成也电池败也电池,特斯拉终于忍不住了

 2020-02-28
  
改进电池20年,特斯拉终于摸到了汽油车的成本线。

特斯拉取代汽油车的美梦,可能已经近在咫尺了。

2月27日,特斯拉内部出现了一个名为Roadrunner的秘密项目,旨在以“制造机器的机器”(自己生产制造设备)策略大规模生产更便宜的电池。这一项目集特斯拉近年来电池研究之大成。据电动车媒体electrek报道,其目标是将动力电池成本降到100美元/kWh,低于美国汽油成本。

“如果与批量生产相结合,这是电动汽车普及的‘圣杯’。”美国媒体这样写到。有特斯拉电池制造工程师兴奋地说:“快来加入我们,重塑锂离子电池制造技术!”

成也电池败也电池,特斯拉终于忍不住了

而特斯拉如何实现这一壮举,将在4月20日的电池日上宣布。“无钴,不代表一定是磷酸铁锂。”特斯拉早先曾透露。有理由认为,这是一种采用高镍阴极+含硅阳极+干电池电极制备+超级电容动力回收的电池方案。

在2月3日,特斯拉则宣布与动力电池龙头宁德时代合作,在国产Model 3上使用便宜的磷酸铁锂电池。这为杀进退补后的中国市场打开了大门。

特斯拉的发展历程,几乎是在制造技术和电池技术上两条腿走路:从开创性地使用18650钴酸锂电池,到另辟蹊径青睐NCA三元锂电池,为求降价使用磷酸铁锂电池,又探索高镍无钴的电池技术。

把四驱车电池装进跑车

1980年,古迪纳夫发明了钴酸锂(LixCoO2)作为阴极的锂离子电池。这款电池发明后,不为工业界所认可,直到日本索尼主动伸出橄榄枝。1991年,索尼推出第一块商用锂离子电池18650。

18650指的是电池规格:直径18mm,长65mm,0则代表圆柱形。而钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、NCA三元电池等叫法,都指的是阴极材料。

要理解它的开创性,首先要说一下电池的原理。在电池阴极,锂失去电子,转变成更高价的锂离子,进入电解质,然后穿过隔膜,向阳极转移。虽然锂离子能穿过电解质和隔膜,电子却不行,只能从外部的电路跑到阳极,并在外部做功。这就是电池的放电过程。

钴酸锂电池原理
钴酸锂电池原理,来源:Visual Capitalist

而锂的优越性在于它能提供更多的电子。由于只有原子外层电子能转移,参与做功,原子量越小就意味着能量密度越大。而锂作为3号元素,在自然界由两种同位素组成,相对原子量只有6.9。此外,锂离子的半径小,更容易在电解液中移动,使得充放电更加快速和高效。

18650钴酸锂电池发明后,很快因小巧和高能量密度,被应用在电子产品上。但它还有一个缺陷:钴酸锂在电压高于4.6V时会发生相变,导致锂离子扩散变慢,阴极材料出现应力,晶体结构崩塌。

为此,1997年,古迪纳夫又发明了磷酸铁锂电池,就是如今特斯拉与宁德时代合作生产的电池。这种电池更稳定,也不会在高电压下发热,不含有昂贵的钴。但它能量密度更小、功率更低。采用这种电池其实是一种为成本退而求其次的做法。

几种主要锂离子电池,除锂以外的金属成分及用途
几种主要锂离子电池,除锂以外的金属成分及用途,来源:Visual Capitalist

2003年秋天,埃隆·马斯克诞生了一个疯狂的想法:把10000节18650钴酸锂电池串联起来,为一辆电动车供电。他遇到了电池专家,疯狂崇拜马斯克的J. B.斯特劳贝尔。在他们设想里,这是一项预算2500万美元的简单项目:只要几个工程师,改装下汽油车就行。

2005年,第一辆特斯拉Roadster原型车上路了。但他们很快遇到第一个阻碍。

2007年美国独立日,正沉湎于节日的特斯拉工程师为了狂欢,将20块绑在一起的电池点燃。这些电池像火箭一样飞了出去。特斯拉员工冒出一身冷汗:Roadster是为富人打造的,如果有一位富豪坐在这辆车里葬身火海,会发生什么?

他们必须找到一种全新的技术,控制电池的电压电流并更好地散热。

这时,特斯拉创始人之一的马克·塔彭宁派上了用场。他将管理网络服务器的方法用在控制特斯拉电池上,开发出一套分层管理的方案:69个18650电池被并联封装成一个电池砖;9个电池砖串联成一个电池片;11个电池片组成一个电池包,总计6831节。

由单个单芯(Cell)组成电池模组(Module),再组成电池包(Pack),维修时可以方便地替换一部分。这三个层级也都有独立的电池监控系统,并设有保险丝,一旦电流过大或者电池过热就熔断,断开电力。

这套电池控制系统成为特斯拉的核心资产,据传刚推出时造价超过20000美金,遭到业内人士唱衰。但伴随其他电动车雪佛兰Volt、Fisker Karma相继发生起火事故,特斯拉Roadster却证明了自己的安全性,逐渐为消费者接受。据Relecura统计,特斯拉的大部分专利都与Battery(电池)、Charging(充电)和Electric Motor(电机)有关。

特斯拉专利的分布统计
特斯拉专利的分布统计,来源:Relecura

在2007年,特斯拉公开了Roadster电池系统的技术细节,解释了为何青睐18650:它足够小,因此发生故障的影响要小于大尺寸电池单元。它的表面积/体积也足够大,能保障很好的散热。最重要的是,它在消费市场广为应用,使得能量密度和功率上升的同时,成本却在下降。

在尝试了500多家供应商后,特斯拉最终在Roadster上选择了松下,生产18650钴酸锂电池。当时的电池成本在600-800美元/kWh,大约是美国汽油的3-4倍。这对富人开的Roadster尚不是瓶颈,但对普及电动车仍过于昂贵。按照美国环保署数据,Roadster的NEDC续航里程为393公里,要抢占汽油车市场也仍需继续提高。

寻找更低价电池

在生产Model S时,特斯拉将目光投向了三元锂电池。这种电池在动力电池领域通常有两种:NCA811(镍钴铝锂电池)或NCM811(镍钴锰锂电池),811代表三种材料的比例。特斯拉使用的是前者。

三元锂电池的好处在于,它的阴极由三种材料构成,能达到比单一材料更高的能量密度。以NCA811电池来说,能量密度能达到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650钴酸锂电池能量密度为211Wh/kg。

由于锂电池的阳极石墨的锂离子容量远超阴极,因此提升能量密度主要在阴极下功夫。在三元锂电池里,提升钴和镍的比例,都能提高热稳定性和能量密度。这也是全球改进电池的主要方法。据Visual Capitalist统计,在2020年全球约75%的电池都含有一定量的钴。

但钴的问题在于,它太贵了。镍在全球分布广泛,地壳含量仅次于氧硅铝铁镁。而钴的全球60%产量都来自刚果,这一地区深陷武装冲突、雇佣童工等问题,供给增速远低于需求增速。在2015年前的二十年里,钴的价格已经飙升6倍,从2万美元/吨翻到12万美元/吨。

钴的价格随年份飙升
钴的价格随年份飙升

在NCA电池里,钴含量5%(NCM则为10%)。这使得Model S能继续降低电池成本,大约为240美元/kWh。

当然,NCA电池的阴极比NCM更不稳定,在250-300摄氏度便会分解;而电动车收到撞击时,电池隔膜破裂造成短路,很容易能让电池温度超过300摄氏度。这对特斯拉的电池管理和散热提出了更高考验。但在占全车成本40%的电池面前,价格才是首要问题。

与中国的宁德时代一样,松下乘上了特斯拉快车,产能也一路高歌猛进。2013年10月,松下与特斯拉签订协议,将为Model S在未来四年供应18亿颗电芯。2014年9月,双方宣布将在内华达州建设锂离子电池工厂Gigafactory 1。

特斯拉动力电池迭代过程

松下执行副总裁山田佳彦曾表示,“今天的电池产能是以前的三倍,为什么?这是特斯拉和松下员工一起工作的结果。”松下的客户结构极为单一,主要客户是特斯拉,其次是丰田,用山田佳彦的话说,双方关系是“密切而独特的”。

然而松下的产能逐渐开始拖累特斯拉。2019年4月13日,马斯克发推文表示“超级工厂的电芯产能只有24GWh,从7月份开始一直限制Model 3的产能,在产能到达35GWh之前,特斯拉不会再投钱进去。”

对比鲜明的是,松下为了跟上Model 3的量产步伐,一直在投入Gigafactory 1,在2018年底发布的半年报显示,电池业务已经出现两个季度的亏损。2019年,日经又传出双方计划在2020年提升工厂产能从35GWh到54GWh的计划泡汤。

2019年8月,有媒体发现特斯拉打算与LG化学合作,采购更多电池用于在中国投产的电动车。2019年12月,中国工信部发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,显示国产Model 3有两种型号电池,分别使用松下和LG化学的电芯,NEDC续航里程(接近实际路况)分别为445公里和455公里,能量密度分别为145Wh/kg和153Wh/kg。

而在此前9月,松下社长津贺一宏刚向媒体吐过苦水:“埃隆多次要求降低采购价格,有一次我回应他,如果再这样下去,我们要考虑撤走超级工厂的全部松下员工和设备。”被问及是否后悔投资特斯拉超级工厂,他回答道“是的,当然”。

特斯拉的移情别恋还未结束。2020年2月3日,宁德时代,作为中国动力电池装机量50%以上的龙头,宣布将向特斯拉提供锂离子电池。这是一种磷酸铁锂(LiFePO4)电池,虽然无钴但能量密度较低,依靠CTP(Cell to Pack,指电芯直接整合进电池包)技术才能达到160Wh/kg能量密度,并且在低温表现也逊于NCA。

但它的好处是便宜,据中国化学与物理电源行业协会数据,磷酸铁锂电池价格能降低到0.7元/Wh以下,而三元锂电池通常在0.9元/Wh。据东方证券分析师表示,以50kWh车型为例,从三元锂电池改用磷酸铁锂电池,补贴虽减少约2000元,但电池成本可降低1.2万元。

值得注意的是,人们常说的“无钴电池”是指在三元锂电池中降低钴用量,而非使用能量密度更低的磷酸铁锂电池。在国产Model 3上使用磷酸铁锂电池,可能是特斯拉为降低售价所采用的权宜之计。

要做“自己命运的主人”

2月21日,特斯拉在官方帐号上表示:“无钴,不代表一定是磷酸铁锂。”并表示在四月将举行电池发布会。特斯拉很可能将宣布自己的无钴电池进展。

据平安证券预计,特斯拉有望采用高镍正极+硅碳负极(掺锂)+干电极+超级电容的技术组合。

这种判断十分符合行业认知。高镍正极能提高能量密度,但会降低热稳定性,而干电极能解决这一问题。掺硅的负极能提高锂离子容量,保证负极不成为瓶颈。超级电容则能回收车辆启停浪费的能源。

在过去几年里,特斯拉已经为这一刻做好了准备:

2019年收购超级电容生产商Maxwell,其核心技术是超级电容器和干电极。

其中,超级电容器可以回收电动车加速、减速、启停浪费的能源,与作为主动力的锂电池搭配使用。(如果类比数据存储,锂电池相当于硬盘,超级电容器相当于内存。)在2017年Maxwell已经申请了混合动力平台的超级电容+锂电池的方案专利。

干电极技术是指,在制作电极时直接将粘合剂和正极粉末混合,挤压成电极材料片,然后压到金属箔上。它能克服三元锂电池的高镍电极热稳定性差等问题,使电池能量密度能大于300Wh/kg,并有实现500Wh/kg的可行路径。

超级电容生产商Maxwell

2019年收购锂电池设备制造商Hibar。这是电池制造设备领域首屈一指的公司,以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而闻名。

2020年,据Electrek报道,特斯拉正在弗里蒙特建造一条电池生产线试点,计划用自己的设备来生产电池。此前2019年6月,特斯拉在弗里蒙特的名为“Skunkworks Lab”的电池设计和生产实验室曝光。

2020年,有分析者猜测特斯拉收购了SilLion。这家公司为商用圆柱形电池研发硅阳极、高镍NCM阴极和不易燃的离子电解质。这是为数不多能提高阳极性能的专利。相比石墨阳极每6个碳原子储存1个锂离子,硅阳极每个硅原子能储存4.4个锂离子。

值得一提的是,特斯拉可能在自研电池上探索NCM路线。2016年特斯拉从3M挖来电池研究伙伴Jeff Dahn,对方正是NCM电池专家,曾在2017年演示过一项技术:提高NCM电池的某种成分,能让电池在车辆行驶48万公里后仍有出厂容量的95%。2019年9月,他在论文中描述了一种电池,能在电动汽车上使用超过160万公里。特斯拉最近收购的SilLion,专利也在NCM领域。最近国产Model 3更是用上了LG化学的NCM电池。

在2019年股东大会上,特斯拉元老J. B.斯特劳贝尔(曾担任特斯拉电池专家和CTO)说过:“我们需要大规模的电池生产解决方案。”特斯拉技术副总裁德鲁·巴格利诺则补充说:“希望特斯拉能在电池领域成为‘自己命运的主人’(master of their own destiny)”。可以想见,特斯拉亲自杀进动力电池领域已经不遥远了。

参考资料:

《特斯拉的动力电池梦》,平安研究

《The Future of Battery Technology》,Jeff Desjardins

《特斯拉与松下的“战争”》,陆三金

《马斯克:下一步我干啥,你猜》,孙鸣远

《第一个将钴酸锂电池应用于汽车,Tesla凭什么?》,任海宁

稿件来源: 36氪  
[ 作者:牛耕 ] [ 查看:556 ]  [ 搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友
本文地址:
版权说明:
本网转载作品均注明出处,未注明出处和转载的,是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。如转作品侵犯著名权,或有其他诸如版权、肖像权、知识产权等方面的伤害,并非本网故意为之,在接到相关权利人通知后将立即加以更正。