电池驱动未来 特斯拉电池日技术解读

张平

特斯拉是目前全球新能源汽车市场霸主。从技术角度来看，特斯拉旗下的电动汽车无论是在能源管理、驾驶体验以及自动化技术演进方面都有着独特的优势。不过，相比传统汽车，新能源汽车尤其是电动汽车的核心问题：充放电速度、续航里程和随之而来的里程焦虑等问题依旧困扰着包括特斯拉在内的厂商。鉴于此，特斯拉希望通过新的“4680”电池来彻底解决电动车充放电以及续航焦虑等问题。那么，特斯拉是如何做到这一点的呢？

2020年9月23日凌晨4点45分，特斯拉公司CEO埃隆·马斯克终于召开了那场由于疫情而延期的“电池日”大会。顾名思义，“电池日”大会主要是以电池、电能相关技术为主的发布会。作为全球最著名也是最受关注的新能源汽车企业，特斯拉电池日带来的技术得到了整个业界包括大部分新能源车用户的关注。在会议上，马斯克发布了全新的“4680”型电池，同时宣布将通过五大方面的改进，使得每千瓦电池成本降低56%、每GWh产能投资下降69%以及电池里程提升54%。毫无疑问，如果上述的“4680”型电池和后续的每一项提升都能够在马斯克宣称的2023年实现的话，那么特斯拉和其代表的整个电池、电能产业链，将彻底重塑未来全球多个关键市场。如此重要的技术革新和深刻的技术改变，值得进一步了解。

纯电交通的未来——从一个故事开始

作为全球最会讲故事的CE0，马斯克在特斯拉发布会上可谓“居功至伟”。和之前给各大投资人讲述的故事那样，这一次召开的电池日发布会，特斯拉也讲了一个非常“巨大”的故事。

故事的开头，是环保。特斯拉先是宣称化石燃料带来了一些环境的负面影响，然后给出了一个终极目标，那就是实现100%的纯电交通。为了达成这个目标，特斯拉开始计算纯电交通所需要的能源总量折合电能后的数据。其具体的数据包括，非可再生能源带来的（折合电能数据，下同）2300GWh，煤炭燃烧带来的大约1400GWh，可燃气体燃烧带来的大约2100GWh，石油燃烧带来的800GWh以及纯电汽车带来的大约1500GWh，还有未来增长的1900GWh空间，总计算下来大约需要10TeraWh，也就是10太瓦时。先不管10太瓦时如何计算出来（数据来源于IHs），也不管这些能源最终是否都需要转换为电力并使用电池存储，仅从这个数据来看还是相当可观的。当然，2019年的电池驱动汽车的数据仅仅为0.006太瓦时，增长空间大约有1600倍之多。

由于电力驱动存在巨大的增长空间，因此特斯拉就存在巨大的增长空间，尤其是电池方面。特斯拉的数据显示，现有的超级工厂电池年产能仅为0.15太瓦时，以现在的规模实现未来20太瓦时的电池容量，那么需要2万亿美元的资金投入和280万员工。

这样问题就来了，特斯拉将其总结为2个核心矛盾：

1.现有的电池工厂产能扩张速度无法满足未来巨量电池市场需求的矛盾。

2.現有的电池成本下降速度较慢和未来电池巨量市场应用潜能的矛盾。一个典型的例子就是电动汽车的市场在增长，但是并不是所有人都买得起电动汽车。

好了，问题提出来了，那么应该如何解决呢？特斯拉带来了一个分为五个方面的发展计划，来彻底解决上述2个核心问题，这五方面包括电池设计、电池工厂、阳极材料、阴极材料以及电动汽车设计改良，接下来，我们一起来了解一下。

全新的4680电池——无极耳技术上线

特斯拉早期使用松下型号为18650的圆柱形锂电池作为汽车的电能存储的核心，其中18是指圆柱形锂电池的直径是18mm，65则是圆柱的高度为65mm，最后的0则是指电池是圆形的。当电池指代非常明确也就是圆柱形的时候，这个电池也可以成为1865型。实际上，目前用作动力源的锂电池还有包括软包型、方壳型、刀片型等多个样式。但是特斯拉自始至终都在使用圆柱形锂电池。

说起锂电池，就不得不提到它的基本工作原理。简单来说，锂电池之所以能存储电能，是由于在充电过程中，存在于正极的锂离子，在电压的作用下，进入电解液后通过隔膜来到负极，并和负极中流入的电子结合在一起并形成稳定结构，这样就完成了电能到化学能的能量保存过程。锂离子电池的放电过程和充电过程基本上是相反的，那就是结合了电子的锂离子从负极进入电解液后，通过隔膜到达正极，差别在于此时结合的是从外部电路进入正极的电子。

通过上述原理可以看出，锂离子电池实际上拥有正极部分、负极部分、中央隔膜三个核心部分以及相关的材料。一般来说，现在的锂离子电池制造中，正极往往会使用锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、导电剂和石墨粉以及黏结剂涂布在铝箔上，负极则是石墨粉和黏结剂涂布在铜箔上，中央隔膜则是由聚乙烯、聚丙烯等材质制作而成。在柱状锂离子电池生产过程中，人们会使用类似“三明治”的四层结构，典型的一些例子中可以将隔膜、正极、隔膜、负极进行叠加，形成长而薄的软条，再将这些条卷绕在一起，就成为了一个典型的柱状锂离子电池。

但是这样一来，锂离子电池应该如何通电呢？传统的做法是使用“极耳”来进行接触。所谓“极耳”，可以认为是电池的“导线”，用于导通电池的正极部分和负极部分。在实际生产中，人们往往使用导电的金属薄片插入锂离子电池的正极或者负极部分，再将其分别接出，以实现电池正极或者负极的功能。

明白了锂电池的基本原理和结构后，我们再来看看特斯拉在这里做了什么。特斯拉先是大幅度提高了电池的体积。实际上之前特斯拉已经提升过—次电池的体积了，从早期的1865提升至2170，也就是直径提升至21毫米，高度提升至70毫米，特斯拉宣称这样的提升带来了50%的能量容量提升。实际上2170型电池的体积相比1865型增加了大约46%，再加上更少的外壳占用面积以及更多的电池存储空间比例等因素，因此50%的容量提升是合理的。

特斯拉在尝到了2170型更大的圆柱电池的甜头后，认为应该继续提升电池体积，理由是更大的圆柱形电池体积成本更低。圆柱电池体积越大，那么对外壳包材、连接线数量以及控制电路的要求就越少，这样能够进一步提高电池的能量密度，降低冗余。

因此，特斯拉带来了4680型电池，直径为46毫米，高度80毫米，体积是之前的2170电池的5.4倍，更是1865电池的8倍之多。由于体积进一步变大，特斯拉宣称新的4680型电池的容量相比2170型提升了5倍，功率提升了6倍，在相同尺寸的车型上带来了16%的续航里程提升。

特斯拉还给出了新的电池的横截面图，可以清晰地看到采用了圆柱形的环形缠绕方式，在这部分结构上和传统电池没有任何差异。但是，由于电池容量、输出功率都变高了，如果依旧采用传统的设计方案，那么将会给电池极耳带来巨大的压力，简而言之，传统的单个或者多个极耳的存在，无法适应特斯拉新电池如此巨大的充电电流，会由于电阻带来极高的热量，这将严重影响电池的安全。在这里，特斯拉改用的无极耳的设计，也就是去除了单个或者多个极耳，改用了新的专利连接方法，简单来说就是使得正负极部分直接和电池盖板或者壳体连接。这种新的无极耳连接方式能够通过较大的电流导通横截面积来实现电阻的降低，同时能够承受更大的电流并大幅度降低电池发热量。另外，特斯拉还宣称新的设计带来了成本的降低，相比之前的产品，新的电池带来了每千瓦时14%的成本降低。

有了新的电池设计，那么需要新的工厂以及巨大的产能与之匹配，这样才能顺利解决之前特斯拉提出的两大问题。因此，特斯拉也介绍了其全新的电池工厂的发展情况，但是实际内容比较少。比如在电池的工艺方面没有更为详细的解释，也没有给出有关创新工艺方面的内容。只是提到新的电池还有大量需要解决的技术问题，因此需要在3年后才能正式登场，同时特斯拉还展示了大量新研发的设备，包括专用于生产4680电池的各类高速连续运转装置。

值得注意的是，特斯拉目前正在建造一条试验线，用于研发这种新电池生产制造的相关技术，其制造容量约为每年10GWh，最终4680电池将会在德国的工厂完成制造。特斯拉给出的数据显示，希望在2022年，新工厂能够生产100GWh电池，未来的2030年能够带来3TWh电池的生产能力。

特斯拉最后还提到，由于全新的工艺、制造流程等，新的电池生产成本下降了18%。但是具体如何做到的并没有详细的分析。

新的正负极材料——硅材料和高镍材料的舞台

在新的正负极材料的介绍上，特斯拉给出了一些信息，但是显然非常模糊。比如在阳极材料方面，特斯拉提到了他们使用了纳米化的硅材料制作的新硅材氧化反应极（对应电池负极）。简单来说就是硅材料破碎后进行纳米球化，加入弹性离子聚合物图层，实现稳定的硅材料表面结构，然后再用于制作相关锂电池的负极。特斯拉说明这样制作的成本是最低的，能达到大约1.2美元每千瓦时。相比之下，之前的硅材料使用方法大约是6.6美元或者10.2美元每千瓦时，特斯拉大幅度降低了硅材料的应用成本。最终，相比现有以石墨等材料为基础的电池负极材料，特斯拉的新技术和硅材料带来了大约5%的成本降低。

在电池的还原反应极材料方面（对应电池正極），特斯拉介绍了现在的材料的情况，包括钴、镍和铁。特斯拉的技术路线是最大化镍材料，即采用高镍材料，无钴化设计，并且采用了新型的图层和掺杂剂，以实现每千瓦时15%的材料减少。特斯拉还提到在正极材料方面的多样化选择，比如对小汽车、蓄电站等需要长循环寿命的场所，采用铁基材料;在汽车等需要更强能量存储的场合使用镍和锰材料作为基础;在重卡、皮卡等质量敏感的设备上，则使用高镍材料作为基础。总的来说，在电池正极方面，特斯拉带来了12%的成本降低。

另外，特斯拉在制造方面采用了全新的流程和工艺，不再使用硫酸和多余的金属，只是用少量的水并且完全不排放废水，也没有额外的副产品。最终降低了66%的投资、减少了76%的处理费用，还直接使用镍粉简化了金属的精炼回收过程。镍粉的来源则是矿藏、制造过程的改进和旧电池的回收等，并目可以保持未来大约10年的可持续发展。

全新汽车结构带来汽车成本降低

对电动汽车来说，电池本身的重量和强度是可以和车身结构很好地结合在一起的。特斯拉这一次在电池日上还带来了全新设计的电池车身结构。特斯拉的数据显示，新的结构带来了10%的重量降低、14%的相对提升续航能力、减少了370个部件、降低了7%的成本。其中一些显著的改进包括之前采用的四个区分开来的电池仓现在在使用全新的电池后合并在一起，并进一步下沉。这样可以降低制造困难并节约成本。另外，特斯拉的车身工厂未来还会减少每GWh 55%的投资和35%的占地面积。

电池驱动未来，解密尚待时间？

在上述所有技术介绍完成后，特斯拉带来了1张幻灯片和3个数字用于总结本次发布会：在里程方面，特斯拉通过全新的电池设计、全新的电池阴阳极材料和全新的电池集成方式的改进，带来了54%的提升;在每千瓦时价格方面，通过全新的电池设计、全新的电池工、全新的阴阳极材料以及全新的电池集成设计特斯拉带来了56%的价格下降;在每GWh时的投资降低方面，特斯拉通过全新的电池设计、电池工厂、阴阳极材料和电池集成设计带来了69%的价格降低。并目特斯拉还宣称自己的电池价格降低曲线将比预测的数值更低，更具有竞争力。

本次发布会上技术方面的内容就是本文介绍的这些了。值得一提的是，特斯拉发布会后股价应声大跌，其原因也不难猜测，特斯拉在本次发布会上并没有拿出太多实际的东西，比如电池设计方面包括无极耳方案、新的阴阳极材料等，都是泛泛而谈，没有展示更多更为实际的技术和内容。在自动化工厂的设计上，特斯拉之前并不具有工厂自动化机械设计的能力，要依靠合作伙伴外采，而全世界在自动化工厂上最领先的国家也不位于美国。其余的还有包括电池材料、制造技术尤其是阴阳极材料设计方面，中日韩是这些技术的领先国家，现在特斯拉突然出现说自己已经掌握了这些技术并且将在三年后大规模推广，同时又拿不出太多技术和证据，的确让人迷惑。

总的来看，作为目前全球最大、最热门的新能源汽车尤其是电动汽车厂商，特斯拉在本次发布会上带来的计划无疑是雄心勃勃的，其垂直整合整个电动汽车行业的计划以及小到连电极材料都要自己研发的想法还是非常值得期待的。希望特斯拉下—次，能给人们一个大大的惊喜。作为那个屡屡创造奇迹、公司股价已经达到史无前例高峰的特斯拉，如果三年后的2023年真的做出来点什么，应该也不会太令人惊讶吧？