特斯拉超级电池工厂的成败攸关之年

费文绪/编译

特斯拉超级电池工厂的成败攸关之年

费文绪/编译

● 终于，特斯拉的锂离子电池将要从超级电池工厂下线了，但它会给特斯拉带来丰厚收益吗？

3年前，特斯拉汽车公司宣布了建设超级电池工厂（Gigafactory）的计划，这个锂离子电池工厂横亘在美国内华达州斯帕克斯市外炎热的丘陵上。此前，从未有人提过与此类似的建议。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）宣称，该超级电池工厂将成为世界上最大的建筑物，占地面积相当于107个美式足球场，每年生产的锂电池产能至少是35千兆瓦时，超过2013年全球锂电池产能的总和。

“这个超级电池工厂必须很大，因为这个世界很大。”马斯克在2015年7月表示。超级电池工厂将使电池比以前更便宜，电池价格的下降反过来刺激电动汽车销量的上涨，这将极大降低各地的石油消耗量。

超级电池工厂允诺推动锂电池迅速达到前所未有的规模，这成为清洁能源产业变大变强的象征。建设超级电池工厂的设想同时也转变了汽车制造业和储能产业的发展路径。相互竞争的汽车制造商在电动汽车研发方面的投入加倍，储能企业则增加电池产量并降低电池价格。根据能源市场研究公司Navigant Research的分析，特斯拉的推动是2017年电动汽车电池销量预计增长60%背后的主导因素。超级电池工厂没有生产一块单独的电动汽车电池就做到了这一切，不过这种情况即将发生变化。在接下来几个月的时间里，完全内部生产的首个电池包将在流水线上完成装配。到年中，超级电池工厂将需要每秒为特斯拉Model 3汽车生产75块锂离子电池，Model 3是特斯拉备受期待的一款大众电动汽车。超级电池工厂还需增加“电力墙”（Powerwall）和“电源组”（Powerpack）的产量，这是特斯拉为住宅、商业和实用程序开发的储能系统。为了持续满足订单需求，超级电池工厂必须在2017年内达到35千兆瓦时的年产能。简而言之，超级电池工厂必须在2017年从人们崇拜的偶像变成高效的大规模生产商。

超级电池工厂仍然还是一个进展中的工程。固定存储单元已经在那里组装，但用的是进口的电池单元。据特斯拉称，到 2016年底超级电池工厂开始批量生产。但是，特斯拉在超级电池工厂项目上的合作伙伴日本松下公司告诉IEEE Spectrum杂志说，其实他们能保证的开始批量生产的最早时间是2017年4月。

“特斯拉还要证明很多东西，”马克·穆罗（Mark Muro）说，他是位于华盛顿的智库布鲁金斯学会里研究制造业的高级研究员，“他们在一个很短的时间架构下尝试新颖的流程，并声称能够重塑制造业和其他一切。他们投入了很多东西在这上面，这是一场豪赌。”

2017年年中，特斯拉汽车公司的超级电池工厂将开始为特斯拉Model 3汽车每秒生产75块锂离子电池，Model 3是特斯拉备受期待的一款大众电动汽车

对特斯拉而言，投资电池制造业是必要的行为。当其他汽车制造商依赖专门为电动汽车设计的袋状锂离子电池时，特斯拉使用和笔记本电脑电池相同的18650型圆柱形锂离子电池来充当其首批电动汽车的电源。这些电池是向松下公司购买的。如果特斯拉只生产高端电动汽车，比如Model X和Model S车型，那么这个方法是可行的。若要盈利，特斯拉需要开拓售价3.5万美元的Model 3车型的大众市场，而且每年需至少生产50万辆。Navigant Research公司驻底特律的高级研究分析师萨姆·阿布尔萨米德（Sam Abuelsamid）说，电池供应商不可能保证这个规模的电池供应，除非特斯拉自己也参与其中。

特斯拉和松下合作建设的超级电池工厂正是做这个事情。锂电池巨头松下公司带来了专家、供应链和资本，在50亿美元的项目总投资中贡献了16亿美元。据报道，内华达州政府为特斯拉提供了价值13亿美元的奖励措施。其余投资来自特斯拉。

超级电池工厂体现了垂直整合的愿景，原材料从一端进入，完成的产品从另一端出去。一切工序都从电池自动生产流水线上开始，这条流水线属于松下公司并由其操纵。在那里，活性粉末与一种液体混合形成浆料，然后涂覆在金属箔上形成阴极和阳极。金属箔和多孔隔膜一起卷成圆柱状，并装满用锂离子导电的电解液，然后加上电池盖帽就成为了一块电池，看起来就像大号的AA电池。

在特斯拉的超级电池工厂，成百上千的电池与电子元件和冷却系统一起封装，成为一个完整的电池组件。Model 3的电池包将被运往加州弗里蒙特的汽车工厂，而Powerpack和Powerwall则直接投放市场。

在特斯拉让其超级电池工厂运转起来的3年间，特斯拉的竞争者们也没有停滞不前。阿布尔萨米德说，超级电池工厂让经济实惠的Model 3看起来快要成为现实了，这迫使汽车制造商大鳄们拿他们自己的大众市场电动汽车与目标续航里程346公里的Model 3较量。一些与之竞争的电动汽车已经或者很快将摆放在展厅，其中领头的是通用汽车公司续航里程383公里的雪佛兰博尔特电动车，起价37 495美元。现代和福特也有望在2017年，尼桑和大众有望在2018年，推出续航里程长的大众市场电动汽车。

不断升级的电动汽车浪潮反过来促使电池研发和制造业的提升，不仅日本的松下如此，韩国的LG化学和三星集团、中国的比亚迪也是如此。与此同时，价格战则导致电池价格大幅下跌。波士顿一家关注可再生能源行业的市场研究机构GTM Research的储能总监拉维·曼加尼 （Ravi Manghani）指出，自从2014年以来，一些固定存储系统的成形电池包价格就从每千瓦时400美元下降到200美元以下。类似的价格下跌也冲击了汽车市场，通用汽车公司表示，他们以每千瓦时145美元的价格向LG公司购买了2017年的博尔特电动车电池包的电池。

据特斯拉说，超级电池工厂的地面将比类似的设施对空间的浪费更少，电池的产能增至3倍。这张照片摄于2016年7月，当时超级电池工厂正式开工，但没有开始全规模生产

超级电池工厂带来的最大影响可能还是对它自己。2016年4月，在特斯拉揭开Model 3设计的神秘面纱后，将近40万份预订单就蜂拥而来。一个月后，马斯克郑重宣告，特斯拉会在2017年至少完成其中10万份订单，从7月开始生产，然后在2018年生产出50万辆电动汽车。因此，工厂要在2017年达到35千兆瓦时的电池产能，比原定计划提前了两年。

进展如此迅速的理由很充分：特斯拉将很快失去联邦补贴。在一家制造商卖出第20万辆电动汽车之后的18个月内，每购买一辆电动汽车所享受的7 500美元的美国联邦所得税抵免将逐渐降为零。特斯拉将先于其竞争对手在2017年达到这个临界值。而且不像其他汽车制造商可以拿传统汽车和卡车的利润补贴其电动汽车，特斯拉专售电动汽车。

电池仍然是电动汽车最昂贵的部件。特斯拉一开始就宣称，在Model 3投产的第一年内，超级电池工厂将使每千瓦时的电池包成本下降超过30%。但是超级电池工厂是否能提供电池成本上的竞争优势，还是一个未决问题。Navigant Research估计，通用汽车公司的博尔特电动车每60千瓦时的电池成本为16 200～16 800美元。阿布尔萨米德推断，Model 3每55千瓦时的电池成本会在13 000～16 500美元之间。

马斯克吹捧了超级电池工厂的规模效益。但是，专家们对于大规模生产电池的好处并不那么乐观。卡耐基梅隆大学关于电动汽车电池生产的新研究考虑了影响锂电池生产的一系列因素，包括安装和操作机器的成本、劳动力、生产周期和意料外的停工时间。研究者们对袋状锂电池和受到特斯拉青睐的圆柱形电池进行了对比研究，发现其规模效益趋近于1千兆瓦时，而松下和其他电池生产商早已达到了这种体量的规模效益。博士生丽贝卡·谢兹（Rebecca Ciez）指出：要达到超过1千兆瓦时电池容量的规模效益，你只需建立多个并行生产程序就行。使用更大型的生产机器并不能节省成本。她跟随卡耐基梅隆大学的工程学教授、储能电池设计和制造商阿奎昂能源公司的创始人杰伊·惠特克（Jay Whitacre）一起领导了这项研究。

俄亥俄州立大学汽车研究中心主任乔治·里佐尼（Giorgio Rizzoni）也认为规模效益是有限的，并且说卡耐基梅隆大学 “对于这个规模效益的上限，建立了一个可信的分析模型。”里佐尼指出，创新的生产方法、废弃物减少、电池和组件组装的垂直整合都可以降低超级电池工厂的成本。

但是准确地说，大幅度的成本降低来自哪里呢？比如，松下就说其超级电池工厂的机器与其他锂离子电池生产所用的机器并无区别。马斯克和特斯拉首席技术官施特劳贝尔（J.B.Straubel）盛赞了没有浪费空间的工厂布局。施特劳贝尔说：“工厂每层上的所有东西基本上几乎都是互相紧挨着的。”他们说，结果是超级电池工厂的产能增至3倍。

但是，每平方英尺更大的产量可能对电池成本的下降并无太大裨益。在卡耐基梅隆大学的分析模型中，工厂因素只占到了电池成本的大约3%。一些专家告诉IEEE Spectrum杂志，更紧凑的空间布局会导致机器设备更难维修和更换，实际上对产品的产量和生产线利用反而有害。

而超级电池工厂的垂直整合有可能遗漏了所有因素中最大的成本下降因素：电极材料的生产。卡耐基梅隆大学的谢兹指出，镍钴铝氧化物和镍锰钴粉末的供应商命令大幅提高售价。特斯拉拒绝对超级电池工厂是否将生产这些粉末作出评论。

埃隆·马斯克欲在全球布局超级电池工厂，2017年是成败攸关的一年

布鲁金斯学会的穆罗说，超级电池工厂的劳动力可能也是一个挑战。特斯拉已经承诺在本州雇用超级电池工厂预计 6 000名员工中的一半。穆罗说这一点很难做到，他与人合著的在2014年发表在《内华达经济报》的一份报告认定，内华达州的科学、技术、工程和数学教育中存在着“熟练度危机”。

看上去确实有可能降低成本的一个举措与超级电池工厂没多大关系，反而与松下电池的设计有更大的关系。他们将常用的18650型锂电池（型号18650指直径为18毫米、长度为65毫米的圆柱形电池）加长了3毫米，直径加宽了5毫米。卡耐基梅隆大学估计，大一些的设计版式以及粘稠的电极材质能使电池的成本下降大约25%。但是卡耐基梅隆大学的研究还表明，通过对袋状电池进行类似的处理，电池的成本还可能下降更大。通用汽车公司就已发话说：其博尔特电动车的电池成本到2020年有望降至每千瓦时100美元。

与此同时，Model 3是否将在2017年中准备好上市还不确定，错过预定日期堪称特斯拉的传统。2015年8月《华尔街日报》的一篇分析文章发现，过去5年中，特斯拉没能完成的马斯克亲自制定的计划有20项，而且其他目标“几乎平均每年”有10个没能达成。Navigant的阿布尔萨米德预测，Model 3将比计划的上市时间推迟1年。

Model 3若不能如期上市，可能导致特斯拉囤积大量的电池。尽管松下与特斯拉合作协议的细节是保密的，但是特斯拉最新一个季度的报告承认，特斯拉承诺购买超级电池工厂生产的17亿美元的电池，抵消了松下在超级电池工厂投资的16亿美元。

这些电池一部分将用到Powerwall和 Powerpack上。效用尺度的Powerpack已经在不断扩大的市场中赢得了大量订单。南加州爱迪生电力公司的一所变电站正在安装的1个80兆瓦时的Powerpack系统，是目前世界上最大的锂离子电池储能项目。特斯拉最近推出的太阳能屋顶将提升家用尺寸的Powerwall的销量。但是锂储能对大多数房主而言还是太过昂贵。GTM Research的曼加尼指出：“要得到住宅区一定程度的采用，成本就必须降到目前的一半甚至1/4。”

在所有这些不确定因素中，有一点是确定的：可能真会出现不好的结果。马斯克和他的各个合资企业已经捉襟见肘，尤其是处理Model X的缺陷问题，这一问题导致特斯拉在《消费者报告》最新的可靠性排名中垫底；拯救最近收购的债务缠身的太阳能安装公司SolarCity；还要为因2016年9月发射平台爆炸而陷困的美国太空探索技术公司SpaceX解决纠纷。以上这些努力只要走错任何一步，都会受到痛苦的惩罚。

马斯克自己已经感受到了压力。2016年10月，马斯克在与行业分析师们的一次盈收电话会议中说，2015年去特斯拉的弗里蒙特工厂露营以及修理阻碍电动汽车生产率的“破碎”要素很可能让我折寿一年甚至更多。在2015年7月的一篇博客中，也就是超级电池工厂开工典礼前夕，他承认自己正在做的事情很疯狂。想到美国业已失败的一长串汽车制造商的名单，马斯克在博客中写道，“创办一家汽车公司是白痴，创办一家电动汽车公司则是白痴的平方。 ”

[资料来源：IEEE Spectrum][责任编辑：朝 云]

本文作者彼得·费尔利 （Peter Fairley），IEEE Spectrum杂志特约编辑，20年来一直致力于跟踪报道能源技术及其对全球环境的影响，描绘了把可再生能源和电动汽车转变为主流竞争者的工程和政策创新。