特斯拉取代汽油車的夢(mèng)想似乎已經(jīng)近在咫尺。

2月27日，特斯拉內(nèi)部出現(xiàn)了一個(gè)名為Roadrunner的秘密項(xiàng)目，旨在用“制造機(jī)器的機(jī)器”(自主制造設(shè)備)戰(zhàn)略大量生產(chǎn)更便宜的電池。這個(gè)項(xiàng)目由特斯拉編寫了近年來(lái)電池研究的大成。電動(dòng)車媒體electrek稱，將電力電池成本降低到100美元/千瓦時(shí)是低于美國(guó)汽油成本的目標(biāo)。

"如果與大規(guī)模生產(chǎn)相結(jié)合，這是電動(dòng)汽車推廣的“圣杯”。"美國(guó)媒體這樣寫道。特斯拉電池制造工程師激動(dòng)地說(shuō)?！翱靵?lái)重新創(chuàng)造鋰離子電池制造技術(shù)！”

和特斯拉是如何實(shí)現(xiàn)這一壯舉的，將于4月20日電池日公布。"沒(méi)有鈷不一定會(huì)成為磷酸鐵鋰."特斯拉之前曝光過(guò)。有理由認(rèn)為，這是在高鎳陰極上使用硅陽(yáng)極電池電極準(zhǔn)備超容量動(dòng)力回收的電池方案。

2月3日，特斯拉宣布與電力電池領(lǐng)先的寧德市時(shí)代合作，在國(guó)產(chǎn)型號(hào)3中使用便宜的磷酸鋰電池。這為殺死進(jìn)退兩難的中國(guó)市場(chǎng)打開(kāi)了大門。

特斯拉的發(fā)展過(guò)程在制造技術(shù)和電池技術(shù)上幾乎走了兩條腿。從18650鈷酸鋰電池的突破性使用到NCA三元鋰電池的另一種流行，為了降低磷酸鐵鋰電池的價(jià)格，正在探索無(wú)鎳鈷電池技術(shù)。(威廉莎士比亞，《北方專家》)。

把四驅(qū)車電池裝進(jìn)跑車

1980年，古迪納夫發(fā)明了鈷酸鋰(LixCoO2)作為陰極的鋰離子電池。這種電池發(fā)明后沒(méi)有得到工業(yè)界的認(rèn)可，日本索尼主動(dòng)伸出橄欖枝。1991年，索尼推出了第一款商用鋰離子電池18650。

18650代表電池規(guī)格。直徑18毫米，長(zhǎng)度65毫米，0表示圓柱形。鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、NCA三元電池等名稱都是指負(fù)極材料。

要理解它的創(chuàng)造性，首先要說(shuō)電池的原理。在電池負(fù)極中，鋰失去電子，轉(zhuǎn)換成更貴的鋰離子，進(jìn)入電解質(zhì)，然后通過(guò)隔膜移動(dòng)到正極。鋰離子可以通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，但電子不行，只能從外部電路跑到兩極，在外部工作。這就是電池的放電過(guò)程。

鈷酸鋰電池原理，資料來(lái)源：Visual Capitalist

鋰的優(yōu)點(diǎn)是可以提供更多的電子。因?yàn)橹挥性油鈱与娮硬拍苻D(zhuǎn)移，所以參與工作意味著原子量越小，能量密度越高。(威廉莎士比亞，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)鋰是3號(hào)元素，由自然界中的兩個(gè)同位素組成，相對(duì)原子量只有6.9。另外，鋰離子半徑小，容易在電解質(zhì)中移動(dòng)，充電放電快，效率高。

18650鈷酸鋰電池發(fā)明后，很快以小而高的能量密度應(yīng)用于電子產(chǎn)品。但是還有一個(gè)缺陷。鈷酸鋰在電壓高于4.6V時(shí)相變，導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散緩慢，陰極材料產(chǎn)生應(yīng)力，晶體結(jié)構(gòu)崩潰。

為此，1997年，古迪納夫又發(fā)明了磷酸鐵鋰電池，就是今天特斯拉與寧德市時(shí)代合作生產(chǎn)的電池。這種電池更穩(wěn)定，在高電壓下不發(fā)熱，不含昂貴的鈷。但是能量密度低，功率低。采用這種電池其實(shí)是退還費(fèi)用的第二種方法。

幾種主要鋰離子電池，除鋰以外的金屬成分和用途，資料來(lái)源：Visual Capitalist

2003年秋天，ELON MUSK(ELON)產(chǎn)生了連接10000節(jié)18650鈷酸鋰電池為電動(dòng)車供電的瘋狂想法。他遇到了電池專家、瘋狂崇拜馬斯克J.B .斯特羅貝爾。在他們的愿景中，這是一個(gè)預(yù)算為2500萬(wàn)美元的簡(jiǎn)單項(xiàng)目：幾名工程師改裝汽油車就可以了。

2005年，第一輛特斯拉rodster原型車出發(fā)了。但是他們很快面臨第一個(gè)障礙。

2007年美國(guó)獨(dú)立日，沉溺于節(jié)日的特斯拉工程師們?yōu)榱丝駳g，點(diǎn)燃了20塊綁在一起的電池。這些電池像火箭一樣飛走了。特斯拉員工流著冷汗：Roadster是為富人打造的，如果富人坐在這輛車上葬身火海會(huì)怎么樣？

他們需要找到控制電池電壓電流、更好地散熱的新技術(shù)。

這時(shí)特斯拉創(chuàng)始人之一馬克塔彭寧幫了忙。他開(kāi)發(fā)了一個(gè)分層管理方案，使用管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的方法來(lái)控制特斯拉電池，將69塊18650電池并行封裝成電池磚。9塊電池磚用一個(gè)電池片連接在一起。11個(gè)電池片是一個(gè)電池組，共6831個(gè)部分。

由電池模塊(Module)和電池組(Pack)組成的單芯(Cell)使您能夠在維修時(shí)輕松更換部件。這三個(gè)水平也有單獨(dú)的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和保險(xiǎn)絲，如果電流過(guò)大或電池過(guò)熱，就會(huì)融化斷電。

據(jù)說(shuō)，該電池控制系統(tǒng)已成為特斯拉的核心資產(chǎn)，并在首次上市時(shí)定價(jià)。

超過(guò)20000美金，遭到業(yè)內(nèi)人士唱衰。但伴隨其他電動(dòng)車雪佛蘭Volt、Fisker Karma相繼發(fā)生起火事故，特斯拉Roadster卻證明了自己的安全性，逐漸為消費(fèi)者接受。據(jù)Relecura統(tǒng)計(jì)，特斯拉的大部分專利都與Battery（電池）、Charging（充電）和Electric Motor（電機(jī)）有關(guān)。

特斯拉專利的分布統(tǒng)計(jì)，來(lái)源：Relecura

在2007年，特斯拉公開(kāi)了Roadster電池系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)，解釋了為何青睞18650：它足夠小，因此發(fā)生故障的影響要小于大尺寸電池單元。它的表面積/體積也足夠大，能保障很好的散熱。最重要的是，它在消費(fèi)市場(chǎng)廣為應(yīng)用，使得能量密度和功率上升的同時(shí)，成本卻在下降。

在嘗試了500多家供應(yīng)商后，特斯拉最終在Roadster上選擇了松下，生產(chǎn)18650鈷酸鋰電池。當(dāng)時(shí)的電池成本在600-800美元/kWh，大約是美國(guó)汽油的3-4倍。這對(duì)富人開(kāi)的Roadster尚不是瓶頸，但對(duì)普及電動(dòng)車仍過(guò)于昂貴。按照美國(guó)環(huán)保署數(shù)據(jù)，Roadster的NEDC續(xù)航里程為393公里，要搶占汽油車市場(chǎng)也仍需繼續(xù)提高。

尋找更低價(jià)電池

在生產(chǎn)Model S時(shí)，特斯拉將目光投向了三元鋰電池。這種電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域通常有兩種：NCA811（鎳鈷鋁鋰電池）或NCM811（鎳鈷錳鋰電池），811代表三種材料的比例。特斯拉使用的是前者。

三元鋰電池的好處在于，它的陰極由三種材料構(gòu)成，能達(dá)到比單一材料更高的能量密度。以NCA811電池來(lái)說(shuō)，能量密度能達(dá)到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650鈷酸鋰電池能量密度為211Wh/kg。

由于鋰電池的陽(yáng)極石墨的鋰離子容量遠(yuǎn)超陰極，因此提升能量密度主要在陰極下功夫。在三元鋰電池里，提升鈷和鎳的比例，都能提高熱穩(wěn)定性和能量密度。這也是全球改進(jìn)電池的主要方法。據(jù)Visual Capitalist統(tǒng)計(jì)，在2020年全球約75%的電池都含有一定量的鈷。

但鈷的問(wèn)題在于，它太貴了。鎳在全球分布廣泛，地殼含量?jī)H次于氧硅鋁鐵鎂。而鈷的全球60%產(chǎn)量都來(lái)自剛果，這一地區(qū)深陷武裝沖突、雇傭童工等問(wèn)題，供給增速遠(yuǎn)低于需求增速。在2015年前的二十年里，鈷的價(jià)格已經(jīng)飆升6倍，從2萬(wàn)美元/噸翻到12萬(wàn)美元/噸。

鈷的價(jià)格隨年份飆升

在NCA電池里，鈷含量5%（NCM則為10%）。這使得Model S能繼續(xù)降低電池成本，大約為240美元/kWh。

當(dāng)然，NCA電池的陰極比NCM更不穩(wěn)定，在250-300攝氏度便會(huì)分解；而電動(dòng)車收到撞擊時(shí)，電池隔膜破裂造成短路，很容易能讓電池溫度超過(guò)300攝氏度。這對(duì)特斯拉的電池管理和散熱提出了更高考驗(yàn)。但在占全車成本40%的電池面前，價(jià)格才是首要問(wèn)題。

與中國(guó)的寧德時(shí)代一樣，松下乘上了特斯拉快車，產(chǎn)能也一路高歌猛進(jìn)。2013年10月，松下與特斯拉簽訂協(xié)議，將為Model S在未來(lái)四年供應(yīng)18億顆電芯。2014年9月，雙方宣布將在內(nèi)華達(dá)州建設(shè)鋰離子電池工廠Gigafactory 1。

松下執(zhí)行副總裁山田佳彥曾表示，“今天的電池產(chǎn)能是以前的三倍，為什么？這是特斯拉和松下員工一起工作的結(jié)果。”松下的客戶結(jié)構(gòu)極為單一，主要客戶是特斯拉，其次是豐田，用山田佳彥的話說(shuō)，雙方關(guān)系是“密切而獨(dú)特的”。

然而松下的產(chǎn)能逐漸開(kāi)始拖累特斯拉。2019年4月13日，馬斯克發(fā)推文表示“超級(jí)工廠的電芯產(chǎn)能只有24GWh，從7月份開(kāi)始一直限制Model 3的產(chǎn)能，在產(chǎn)能到達(dá)35GWh之前，特斯拉不會(huì)再投錢進(jìn)去?！?/p>

對(duì)比鮮明的是，松下為了跟上Model 3的量產(chǎn)步伐，一直在投入Gigafactory 1，在2018年底發(fā)布的半年報(bào)顯示，電池業(yè)務(wù)已經(jīng)出現(xiàn)兩個(gè)季度的虧損。2019年，日經(jīng)又傳出雙方計(jì)劃在2020年提升工廠產(chǎn)能從35GWh到54GWh的計(jì)劃泡湯。

2019年8月，有媒體發(fā)現(xiàn)特斯拉打算與LG化學(xué)合作，采購(gòu)更多電池用于在中國(guó)投產(chǎn)的電動(dòng)車。2019年12月，中國(guó)工信部發(fā)布《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》，顯示國(guó)產(chǎn)Model 3有兩種型號(hào)電池，分別使用松下和LG化學(xué)的電芯，NEDC續(xù)航里程（接近實(shí)際路況）分別為445公里和455公里，能量密度分別為145Wh/kg和153Wh/kg。

而在此前9月，松下社長(zhǎng)津賀一宏剛向媒體吐過(guò)苦水：“埃隆多次要求降低采購(gòu)價(jià)格，有一次我回應(yīng)他，如果再這樣下去，我們要考慮撤走超級(jí)工廠的全部松下員工和設(shè)備。”被問(wèn)及是否后悔投資特斯拉超級(jí)工廠，他回答道“是的，當(dāng)然”。

特斯拉的移情別戀還未結(jié)束。2020年2月3日，寧德時(shí)代，作為中國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量50%以上的龍頭，宣布將向特斯拉提供鋰離子電池。這是一種磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，雖然無(wú)鈷但能量密度較低，依靠CTP（Cell to Pack，指電芯直接整合進(jìn)電池包）技術(shù)才能達(dá)到160Wh/kg能量密度，并且在低溫表現(xiàn)也遜于NCA。

但它的好處是便宜，據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，磷酸鐵鋰電池價(jià)格能降低到0.7元/Wh以下，而三元鋰電池通常在0.9元/Wh。據(jù)東方證券分析師表示，以50kWh車型為例，從三元鋰電池改用磷酸鐵鋰電池，補(bǔ)貼雖減少約2000元，但電池成本可降低1.2萬(wàn)元。

值得注意的是，人們常說(shuō)的“無(wú)鈷電池”是指在三元鋰電池中降低鈷用量，而非使用能量密度更低的磷酸鐵鋰電池。在國(guó)產(chǎn)Model 3上使用磷酸鐵鋰電池，可能是特斯拉為降低售價(jià)所采用的權(quán)宜之計(jì)。

要做“自己命運(yùn)的主人”

2月21日，特斯拉在官方帳號(hào)上表示：“無(wú)鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰?！辈⒈硎驹谒脑聦⑴e行電池發(fā)布會(huì)。特斯拉很可能將宣布自己的無(wú)鈷電池進(jìn)展。

據(jù)平安證券預(yù)計(jì)，特斯拉有望采用高鎳正極+硅碳負(fù)極（摻鋰）+干電極+超級(jí)電容的技術(shù)組合。

這種判斷十分符合行業(yè)認(rèn)知。高鎳正極能提高能量密度，但會(huì)降低熱穩(wěn)定性，而干電極能解決這一問(wèn)題。摻硅的負(fù)極能提高鋰離子容量，保證負(fù)極不成為瓶頸。超級(jí)電容則能回收車輛啟停浪費(fèi)的能源。

在過(guò)去幾年里，特斯拉已經(jīng)為這一刻做好了準(zhǔn)備：

• 2019年收購(gòu)超級(jí)電容生產(chǎn)商Maxwell，其核心技術(shù)是超級(jí)電容器和干電極。

  其中，超級(jí)電容器可以回收電動(dòng)車加速、減速、啟停浪費(fèi)的能源，與作為主動(dòng)力的鋰電池搭配使用。（如果類比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，鋰電池相當(dāng)于硬盤，超級(jí)電容器相當(dāng)于內(nèi)存。）在2017年Maxwell已經(jīng)申請(qǐng)了混合動(dòng)力平臺(tái)的超級(jí)電容+鋰電池的方案專利。

  干電極技術(shù)是指，在制作電極時(shí)直接將粘合劑和正極粉末混合，擠壓成電極材料片，然后壓到金屬箔上。它能克服三元鋰電池的高鎳電極熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，使電池能量密度能大于300Wh/kg，并有實(shí)現(xiàn)500Wh/kg的可行路徑。

• 2019年收購(gòu)鋰電池設(shè)備制造商Hibar。這是電池制造設(shè)備領(lǐng)域首屈一指的公司，以精密計(jì)量泵、注液系統(tǒng)及電池制造系統(tǒng)而聞名。

• 2020年，據(jù)Electrek報(bào)道，特斯拉正在弗里蒙特建造一條電池生產(chǎn)線試點(diǎn)，計(jì)劃用自己的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)電池。此前2019年6月，特斯拉在弗里蒙特的名為“Skunkworks Lab”的電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室曝光。

• 2020年，有分析者猜測(cè)特斯拉收購(gòu)了SilLion。這家公司為商用圓柱形電池研發(fā)硅陽(yáng)極、高鎳NCM陰極和不易燃的離子電解質(zhì)。這是為數(shù)不多能提高陽(yáng)極性能的專利。相比石墨陽(yáng)極每6個(gè)碳原子儲(chǔ)存1個(gè)鋰離子，硅陽(yáng)極每個(gè)硅原子能儲(chǔ)存4.4個(gè)鋰離子。

值得一提的是，特斯拉可能在自研電池上探索NCM路線。2016年特斯拉從3M挖來(lái)電池研究伙伴Jeff Dahn，對(duì)方正是NCM電池專家，曾在2017年演示過(guò)一項(xiàng)技術(shù)：提高NCM電池的某種成分，能讓電池在車輛行駛48萬(wàn)公里后仍有出廠容量的95%。2019年9月，他在論文中描述了一種電池，能在電動(dòng)汽車上使用超過(guò)160萬(wàn)公里。特斯拉最近收購(gòu)的SilLion，專利也在NCM領(lǐng)域。最近國(guó)產(chǎn)Model 3更是用上了LG化學(xué)的NCM電池。

在2019年股東大會(huì)上，特斯拉元老J. B.斯特勞貝爾（曾擔(dān)任特斯拉電池專家和CTO）說(shuō)過(guò)：“我們需要大規(guī)模的電池生產(chǎn)解決方案?！碧厮估夹g(shù)副總裁德魯·巴格利諾則補(bǔ)充說(shuō)：“希望特斯拉能在電池領(lǐng)域成為‘自己命運(yùn)的主人’（master of their own destiny）”。可以想見(jiàn)，特斯拉親自殺進(jìn)動(dòng)力電池領(lǐng)域已經(jīng)不遙遠(yuǎn)了。

參考資料：

《特斯拉的動(dòng)力電池夢(mèng)》，平安研究

《The Future of Battery Technology》，Jeff Desjardins

《特斯拉與松下的“戰(zhàn)爭(zhēng)”》，陸三金

《馬斯克：下一步我干啥，你猜》，孫鳴遠(yuǎn)

《第一個(gè)將鈷酸鋰電池應(yīng)用于汽車，Tesla憑什么？》，任海寧