刚刚,马斯克发布革命性电池技术,史上最便宜的特斯拉要来了

person李超凡

北京时间今天凌晨,在被埃隆·马斯克称为「特斯拉史上令人激动的一天」的电池日(Battery Day)上,特斯拉发布了一系列新的电池技术,将让电池成本大大降低,这也意味着特斯拉要降价了。

马斯克称特斯拉有信心在未来三年内生产一辆售价仅为 25000 美元(约合 17 万人民币)的电动车,这会是史上最便宜的一辆特斯拉汽车。

这也是特斯拉首次专门针对电池技术举办发布会,对于特斯拉而言,甚至比发布任何一款新车都要重要。用外媒 Teslarati 的话来说,这或将改变整个电动车行业的的未来。

电池成本下降 56%,史上最便宜的特斯拉要来了

马斯克在开场就点名表扬提到了特斯拉在中国上海的工厂,认为这家工厂用 15 个月就从荒地到开工,十分了不起。

马斯克一如既往屡曝金句,他是这样定义特斯拉这家公司的:

特斯拉既是一家软件公司,也是一家硬件公司,可以把我们的车看作是轮子上的笔记本电脑。

马斯克还表示,目前电池生产面临最大的两个问题,一是电池规模有限,以及价格依旧过高。为了突破这个瓶颈,特斯拉需要在降低成本的同时提高能量密度。

在今天的发布会上,特斯拉也带来了具体的解决方案。

特斯拉正式发布了一款无极耳电芯,通过激光技术将传统电池凸起的极耳结构去掉,导电涂层直接与电池端盖接触,缩小电流移动的距离,并降低内阻。

这款电池高 80mm,直径 46mm,能量密度可提升五倍,最高或能达到 200 Wh/kg,增加 16% 续航 提供的电量增大 6 倍。

此外无极耳电极中的导电涂层与电池端盖的有效接触面积达到 100%,使得散热能力提升,也解决了电池过大容易导致的发热问题。

马斯克强调,这款电池并不只是一个概念产品,而是有望实现量产。

特斯拉还对电池中的硅进行重新设计,成本降至 1 美元/千瓦时, 同时可以提升 20% 续航里程。还将推出无钴电池,以以镍元素取昂贵的钴元素作为电池原材料。

要把电池元素中的硅进行重新设计,1 千瓦时只需要一美元,同时,涂层一项可提升 20 % 续航里程。推出无钴电池,通过金属元素镍替代昂贵的钴元素作为电池原材料。 ​

未来特斯拉将在中高端车型采用这种含镍电池,而在中低端车型将采用成本和能量密度都更低的磷酸铁锂电池。

除了电池设计,被马斯克称为「制造机器的机器」的生产工厂也至关重要。马斯克表示新制造工艺能大幅提升工厂效率,单条生产线的产能可以达到现在同类产品的 7 倍。

这样一来,一条生产线上就能实现 20GWh 的电池产量,而整间工厂里能实现 TWh 级别的产能,目标在 2022 年达到 100GWh 产能,2030 年达到 3TWh,整体成本下降 18%。

电池工艺的变革也让特斯拉对整车结构进行调整,将电池直接集成到底盘框架中,这意味着电动车可以装更多电池,续航也为随之提升,甚至可能突破 1000 公里。

而且车尾也会采用一体铸造工艺,可以大大节省生产流程和生产时间,让每台车减少 40% 的成本和 79 个零部件。

最令人激动的是,马斯克还「剧透」了一辆即将面世的新车,售价仅为 25000 美元(约合 17 万人民币),这也会是史上最便宜的一辆特斯拉汽车,比前段时间拼多多补贴的特斯拉还要便宜好几万。

这主要得益上述电池技术让电池成本下降了 56%,这无疑是电动车行业史上一个重要的里程碑

至于什么时候能买到这辆特斯拉电动车,马斯克早前在 Twitter 表示电池日上发布的产品要到 2022 年才能实现大批量生产,估计还要再等上一段时间。

最后特斯拉还发布了新款 Model S,百公里加速不到 2 秒,最高时速 320km/h,续航 832km,现在已经可以预定,不过要到 2021 年才能交付。

特斯拉的电池革命

早在 2018 年,马斯克就在特斯拉自动驾驶投资者日的演讲中提到过特斯拉的目标,是要生产整车成本低于 3.8 万美金、电池运行里程 160 万公里的车辆、3.5 英里/kWh 的超低能耗的电动车。

要实现这个目标的前提就是电池技术的革新,为此特斯拉找来了锂电池专家、加拿大皇家科学院院士 Jeff Dahn 担任特斯拉首席科学家,并提供「5 年数额可观的研究经费」,旨在开发寿命更长,能量密度更高、成本更低的锂离子电池。

▲ Jeff Dahn.

去年 Jeff Dahn 团队在《电化学学会杂志》发表了一篇论文,表示他们已经研制出新一代锂电池,可以为一辆电动汽车提供累计超过 100 万英里(约合 160 万公里)动力,而目前特斯拉 Model 3 电池寿命最高才 80 万公里。

据论文介绍,这种新型电池放电 1000 次之后还有 95% 的寿命,经过 4000 次循环后也只消耗 10%,而一般的锂电池锂能提供 1000-2000 次的放电循环。

这款电池的使用寿命能达到一般电池的 2-3 倍,是因为采用了新一代单晶 NCM 阴极和新型电解质,这种单晶体纳米结构在充电过程中更加稳定,不容易产生破裂而导致电池性能和寿命衰减。

160 万公里行驶里程是什么概念?按照 Medium 一篇文章的说法,以美国人私家车的平均使用年限和平均总里程计算,这足够让一辆汽车在路上跑 76 年。

160 万公里寿命的电池意味着你把车开到报废电池也还能再用好几十年,不禁让人怀疑,这样过剩的性能真的有必要?

当然有必要。

首先「160 万公里电池」可以让电动车的保值率提升,这会给消费者更大的购买动力。过去电动车的保值率一直低于燃油车,最主要的原因就是电池寿命短,这大大降低二手车的价值。

长续航的电动车还可以用于行驶公里更长的出租车和长途货运,据统计一辆卡车每年可以行驶 16 万公里到 24 万公里。

平安证券一份报告指出,「160 万公里电池」或将用于特斯拉的无人出租车 Robotaxi。马斯克曾表示特斯拉计划在 2020 年底前生产 100 万辆 Robotaxi,以一辆 Robotaxi 每天运行 300 公里计算,「160 万公里电池」可以让 Robotaxi 在不更换电池的情况下持续使用 15 年。

▲ Waymo 无人驾驶出租车.

此外在车辆生命周期结束后,电池还能收回利用,用于低配车型,或者太阳能等有储能需求的领域,进一步降低电池的使用成本。

▲  图片来自:平安证券

除了组建研发团队,特斯拉去年还先后收购超级电容生产商 Maxwell 和锂电设备制造商 Hibar 来提升自己的电池制造工艺。

Maxwell 是全球第一的超级电容器生产商,在电池领域拥有超级电容和干电极技术两项核心技术。

和智能手机类似,电动车缓解续航焦虑的另一个方式是提高充电效率。超级电容可以电池提升快充效率,在 10 分钟内可达到其额定容量的 95%,同时有更长循环使用寿命,

此前特斯拉主要通过升级充电桩来实现快充,其中去年推出的 V3 超级充电桩,支持最高 250kW 充电功率。部分 Model 3 车型充电 15 分钟就可行驶 250 公里。

此外超级电容的工作温度范围更大,可以在-40℃~+70℃ 的环境下正常运行,能缓解电动车在冬季常遇到的续航衰减问题。

至于干电极技术则可以大幅提升电池的能量密度,目前 Maxwell 电极已经可实现超过 300Wh/kg 的能量密度,预计今年就能达到 385 Wh/kg,到 2025 年后达到 500Wh/kg。

目前特斯拉能量密度最高的电池,是 Model 3 采用的松下 2170 电池电芯,能量密度为 260 wh/kg。马斯克曾经说过,当动力电池的能量密度达到了 400Wh/kg,商用的电动飞机就具备可行性。

一位从事电池研发多年的技术人员 Tiger 曾告诉爱范儿,现阶段电池的技术瓶颈主要在能量密度、循环寿命和温度特性,这让电动车在里程、安全、成本几方面面临较大问题。

▲ 电动车内电池组的单节电池

上述这些电池技术都在一定程度上解决了里程焦虑和安全性的问题,但如果不能进一步降低成本,电动车要大规模普及依旧有一定难度。

不过这也是马斯克擅长的,SpaceX 通过火箭再回收大大降低成本,而在特斯拉电动车上,新的电池技术将承担这个重任。

马斯克想让燃油车成为一匹昂贵的马

2008 年 2 月,特斯拉交付了首款量产的电动车 Roadster,用的是松下生产的 18650 钴酸锂电池,电池的成本高达 600-800 美元/kWh,是汽油价格的 3-4 倍。整车售价达到 109000 美元,注定这是富人的玩具。

要降低电动车成本,关键在于降低电池成本,因为电池组就能占到电动车成本的一半左右。

美国能源部曾提出将电池成本的目标定位为 100 美元 / kWh,一旦达到这个水平,电动车的价格就可以和燃油车达到同一个水平。

据外媒 Electrek 报道,特斯拉内部的电池项目 Roadrunne,就是以大规模量产成本 100 美元 / kWh 的新型电池为目标。

然而十年前行业电池系统的成本普遍超过 1000 美元/kWh,不少电池专家都认为 100 美元 / kWh 的目标不太可能实现,因为电池的效率提升速度远未达到现芯片领域每 18 个月增加 1 倍的摩尔定律。

不过投资机构瑞银一份报告显示,松下和特斯拉生产的锂电池成本已经低至 111 美元/kWh,已经是电池行业内的第一名,距离 100 美元 / kWh 的目标只有一步之遥。

▲  图片来自: Financial Times

为什么电动车的电池的成本这么高?很大一部分原因是来自钴这种电池原材料。在包括特斯拉在内的大部分电动车中,钴是重要的电池原材料,它可以防止电池过热和延长使用寿命等。

而钴是一种稀有金属,储量有限,全球已探明的钴矿储量大约 700 万吨,按照去年 14 万吨的开采量计算,50 年后钴将被耗尽,而电动车数量的增加还会把这个时间提前。

▲位于刚果的一座钴矿. 图片来自:DW

加上全球超过一半的钴储量都集中在动荡不安的刚果,让钴的价格不断攀升, 2018 年甚至突破了 66 万元/ 吨,这让电池的成本居高不下。

那么难道就不能不用钴来制作电池吗?

当然可以,目前已经被验证的两种电池技术,一种是含钴的三元锂电池,另外一种就是不含钴的磷酸铁锂电池,后者的成本更低且寿命更长。

据路透社报道,特斯拉正在和国内电池巨头宁德时代生产一种磷酸铁锂电池,电池组成本甚至降到了 80 美元/KWh,国产 Model 3 在工信部的新车目录中已经出现了磷酸铁锂电池版本。

用磷酸铁锂电池降低成本的代价是能量密度的下降,这意味着同等质量下磷酸铁锂电池的续航能力要比含钴的三元锂电池低,不能同时解决里程焦虑和成本问题。

以宁德时代为例,能通过 CTP 技术让磷酸铁锂电池能能量密达到 160 wh/kg,这已经是目前磷酸铁锂电池的极限,不过比起三元锂电池还有不小距离。

▲比亚迪的「刀片电池」也是磷酸铁锂电池.

不过「无钴化」确实是电池发展的方向,尽管目前特斯拉的电池还离不开钴,但历代产品电池的钴含量在不断降低,而在今天的电池日上特斯拉也重点介绍了无钴电池。。

担任特斯拉首席科学家的 Jeff Dahn 在一次采访中表示,他们所做的一切都是针对三个目标:降低电池成本、延长使用寿命和提高能量密度

要实现其中一个目标并不算难,但同时实现这三个目标才称得上是革命性的创新。过去 20 年可商用的电池技术没有取得太大突破,但激增的市场需求迫使人类要尽快找到更好的电池方案,《自然》杂志曾在 2018 年预测「我们距离锂电子电池革命仅剩下 10 年。」

今天特斯拉的电池日,可以说是锂电池革命重要的一步。电动车要普及,降低成本是必由之路,但如果同时不能在使用寿命和能量密度上取代突破,要取代燃油车依旧不容易。

马斯克曾表示,他希望除了火箭,所有交通工具都可能实现电动。要实现这个梦想,首先就要让电动车的竞争力不亚于燃油车,让消费者觉得燃油汽车已经过时,就像卡内基·梅隆大学教授 Venkat Viswanathan 所说的

马斯克希望让你把燃油汽车看作是一匹昂贵的马。

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