“電池之光”：“白癡”竟是我自己

時間:2024-07-02 10:42來源:汽車商業(yè)評論 作者:周洲
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        2023年年初，馬斯克稱，2024年將成為“4680”年。
 
        結(jié)果，今年成了4680難產(chǎn)年。
 
        據(jù)Autoevolution報道，由于能量密度和充電性能不盡人意，且成本更高，特斯拉正在考慮停止在德克薩斯州Giga 工廠生產(chǎn)4680大圓柱電池。
 
         如果降本無法在年底前達(dá)到預(yù)期效果，特斯拉將放棄4680電池生產(chǎn)，轉(zhuǎn)而向外部供應(yīng)商采購。
 
         4年前的特斯拉電池日，為了降低電池的白癡指數(shù)而橫空出世的4680大電池，如今成了白癡本癡。
 
         一位電池企業(yè)高管對汽車商業(yè)評論稱，特斯拉4680大電池的難產(chǎn)不在于電芯生產(chǎn)，而是特斯拉堅(jiān)持的干法電極涂布工藝穩(wěn)定性欠佳。
 
         這項(xiàng)原本為了降低成本而出的新工藝不僅沒能降低成本、保證良率、提高能量密度，反而由于生產(chǎn)的不穩(wěn)定拖了Cybertruck的交付后腿。
 
         不過，這位高管認(rèn)為，特斯拉暫停甚至廢棄自造4680大電池并不會影響大圓柱電池的市場需求。僅Cybertruck的訂單就達(dá)到200萬輛，而特斯拉目前的電芯產(chǎn)能僅夠供應(yīng)2.4萬輛Cybertruck。
 
白癡指數(shù)
 
         《埃隆·馬斯克傳》中寫道，馬斯克不止一次提及他推崇的決策法寶：第一性原理。
 
         第一性原理提倡不要用類比，而要從事情最基本的組成元素中去推理考慮事情是否成立和具有意義。
 
         自造SpaceX 高達(dá)70%的火箭零部件、選擇不噴漆的不銹鋼作為cybertruck車身的設(shè)計(jì)均出自第一性原理。
 
         馬斯克本來想要找俄羅斯人購買二手火箭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對方的要價遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自己的預(yù)期。
 
         在因俄羅斯人離譜的出價感到氣憤時，他開始應(yīng)用第一性原理進(jìn)行思考，深入基礎(chǔ)的物理學(xué)情境，一步步在頭腦中構(gòu)建火箭發(fā)射的模型。他因此發(fā)展出了一個概念，叫“白癡指數(shù)”，用來計(jì)算某個制成品的成本比其基本材料的成本高多少。
 
         用零件的價格除以這個零件所需原材料的成本，便得出“白癡指數(shù)”。數(shù)字越大，代表這個零件 “越白癡”，要么中間環(huán)節(jié)太多，要么制造效率太低。
 
         2007年，馬斯克查詢倫敦金屬交易所的電池材料價格后，算出電池的 “白癡指數(shù)” 是7：當(dāng)時每kW·h電池的鋰、鈷、鎳等材料成本只有82美元，但鋰電池售價卻超過600美元。這一數(shù)字已是索尼、松下等電池公司努力20年的結(jié)果。
 
         于是給電池降本就成了特斯拉的第一要務(wù)。和自造70%的火箭零部件一樣，即使擁有松下、LG新能源、寧德時代這些全球第一梯隊(duì)的電池供應(yīng)商，也不能阻擋馬斯克在弗里蒙特和其他地方自建電池產(chǎn)線，以降低電池的“白癡指數(shù)”。如今越來越多的車企加入自研電池的行列，首要目標(biāo)也是降本。
 
          2020年9月，在特斯拉的電池日上，馬斯克推出一個像餅干盒一樣的4680圓柱電池，直徑為46mm、高度為80mm，被稱作大圓柱電池。
 
         特斯拉最初的動力電池是松下生產(chǎn)的1865（直徑為18mm、高度65mm）圓柱電池，是小圓柱電池，后升級為2170電池。
         除了具備能量密度高、功率性能好等優(yōu)勢，大圓柱電池被推出的一個重要原因在于降本。
 
         對于馬斯克來說，搭載體積更大的4680大電池就能減少電池單體的數(shù)量和焊接配件，從而簡化電池包結(jié)構(gòu)，降低材料的使用。
 
         此外，4680電池的正極材料采用了鎳鈷鋁（NCA）材料，在能夠提供更高的能量密度的同時，價格相對低廉。
 
         按照馬斯克的設(shè)想，大圓柱電池可以讓特斯拉電動汽車的續(xù)航里程提升16%，而生產(chǎn)成本降低50%。
 
         馬斯克此前曾表示，4680大電池將是特斯拉2023年計(jì)劃中的一個重要部分，特斯拉未來所有的電動車型，包括Model Y、Semi半掛式卡車、Cybertruck和Roadster 2電動跑車，都將使用4680大圓柱電池。
         此后，作為特斯拉供應(yīng)商的松下、LG新能源、寧德時代，以及比克電池、遠(yuǎn)景動力、億緯鋰能、國軒高科、中創(chuàng)新航、蜂巢能源、創(chuàng)明新能源、蔚藍(lán)鋰芯等電池企業(yè)先后將46系的大圓柱電池納入技術(shù)發(fā)展路徑。
 
         特斯拉以一己之力拉動了大圓柱電池的市場。
 
         可惜后面的量產(chǎn)之路，走得頗為坎坷。被稱之為“電池之光”的4680大電池，成了期貨。
 
干法電極的失利
 
         4680大電池提出4年了，雖然業(yè)界對前景一片看好，量產(chǎn)卻遭遇諸多挑戰(zhàn)，直到2023年中期，大圓柱電池才開始小規(guī)模量產(chǎn)。
         第一供應(yīng)商松下率先推遲了4680大圓柱電池的量產(chǎn)時間至2024年4月-9月，比原計(jì)劃晚了一年。
 
         特斯拉自產(chǎn)的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)供不應(yīng)求。2023年10月，特斯拉宣布突破了第2000萬個4680電池電芯的生產(chǎn)。這個產(chǎn)量，只能滿足2.4萬輛Cybertruck，200萬輛訂單要排到猴年馬月去了。4680電池的產(chǎn)能問題，也是導(dǎo)致Cybertruck交付緩慢的重要原因之一。
 
         困擾4680大圓柱電池的，還有良率和能量密度。
 
         據(jù)路透社等外媒報道，4月的數(shù)據(jù)顯示，特斯拉4680電池的良品率已達(dá)到95%。作為對比，松下2170圓柱電池的良品率是99%。
 
         4680電池當(dāng)初宣傳的能量密度、降低成本目標(biāo)，都沒有達(dá)到。
 
          從目前的信息來看，特斯拉第一代4680電池正極材料含鎳量為90%，鈷和錳有5%，能量密度估算有250Wh/kg左右。加州大學(xué)圣地亞哥分校的最新分析結(jié)果表示，特斯拉德州超級工廠生產(chǎn)的ModelY車型所裝配的4680大圓柱電池的單體能量密度僅為244Wh/kg，加州工廠生產(chǎn)的Model Y所裝配的松下2170圓柱形電池能量密度是269 Wh/kg。
 
         作為2170電池繼承者的4680大電池，當(dāng)初號稱有300Wh/kg的能量密度，結(jié)果實(shí)測反而不如2170電池。寧德時代已經(jīng)量產(chǎn)的麒麟電池，也有250Wh/kg的能量密度。
 
         前述負(fù)責(zé)大圓柱電池生產(chǎn)的電池企業(yè)高管對汽車商業(yè)評論稱，特斯拉4680大電池遇到的最大挑戰(zhàn)不是在電芯生產(chǎn)上，因?yàn)樗上潞蚅G新能源已經(jīng)開始為其供應(yīng)大圓柱電池電芯，“它最大的挑戰(zhàn)在于干法電級的制造技術(shù)不穩(wěn)定。”
 
         除了無極耳（也稱多極耳）之外，干法電級是4680大電池最不同主流的濕法電級的技術(shù)突破。
 
         把電池拉成平面，就是正負(fù)極壓合在一起的非常長的長方形。正負(fù)極之間那層白色的膜就是電池隔膜。
 
         正負(fù)極材料要事先在極片上進(jìn)行涂布，正極的極片載體是鋁箔，負(fù)極的載體是銅箔。濕法涂布就是先將正極或者負(fù)極材料溶解到特定溶劑中，加入粘合劑和添加劑之后形成漿料，再通過涂布機(jī)壓貼到極片表面。
 
         這個過程中，電極材料很像一種均勻的流體，烘干之后就比較堅(jiān)固。
 
         前述高管稱，濕法電極中不可或缺的溶劑是NMP——N-甲基吡咯烷酮，用于溶解鋰鹽和聚合物電解質(zhì)，占鋰電池制造成本的3%-6%。
 
         在制作電極片時，NMP作為溶劑將各種電極所需物質(zhì)融合在一起，提高鋰電池的能量密度和涂布質(zhì)量。它對于提高鋰電池的能量密度和涂布質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，一般通過冷凝回收處理并進(jìn)行純化處理后再次循環(huán)使用。
 
         但NMP帶有毒性，對人體和環(huán)境不友好，回收成本也比較高，尤其是最后的高溫烘干環(huán)節(jié)，加工完的極片要在長達(dá) 100 米、溫度達(dá) 90 度的烘箱中烘烤 12 個小時，在這個過程中充分蒸發(fā)有毒的溶劑NMP和水分，整個工序增加了制造成本。
 
         馬斯克認(rèn)為濕法工藝很低效：既然極片要做成 “干” 的，為什么要先把極片弄濕、再烘干？這就是他覺得電池制造的白癡部分。濕法涂布的設(shè)備、人工、廠房成本占整個電池制造的 22.76%。
 
         所以根據(jù)第一性原理，特斯拉采用干法電極涂布制造，剔除NMP。
 
         2019年特斯拉收購了超級電容企業(yè)Maxwell，正是為了獲得干法電極涂布技術(shù)。
         采用干法電極涂布技術(shù)，電極材料與粘合劑、導(dǎo)電劑等粉末混合后，直接壓貼在極片表面。
 
         這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于電級材料的粉末調(diào)配和粘合劑、導(dǎo)電劑的選擇。
 
         由于是直接壓貼，并且不使用NMP，干式電極涂布對環(huán)境友好，整個制造工藝簡單很多，可以制造出更厚的電極，增大材料密度，提高能量密度。
 
         實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，相比濕法電極涂布工藝，干法電極涂布的電極內(nèi)阻一致性強(qiáng)，循環(huán)性能更加穩(wěn)定。
 
         但是由于4680大電池太大了，在極片涂布時出現(xiàn)瑕疵的概率會增加。
 
         為了制造更厚的電極，涂布機(jī)需要增加壓力，確保電極材料的平整型，特斯拉還需要自己琢磨設(shè)備工藝。這就導(dǎo)致4680的良品率不如設(shè)想中的高，做出來的電極不穩(wěn)定，影響規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)而影響成本降低。
 
         前述高管稱，雖然特斯拉的4680大電池難產(chǎn)，但它的市場前景還不錯。失利僅僅是干法電極涂布工藝的失利，濕法涂布工藝依然奏效。
 
         特斯拉、寶馬等歐美系廠商的電池路線，主要放在46系大電池上。
 
         除了中國市場磷酸鐵鋰電池的比重占70%之外，該高管向汽車商業(yè)評論展示，亞太市場、美洲市場、歐非市場的NCM（正極材料為鎳鈷錳）三元電池占比分別為60%、68%、65%。
 
         該高管稱，在續(xù)航里程普遍達(dá)到500公里以上的D級車和E級車上，是能量密度在250Wh/kg以上的46系大圓柱電池的主市場。
 
         根據(jù)寶馬集團(tuán)的規(guī)劃，從2025年起，將在“新世代”車型中使用46系大圓柱電池。
 
         特斯拉自己不生產(chǎn)轉(zhuǎn)向外購之后，不論是主力車型Model Y還是訂單堆積的Cybertruck,都會促成一定規(guī)模的市場。
 
         東北證券研報指出，2025年全球46系列大圓柱電池裝機(jī)量有望達(dá)到255GWh，全球市場滲透率可提至20%。華泰證券預(yù)計(jì)，2027年全球大圓柱電池裝機(jī)量達(dá)429GWh，對應(yīng)的市場規(guī)模為2144.8億元，2023-2027年年均復(fù)合增長率可達(dá)110.7%。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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