)期

電動(dòng)汽車最大的障礙是電動(dòng)汽車電池的成本。在向BEV過渡之前，制造和擁有一輛BEV的成本必須與ICE車輛相當(dāng)或更低，目標(biāo)成本為100美元／kWh或更低。事實(shí)上，現(xiàn)在我們已經(jīng)超過了100美元／千瓦時(shí)的目標(biāo)，我們可以期待看到BEV的加速采用和一個(gè)永遠(yuǎn)改變的行業(yè)

Paul Eichenberg戰(zhàn)略咨詢公司總經(jīng)理Paul Eichenberg最近表示：“新的低成本電池的推出意味著，汽車行業(yè)已經(jīng)達(dá)到了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車（BEV）將早于預(yù)期?！?/p>

的確，由于每千瓦時(shí)（kWh）的高成本，此前BEV很難與內(nèi)燃機(jī)（ICE）車的低成本結(jié)構(gòu)競爭。不過，隨著意想不到的技術(shù)突破推動(dòng)鋰離子電池的成本下降，與ICE相比，BEV越來越成為一種更經(jīng)濟(jì)的選擇。有了像特斯拉這些新的低成本電池，整個(gè)行業(yè)可能比預(yù)期更早達(dá)到轉(zhuǎn)向BEV的臨界點(diǎn)，很快我們就可能看到電池驅(qū)動(dòng)汽車的更大規(guī)模采用。

四年修成正果，五個(gè)方面改進(jìn)

在過去四年里，特斯拉一直在秘密開發(fā)代號為“Roadrunner”的“4680”電池，打算將其年產(chǎn)量約為150GW的“Gigafactory”轉(zhuǎn)型為“Terafactory”。此舉將使特斯拉的年電池產(chǎn)量增加到1太瓦，每家工廠的電池產(chǎn)量將增加7倍。

新電池在五個(gè)關(guān)鍵方面有所改進(jìn)，可以在降低投資和制造成本的同時(shí)提高續(xù)航里程：

電芯設(shè)計(jì)

陰極材料

陽極材料

電芯到車輛的集成

簡化工廠

新電池的設(shè)計(jì)對于加速全球電池生產(chǎn)規(guī)模至關(guān)重要。這五項(xiàng)改進(jìn)將使電池續(xù)航能力提高54％，電池成本降低56％，投資成本降低69％，這將是一項(xiàng)改變行業(yè)的突破。

量產(chǎn)是降低成本的關(guān)鍵

最近有粉絲參觀了位于弗里蒙特的加藤路工廠，特斯拉4680電池生產(chǎn)似乎正在如火如荼地進(jìn)行。晚上10點(diǎn)，停車場停滿了汽車，為即將結(jié)束輪班員工的班車也已準(zhǔn)備好。這里似乎在全天候運(yùn)行。

他說：“特斯拉在以光速前進(jìn)，正在擴(kuò)大工廠規(guī)模，他們知道需要萬億瓦時(shí)來儲(chǔ)存能源和驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸工具，這是一個(gè)令人難以置信的激動(dòng)人心的時(shí)期?！?/p>

據(jù)了解，4680電池生產(chǎn)基地的計(jì)劃產(chǎn)量相當(dāng)可觀，這也暗示了特斯拉在電池技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)步。加藤路工廠試驗(yàn)性的Roadrunner電池生產(chǎn)線以每年10千兆瓦時(shí)的速度全面投產(chǎn)后，將成為世界第13大電池生產(chǎn)工廠，產(chǎn)量約為目前內(nèi)華達(dá)州Gigafactory產(chǎn)量的四分之一。該工廠仍在逐步擴(kuò)大，目前內(nèi)華達(dá)州Gigafactory的產(chǎn)量仍低于40千兆瓦，但它已經(jīng)被認(rèn)為是世界上最大的工廠。

特斯拉加藤路工廠產(chǎn)能排名

對于一座建筑面積僅為184，880平方英尺的建筑來說，加藤路工廠的未來或許令人難以置信。

電池?cái)?shù)量明顯減少

9月，“特斯拉電池日”上發(fā)布的重大消息就包括4680型高鎳、干陰極、硅陽極圓柱形電池。新電池將增加電池功率、續(xù)航里程和能量容量，同時(shí)簡化生產(chǎn)并降低整體成本。

最近，特斯拉拆解專家Sandy Munro重新構(gòu)造了他認(rèn)為的新的4680電池組模型。對于特斯拉粉絲來說，Sandy Munro并不陌生，他曾花時(shí)間拆解了Model 3轎車和最近的Model Y跨界車。

Sandy Munro承認(rèn)，這可能并不完全是特斯拉將在其未來汽車中使用的電池，但它是極為相似的副本。Model 3和Model Y之前使用特斯拉的2170（21＝寬21，70＝高，單位mm）圓柱型電池，與Model S和Model X使用的18650（18＝電池直徑，65＝長度，0＝圓柱型，單位mm）電池相比，這些電池能夠提供更好的性能。

特斯拉在Model Y車上使用了4，416個(gè)2170電池，但4680電池的數(shù)量明顯減少，因?yàn)槠鋱A柱形體積更大，比之前的電池承載更多的能量。Sandy Munro表示，新電池組只會(huì)使用960個(gè)電池，隨著續(xù)航距離、功率和能量的增加，特斯拉真正做到了一件了不起的事情，這增加了其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

“百萬英里”是讓電池壽命更長

特斯拉一直在與加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)（Dalhousie University）的Jeff Dahn等研究人員合作，開發(fā)新的、革命性的電池，這種電池將提供更長的壽命，提供更大的功率和更多的能量。

早在2019年9月，與特斯拉達(dá)成獨(dú)家協(xié)議已有幾年時(shí)間的Jeff Dahn和他的研究團(tuán)隊(duì)在《電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表了一篇論文《一種優(yōu)秀鋰離子電池化學(xué)的廣泛測試結(jié)果將用作新電池技術(shù)的基準(zhǔn)》，闡述了單晶正極材料專利的重要性。他說：“這種電池應(yīng)該能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車提供超過100萬英里的電力，并且在電網(wǎng)儲(chǔ)能中至少維持20年?！?/p>

在文章中，Jeff Dahn和他的研究團(tuán)隊(duì)提供了新電池的全部細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步的研究創(chuàng)建了一個(gè)基準(zhǔn)。他們使用了一種來自高鎳NCM正極材料，其比容量比為當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備供電的鋰離子電池正極材料高出20％。選擇的正極材料NCM523（50％鎳，20％鈷，30％錳）很穩(wěn)定，是進(jìn)一步研發(fā)的極佳參考和起點(diǎn)。其他關(guān)鍵組分的探索包括石墨負(fù)極和混合溶劑、添加劑、鹽電解質(zhì)溶液。

Jeff Dahn表示，文章所描述的電池可以立即用于電動(dòng)汽車，“然而，由于該研究的目的是為鋰離子電池技術(shù)提供可靠的基準(zhǔn)和參考，與先進(jìn)的鋰離子電池相比，所描述的電池的比能量密度并不是最高的。根據(jù)這項(xiàng)研究，鋰離子電池將很快被開發(fā)出來，使兩次充電間隔可行駛500公里（超過300英里）成為可能?！?/p>

重要的是，這些性能更高的電池將大大降低特斯拉汽車的成本，因?yàn)樗鼈兪褂玫牟牧细菀撰@得，生產(chǎn)成本更低。創(chuàng)造一個(gè)更高效、更具成本效益的電池是特斯拉汽車在成本方面與汽油車相媲美的主要策略。

在最近的一次能源儲(chǔ)存和可持續(xù)工程視頻會(huì)議上，作為特斯拉電池研究人員，Jeff Dahn透露，測試的鋰離子電池已突破了2百萬英里的障礙。過去一年沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“百萬英里”電池現(xiàn)在正朝著10，000到15，000次循環(huán)的方向發(fā)展。如果百萬英里電池的循環(huán)次數(shù)為5，000次，其團(tuán)隊(duì)所測試的鋰離子電池在電動(dòng)汽車上潛在的續(xù)航能力將達(dá)到350萬或200萬英里。

“百萬英里”電池進(jìn)展

值得注意的是，這種鋰離子電池的退化最小，所以這項(xiàng)研究的“200萬英里”電池也有可能持續(xù)更長的時(shí)間，相當(dāng)于25年的壽命。

天下大同的味道

雖然特斯拉在加班加點(diǎn)生產(chǎn)4680圓柱形電池，與其他電池技術(shù)伙伴的合作也沒有耽誤。

為特斯拉戰(zhàn)略提供動(dòng)力的新電池化學(xué)是與寧德時(shí)代（CATL）聯(lián)合開發(fā)的。CATL還計(jì)劃在2021年向特斯拉提供一種改進(jìn)的長壽命鎳錳鈷（NMC）電池；其陰極含有50％的鎳，只有20％的鈷。低鈷NMB電池組的成本約為100美元／kWh。有消息說，特斯拉和CATL聯(lián)合開發(fā)的低成本電池在化學(xué)和設(shè)計(jì)方面的許多技術(shù)都源自Jeff Dahn實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室的重要貢獻(xiàn)包括化學(xué)添加劑和更大晶體組成電池納米結(jié)構(gòu)正極材料，較大的晶體在充電時(shí)幾乎不可能破裂，而破裂會(huì)使性能下降。因此，鋰離子電池會(huì)更堅(jiān)固，更能抵抗快速充電等壓力造成的損傷，從而延長其壽命。

專家猜測，CATL也是許多電池突破的中心，其中包括：

無鈷磷酸鐵鋰電池的發(fā)明，消除了BEV電池組中最昂貴的金屬，可以使價(jià)格降至80美元／千瓦時(shí)以下，電池組的成本降至60美元／千瓦時(shí)以下。

無模組（CTP，Cell to Pack）包裝流程，取消了封裝電池的中間步驟，簡化了流程并降低了成本。預(yù)計(jì)特斯拉將采用新的CTP工藝，以降低電池重量，特別是其在華車輛的成本。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，由CATL和其他公司推動(dòng)的成本節(jié)約技術(shù)是游戲規(guī)則的改變者，有助于加快BEV時(shí)代的到來。

除了CATL，據(jù)Jeff Dahn研究小組透露，他們測試使用的鋰離子電池是中國的Li－FUN Technology（立方新能源）提供的鎳鈷錳三元材料NMC532軟包電池。NMC532軟包電池也是干電池，不使用電解質(zhì)。

有趣的是，特斯拉的下一代4680電池還采用了從Maxwell收購的創(chuàng)新專利“干電極”工藝技術(shù)，替代了之前的濕法工藝。這同樣有助于在降低電池成本的同時(shí)提高能量密度和續(xù)航里程。

專家指出，如果這些信息得以證明，那么特斯拉的下一代電池可能真的比當(dāng)今市場上使用的任何一種電池都要好。Jeff Dahn指出：因?yàn)椤疤厮估碾姵貞?zhàn)略是合理的?！?/p>

用4680電池打贏對手

伴隨特斯拉推出新款4680電池，埃隆·馬斯克的計(jì)劃浮出水面——開始生產(chǎn)一種更實(shí)惠的電池，最終生產(chǎn)出更實(shí)惠的汽車。特斯拉計(jì)劃通過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率和材料采購，大幅降低電池制造成本，并將每千瓦時(shí)的成本降低56％。

特斯拉在設(shè)計(jì)自己的電池和電池組方面最大的優(yōu)勢之一是，它可以顯著降低成本，同時(shí)還可以提高解決問題的能力。從一開始使用電池的策略之一就是對每個(gè)電池進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，這樣一旦出現(xiàn)問題，就可以更容易地追蹤和更換電池。

埃隆·馬斯克在今年早些時(shí)候接受采訪時(shí)說，新的4680圓柱形電池已經(jīng)使用了幾個(gè)月。然而，并不是所有車輛都使用新電池，因?yàn)樘厮估犹俾冯姵厣a(chǎn)設(shè)施還沒有足夠的產(chǎn)量。不過，產(chǎn)量的增加最終將幫助特斯拉全面使用4680電池，這將實(shí)現(xiàn)更高的里程額定值和更高的性能規(guī)格，使特斯拉的電動(dòng)汽車更優(yōu)于其競爭對手。

最近，LG Chem表示，它研發(fā)的新電池規(guī)格與4680完全吻合，而且打算2023年將圓柱狀電池產(chǎn)量從20GWh增至60GWh，這表明，面對需求極大的4680電池組，特斯拉不太可能一口吞下。

特斯拉估計(jì)，2022年需要100GWh的4680電池組，足夠130萬輛電動(dòng)汽車使用，但是要在這么短的時(shí)間內(nèi)大舉提高產(chǎn)量幾乎不可能辦到。作為全球電動(dòng)汽車電池一哥，LG Chem的年產(chǎn)量為100GWh，特斯拉還會(huì)把部分新電池訂單交給LG Chem。就在近日，LG Chem宣布已將其中國電池產(chǎn)能提高一倍，為國產(chǎn)Model Y提供電池。

這樣“換電”

Teslarati最近報(bào)道了一輛Model S更換電池的過程，展示了當(dāng)電池出現(xiàn)故障時(shí)如何修復(fù)電池組。不過，這樣的換電并不是整個(gè)電池組，而是個(gè)別電池。

Model S車主買的二手車無法行駛，沒有通過特斯拉服務(wù)中心以2萬美元價(jià)格更換電池，而是找到了Gruber Motors的技術(shù)人員，在7000多個(gè)電池中發(fā)現(xiàn)了失效的電池，簡單測一下電壓，進(jìn)行了簡單的維修，以低廉的價(jià)格讓汽車重新啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)起來。他只花了5000美元（也不少）。

Gruber Motors的CEO Pete Gruber說：“特斯拉和其他車輛一樣，需要進(jìn)行例行維護(hù)，以保持其動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。不幸的是，雖然電動(dòng)汽車的維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于燃油車，但仍然會(huì)遇到一些問題，比如電池故障。這是一個(gè)常見的問題，只是因?yàn)殡姵卦谑褂眠^程中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)到了使用壽命的盡頭?！?/p>

Pete Gruber補(bǔ)充說：“這種電池設(shè)計(jì)允許更換一個(gè)電池，而不是由幾個(gè)中型電池組成的整個(gè)電池組，甚至是一個(gè)大電池組。”

事實(shí)上，正如埃隆·馬斯克所說：“用這么多小電池的好處是，我們可以分離出每個(gè)電池。因此，即使電池發(fā)生故障，比如著火或其他任何情況，它也是隔離的?！?/p>

對手進(jìn)展有點(diǎn)慢

通用汽車（GM）也有自己的電池戰(zhàn)略，包括與科技巨頭LG Chem的跨行業(yè)合作——在俄亥俄州一家價(jià)值23億美元的工廠生產(chǎn)低鈷電池。他們計(jì)劃減少每節(jié)電池中最昂貴的金屬鈷含量，以使每節(jié)400英里里程的電池成本低于100美元。

與特斯拉的4860圓柱形電池不同，Ultium是一種軟包設(shè)計(jì)，各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。通用汽車Ultium電池最顯著的優(yōu)勢是它的多功能性。該軟包設(shè)計(jì)提供模塊化，使其兼容更廣泛的車輛，每一個(gè)不同的使用情況。不過，生產(chǎn)這種電池的工廠還在建設(shè)中。

超越最大障礙

電動(dòng)汽車最大的障礙是電動(dòng)汽車電池的成本。在向BEV過渡之前，制造和擁有一輛BEV的成本必須與ICE車輛相當(dāng)或更低，目標(biāo)成本為100美元／kWh或更低。許多專家預(yù)測到2030年還達(dá)不到這個(gè)目標(biāo)。

事實(shí)上，過去五年里，每千瓦時(shí)的成本已從350美元降到了60美元。現(xiàn)在我們已經(jīng)超過了100美元／千瓦時(shí)的目標(biāo)，我們可以期待看到BEV的加速采用和一個(gè)永遠(yuǎn)改變的行業(yè)。

責(zé)任編輯：xj