馬斯克：17萬的特斯拉將會怎樣煉成？

　　【太平洋汽車網(wǎng) 行業(yè)頻道】在剛剛過去的特斯拉電池日上最讓人印象深刻的是什么？全新的4680無極耳電池？售價僅2.5萬美元的全新入門級車型？還是酷似汽車總動員般的發(fā)布會現(xiàn)場？對我而言，是馬斯克描繪的未來電動汽車性能提升和價格下沉的美好藍圖：續(xù)航提升54%，成本下降56%。這不是一項技術(shù)的突破能夠取得驚人飛躍，而是特斯拉基于對電動車從原材料、生產(chǎn)工藝、制作流程等全產(chǎn)業(yè)鏈的深刻思考與優(yōu)化推演的結(jié)果。關(guān)于特斯拉電池日上提及的完整信息我們會在第2頁予以展示，在文章前半部分，我們先來看看造夢人馬斯克描繪的這幅美好夢想，畢竟馬斯克做的那些看似遙遠的夢，他都一一搬進了現(xiàn)實。

　　馬斯克是一個真正的實干派，他最著名的狂人夢應(yīng)該要數(shù)計劃移民火星了。在這么癲狂的夢想下，SpaceX誕生了，甚至已經(jīng)成功對接了國際空間站。而“地下高速”、人腦植入芯片這樣的瘋狂想法，也一一走進了現(xiàn)實。馬斯克想造電動車，特斯拉成功的沖擊了整個汽車行業(yè)。當(dāng)大家都以為特斯拉已經(jīng)很牛X時，他想得卻顯然更多。這次的特斯拉電池日讓大家看到，馬斯克研究了電動車涉及的每一個環(huán)節(jié)，并且全部要優(yōu)化，甚至推倒重來，目的只是造出更便宜更實用的電動車。

　　特斯拉對電動車產(chǎn)業(yè)鏈的深耕已經(jīng)觸及到了最底層的環(huán)節(jié)——挖礦。鋰作為電動車動力電池最核心的元素，需求量十分龐大，而特斯拉要做的就是從鋰的開采入手降低成本。

　　鋰元素在地球上的儲量十分巨大且分布廣闊，目前已知有150多種含鋰的礦產(chǎn)。目前全球鋰產(chǎn)量最高的是智利和澳大利亞，美國鋰資源分布僅占全球儲量的3.5%，而目前產(chǎn)量全球的2%。不過馬斯克在電池日上表示，僅美國的鋰資源，就足以將全美國所有的汽車全部換成電動汽車了。

　　特斯拉接下來要做的是建立本地化的鋰供應(yīng)鏈，這樣可以節(jié)省80%的運輸里程。馬斯克透露目前特斯拉已經(jīng)獲得在內(nèi)華達州面積1萬英畝的鋰礦開采權(quán)，特斯拉將會采用一種全新的開采方式和流程來降低成本以及對環(huán)境的影響。

　　雖然沒有透露詳細的技術(shù)細節(jié)，不過馬斯克表示特斯拉的開采方式是通過一種鹽與水直接將礦產(chǎn)中的鋰離子提取出來，可以直接用于動力電池的生產(chǎn)，這是一種前所未有的開采方式。馬斯克簡單將開采過程描述為：挖一塊土，提取出其中的鋰離子，再把土放回原位，可以把對環(huán)境的影響降到最低。

　　相比對材料最源頭的控制，從工廠的工藝入手簡單有效的多，畢竟特斯拉也不可能掌握全部原始礦產(chǎn)的開采，更多還要依賴合作伙伴的供給。

　　在特斯拉電池日上，馬斯克稱特斯拉動力電池超級工廠從工業(yè)革命以來各行各業(yè)工廠流水線汲取靈感以便簡化生產(chǎn)流程，擴大生產(chǎn)規(guī)模。電極的卷軸等工藝還借鑒了印染等工廠的流水線工藝。

　　在電極的生產(chǎn)中，首先對電極原材料的粉末進行濕法處理，然后壓制成膜形成干電極。在這一道工序中，特斯拉電池超級工廠相比傳統(tǒng)工藝簡化了10倍的操作流程。而簡化流程背后是最精簡工藝技術(shù)的運用。

　　依托于特斯拉對動力電池的海量需求，電芯工廠在組裝環(huán)節(jié)保持連續(xù)不間斷運轉(zhuǎn)以提高效率。就像開車上路，無需停車永遠是最高效的。特斯拉組裝工序中單條生產(chǎn)線產(chǎn)量可達到20GWh，單線產(chǎn)量提高了7倍。

　　在工廠的建設(shè)中，特斯拉機械團隊的創(chuàng)新發(fā)揮了重要的作用，他們優(yōu)化了整個工廠設(shè)備的協(xié)同，讓工廠能夠更加一體化的運轉(zhuǎn)。其實可以看出，特斯拉做出的各種工藝的調(diào)整和優(yōu)化是在建立在大投入的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮長線的利益和長期的競爭優(yōu)勢。

　　在電芯定型環(huán)節(jié)，特斯拉摒棄了傳統(tǒng)的單個電芯定型的模式，而是運用更智能的通過電子系統(tǒng)批量操作，僅這一個環(huán)節(jié)就可以節(jié)約節(jié)省75%的工序和86%的成本。

　　通過工藝的優(yōu)化，特斯拉超級工廠每GWh可以節(jié)省75%的成本，可以在更小的空間做出更多的電池。馬斯克表示，幾年前他認(rèn)為這樣的空間只能做到150GWh，現(xiàn)在能做到1TWh，這是當(dāng)初不敢想象的。

　　按照特斯拉的規(guī)劃，特斯拉自產(chǎn)的電池到2022年實現(xiàn)年產(chǎn)100GWh，2030年將實現(xiàn)年產(chǎn)3TWh。此外，特斯拉還將繼續(xù)保持與松下、LG以及寧德時代的合作，未來還可能有新的合作伙伴。

　　僅通過在對工廠工藝的優(yōu)化，特斯拉可以節(jié)約成本18%，節(jié)約投資34%。

　　特斯拉早期使用的是1865（18650）規(guī)格的電芯，這是一種最常見的電芯，包括攝像機等電子設(shè)備也都用這個過個的電池。2017年更換為更大的2170（21700），這次提升使得單電芯能量提升了50%。

　　其實很好理解更大尺寸的電芯可以容納更多的電量。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，柱形電芯直徑增加一倍，每Wh所需電池數(shù)量可減少到原來的1/4。同時電芯外殼面積減少約48%，相應(yīng)的零部件以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)對應(yīng)的工藝流程也能減少，成本可以大幅降低。

　　但是電芯尺寸的增加也意味著更大的內(nèi)阻和更大的發(fā)熱量，散熱問題將難以解決，這其中就需要找到更好的平衡點。而提升這個平衡點的方法就是減小內(nèi)阻，減少發(fā)熱。

　　特斯拉找到的切入點是電池的極耳。極耳是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，是鋰離子聚合物電池不可或缺是一部分。不過特斯拉通過激光技術(shù)改進工藝，成功擺脫了對極耳的依賴。

　　無極耳電池內(nèi)電子路徑變得更短，順利的降低了內(nèi)阻和發(fā)熱量，特斯拉也成功的制造出了尺寸更大的4680電芯。同時取消極耳還減少了電芯零部件，簡化了制造過程。同時省去了極耳填充絕緣材料的工序，提升了生產(chǎn)速率。

　　根據(jù)公開資料數(shù)據(jù)，無極耳電芯可以有效降低電池約13%的內(nèi)阻，解決電池發(fā)熱問題的同時還可以縮短充電時間。無極耳電芯可以在10 分鐘內(nèi)充滿50%電量，比目前特斯拉超級充電樁快20分鐘。

　　全新的4680電芯已經(jīng)在內(nèi)華達州超級工廠實現(xiàn)量產(chǎn)，其能量是2170電芯的5倍，可以提高16%的續(xù)航里程。同時，無極耳電芯還節(jié)約了14%的成本，減少了7%的投資。

　　無極耳電芯改進的仍然是工藝，而材料上的更新有著更大的潛力。目前電芯普遍采用的是石墨材料作為負(fù)極。目前常用的石墨材料理論容量為372mAh/g，實際釋放容量約為170mAh/g。然而如果以硅作為負(fù)極理論容量可以達到4200mAh/g，能量密度可以實現(xiàn)翻倍。

　　但是硅作為負(fù)極材料有一個致命的缺陷是，在鋰插層之后硅基材料體積會碰撞4倍，很容易就會破碎。另外，硅還會與隔膜整合形成凝膠狀。這些都限制了硅負(fù)極材料的應(yīng)用。

　　但已硅作為負(fù)極材料除了能量密度的潛力外，硅還是地球上最富有的元素之一，平時的沙子中就富含硅元素，制備成本將大幅降低。

　　在特斯拉電池日之前大家普遍猜測的硅納米線材料、預(yù)鋰工藝以及SIO氧化硅等都是解決硅負(fù)極膨脹易碎問題的方式，如果采用硅納米線作為負(fù)極，電芯有望實現(xiàn)能量密度400Wh/kg，續(xù)航超過1000km。不過目前這些工藝量產(chǎn)的難度還很大。

　　特斯拉選擇了一種更簡單易行的方式，使用最普通的硅材料，在硅負(fù)極表面涂抹一層彈性很強的涂膜以抑制其膨脹。這種簡單的處理可以提升20%的續(xù)航，而成本可以降低5%，投資成本降低4%。

　　鋰離子電池正極材料的核心是鋰離子，但同時也不能缺少其他金屬材料，兩者的關(guān)系相當(dāng)于書和書架的關(guān)系。目前三元材料的鋰離子電池離不開鈷元素，鈷的存在可以起到穩(wěn)定的作用。

　　但鈷是一種較為稀缺的元素，目前全球已探明320萬噸的儲量，絕大部分在非洲地區(qū)，鈷不僅價格昂貴，開采工藝、流程和材料價格都難以控制。目前主流的方向都是減少鈷的用量，甚至追求0鈷。

　　磷酸鐵鋰四元材料是目前主流的無鈷電池，不過特斯拉選擇是不是鐵，而是潛力高出鐵元素50%到60%的鎳。在電池日上，馬斯克透露新的無鈷電池會增加鎳的用量，鎳和錳以２:１的比例作為正極材料。

　　馬斯克表示已經(jīng)和很多礦業(yè)公司合作獲得更多的鎳材料。同時像開頭提到的鋰一樣，特斯拉對鎳的開采工藝也做了簡化，擯棄了復(fù)雜的硫化等過程，使用原材料鎳，完全依靠電來制備。這一工藝可以讓成本降低66%，投資降低76%，同時還沒有浪費一滴水。

　　高鎳電池將應(yīng)運用應(yīng)用于Cybertruck皮卡、Semi卡車等能源密集型車型上，不過要到2022年才能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，目前特斯拉依舊要增加松下、LG、寧德時代的采購。通過無鈷、高鎳，同時對原材料控制，可以減少12%的成本，增加續(xù)航4%，減少投資16%。

　　前述部分已經(jīng)對電芯原材料、電芯結(jié)構(gòu)、電池正負(fù)極材料全部進行了優(yōu)化改進，但馬斯克仍然不滿足于此。下一步優(yōu)化的就是整個電池組的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)電池組由數(shù)個電池包組成，電池包包括數(shù)個模組，而模組才是由電芯組成的。

　　在整個電池組中，非電芯部分也占據(jù)了很大的空間和重量，特斯拉通過全新的電芯黏合方式讓電池組的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，同時節(jié)約了空間和重量。

　　馬斯克舉了一個生動的例子，在飛機的發(fā)展過程中，將油箱布置在機翼內(nèi)是一個巨大的創(chuàng)新。而特斯拉就是用這樣的思維去改進和優(yōu)化電池組的布置的。

　　目前，特斯拉Model Y已經(jīng)應(yīng)用了全新的一體式鑄造車尾，整個尾部將會是一體成型的機構(gòu)。這得益于材料團隊在合金方面的創(chuàng)新，現(xiàn)有的合金材料無法滿足這樣大的一天鑄造。未來車頭部分也將采用類似的形式打造。

　　而除了對電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進，電池組的鋼化外殼也會進行全新設(shè)計。電池組外殼將設(shè)計為連接前后部分的機構(gòu)件，這樣可以在空間上更加緊湊，同時還能讓車身重心更低，使得車輛的操控性也得到提升。

　　全新的電池組設(shè)計可以使得重量減少10%，而成本降低7%。還可以帶來14%的續(xù)航提升和節(jié)約8%的投資。

　　在對原材料的控制方面，除了優(yōu)化挖礦工藝，特斯拉還做了另一件事。前不久，特斯拉上線了動力電池回收服務(wù)，承諾100%回收報廢電池。這些走到生命盡頭的動力電池將會在特斯拉重新回到起點，將各種元素重新分離作為新的動力電池原材料進行使用。這樣可以節(jié)省對自然資源的依賴，同時減少對環(huán)境的破壞。

　　通過以上對電池整個產(chǎn)業(yè)鏈的梳理和重新優(yōu)化，特斯拉預(yù)計續(xù)航里程可以提升54%，成本將降低56%，投資將降低69%。在繼續(xù)沿用鋰離子電池的情況下，電動車的整體性價比將不依賴補貼達到與當(dāng)下燃油車相當(dāng)?shù)乃?，而實用性將大幅提升?/p>

　　不過上述技術(shù)目前的進展水平不一，無極耳的4680電池已經(jīng)開始投產(chǎn)，而高鎳無鈷電池預(yù)計2022年才能實現(xiàn)量產(chǎn)，硅負(fù)極電池沒有明確說明時間。馬斯克表示以上這些在2030年之前將會全部實現(xiàn)。同時馬斯克也表示，將加速推進這些變革的落地。

　　對于電動車是不是真環(huán)保，消費者一直存在很大的爭議，最激烈的論點就是當(dāng)下，尤其是中國的發(fā)電主要依賴的仍然是火力發(fā)電。

　　其實在這個層面，能夠優(yōu)化的何止電動車本身，電網(wǎng)的發(fā)電占比本身也在一直進行著優(yōu)化。在特斯拉電池日上，馬斯克表示未來要實現(xiàn)100%可再生能源的發(fā)電（如太陽能發(fā)電），可實現(xiàn)20-25太瓦時/年（1太瓦時=1萬億瓦時）可再生能源的發(fā)電。

　　近年來，電動車作為新興事物受到的關(guān)注和爭議都十分巨大。也是在這幾年，日產(chǎn)發(fā)布了內(nèi)燃機黑科技——可變壓縮比；馬自達發(fā)布了壓燃內(nèi)燃機，在內(nèi)燃機熱效率等指標(biāo)變換緩慢的當(dāng)下，這兩項技術(shù)可謂十分具有突破性。但是隨之而來的是成本的攀升，而帶給消費者的實際體驗卻十分有限。

　　電池早已經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，早在內(nèi)燃機發(fā)明初期就曾有過一輪電動車熱潮。但電動車大規(guī)模量產(chǎn)卻僅僅是近年來才發(fā)生的，動力電池全部的技術(shù)儲備均源自非汽車領(lǐng)域，技術(shù)進步的空間很非常巨大。特斯拉電池日給我們帶來了一幅比較全面的操作性很強的動力電池全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化路線。續(xù)航里程可以提升54%，成本將降低56%，這樣的成績可謂驚人。

　　自第二次工業(yè)革命以來，電力早已融入了生活的方方面面，而受制于小型化儲能方式的限制，在移動出行領(lǐng)域始終沒有大的介入。隨著5G時代的到來和萬物互聯(lián)圖景初現(xiàn)，汽車也必然需要更多的電力來支持海聯(lián)的智能化設(shè)備，倒逼汽車參與到電力的應(yīng)用。電進入汽車的時代才剛剛開始。

　　當(dāng)然，特斯拉電池日的信息遠不止上面這幅美好的藍圖，更多信息我們在下頁呈現(xiàn)。（文：太平洋汽車網(wǎng) 郭睿）