特斯拉如何改变电池行业的游戏规则?

特斯拉一直在改写电池行业的游戏规则。

临近 4 月特斯拉电池日,曝光的信息越来越多,而这些信息指向了两点:

1.特斯拉准备生产自研电池,老伙伴松下将会慢慢出局;

2.特斯拉掌握的突破性的电池技术越来越多,接下来很有可能带来革命性的产品。

特斯拉作为全球最大的纯电动车制造、销售公司,2019 年一年一共交付了 36.7 万辆纯电动车,动力电池装机量超过了 22 GWh。

根据韩国 SNE Research 统计的数据,2019 年锂离子动力电池全球出货量为 116.6 GWh,也就是说特斯拉一家的电池用量,占了全球总出货量的近 20%。

所以特斯拉一旦调整策略,对于整个行业的影响不容小觑。

一家拥有「持续领先」电池前瞻技术的公司

2020 年 2 月 11 日,特斯拉首席执行官 Elon Musk 在推特上透露,今年 4 月特斯拉将在 Giga New York 工厂举行特斯拉「电池投资者日」。

据外媒 Electrek 透露,今年的「电池投资者日」上特斯拉有望推出能量密度高、循环寿命更长、成本更低的动力电池,也就是说时隔 4 年,特斯拉的电池技术即将迎来新的一轮迭代升级。

回顾一下,2016 年底特斯拉与松下共同研发的 2170 电芯首次曝光,2017 年量产上车,在 Model 3 长续航后驱版车型上实现了 664 km 的 NEDC 续航。

这是 2017 年 10 月工信部发布的第十二批免征车辆购置税的新能源汽车车型目录,从表中我们可以发现,在 Model 3 已经量产交付的时间点,国内大多数品牌的纯电动车只能做到 200-300 km 的 NEDC 续航,最出类拔萃的也不过 400 km,差距超过 60%。

如果你认为同时期 Model 3 并没有在国内交付,国内的数据不具备参考价值的话,我们再来看同时期的美国市场。

从这张美国能源部 2017 年发布的 EPA 续航统计可以看出,特斯拉 Model 3 以 310 英里的续航大幅领先第二名雪佛兰 Bolt 的 238 英里。

那么问题来了,行业的主流水平与特斯拉的差距有几年?

2019 年 9 月广汽新能源正式发布了 NEDC 续航 650 km Aion LX,这是属于特别出类拔萃的。小鹏、蔚来、威马、比亚迪、荣威等品牌 NEDC 续航达到 600 km 以上的车型,量产交付的时间点基本都在 2020 年下半年到 2021 年。

如果把目光放到国际市场,宝马在今年日内瓦车展上刚刚发布的 i4 概念车预计 2021年量产,WLTP 续航 600 km。

所以即使是保守估计,从结果来看,特斯拉的技术水平领先了行业的主流水平 4 年左右。

如果你觉得就这一个例子不足以证明的话,我们把时间再往前推 4 年。

2012 年特斯拉正式量产交付 Model S,首批车型一共有 60 和 85 两个版本,对应的 EPA 续航为 208 英里和 265 英里,这一年市面上的纯电动车少之又少,同期的日产 Leaf EPA 续航仅 121 英里,可以说 Model S 是当时第一款可以远距离通勤的纯电动汽车,在续航能力上颠覆了所有人的认知。

再往前推 4 年,特斯拉发布了 Roadster 跑车,率先使用了松下的 18650 电池作为动力电池,在基于莲花 Elise 的车身里塞进了 53 kWh 电池组,实现了 231 英里的 EPA 续航,成为了当时世界上续航最长的纯电动跑车。

通过这几个案例可以发现,特斯拉的技术水平领先行业主流水平 4 年左右,并且每 4 年更新迭代一次。

特斯拉能够始终保持领先的原因在于总能在第一时间使用更先进的技术,站在一个后人的角度来看,特斯拉在技术路线的选择上是具有前瞻性的,或者说是影响整个行业的。

2008 年特斯拉首次使用松下的 18650 三元锂电池电芯作为车辆的动力电池,并且在 Roadster 上试验过之后,开始在 Model S 上大规模使用。

借助三元锂电池在能量密度上的优势,特斯拉 Model S 的续航能力大幅领先同年份使用磷酸铁锂、锰酸锂作为动力电池的纯电动汽车。

当时在外界人眼中,特斯拉使用的三元锂电池不过是消费电子中使用的电池,并不符合车规的需求,并且在循环寿命上远低于磷酸铁锂电池。

但是特斯拉巧妙地通过先进的 BMS 管理好了这 6000 多节电池,而大幅提升的续航能力也规避了三元锂电池在循环寿命上的短板。

可以说特斯拉通过技术手段,成功地利用了三元锂电池的优点,规避了缺点。

在特斯拉率先尝试了三元锂电池之后,整个行业对三元锂电池的看法逐渐开始发生转变,而中国新能源补贴政策中能量密度的门槛也在不断提升,通过政策的手段引导车企放弃磷酸铁锂,换用三元锂电池。

这是特斯拉第一次引导整个行业技术路线的转变。

时间来到 2016 年,这一年特斯拉推出了全新的 2170 三元锂电池,正极材料中「镍」的比例大幅提升,「钴」的比例大幅下降,正极材料中「镍」的比例达到了 90%,而 2016 年行业的主流水平只有 40%。

更高比例的「镍」可以提高电芯的能量密度,但是带来的弊端是更差的热稳定性,极低的「钴」含量可以大幅降低电芯的物料成本,但是带来的弊端是更低的快充速度。

但是从结果来看,特斯拉成功地利用了高能量密度以及低成本的优势,通过在 Pack 中布置更长的液冷管路、预留泄压孔、单个电芯设置熔断保护装置等方式克服了高能量密度 2170 电芯的缺点。

这又是一个通过技术手段,规避缺点利用优点的案例。

而现在乘用车动力电池发展方向也是通过提高「镍」的比例来提高电池能量密度,做到更长的续航,从 111 到 442,再到 523、622、811,只不过特斯拉一步到位了。

可以看出特斯拉一直在打破这个行业的物理认知,引领行业的发展,自从特斯拉使用磷酸铁锂电池的计划曝光之后,已经有厂家在打算从三元锂换到磷酸铁锂了,这种影响力不可谓不大。

特斯拉在技术指标和技术路线两个方面做到了领先,而支撑特斯拉有能力持续领先行业的原因,是特斯拉不断提高的自研比例。

特斯拉自研的渗透率正在不断提高

在 Model S 上,特斯拉采用了松下的 18650 电芯,Pack 的封装为特斯拉独立完成。

到 Model 3 上,不仅 Pack 的封装技术是特斯拉的,采用的 2170 电芯也是特斯拉与松下共同研发,并且在特斯拉 Gigafactory 1 生产的。

回顾一下特斯拉在电化学领域的举措即可发现,特斯拉一直在探索电芯的核心技术。

2015 年 6 月 16 日特斯拉 CTO JB.Straubel 和特斯拉首席电池科学家 Kurt Kelty 拜访了达尔豪斯大学,并与 Jeff Dahn 研究小组签署了合作协议,合作关系于 2016 年 6 月正式开始。

2015 年这个时间点,特斯拉 Model S 车型发布不到 3 年,全球销量仅 5 万辆。

需要注意的是,特斯拉与 Jeff Dahn 研究小组签署的是「排他性」合作协议,在此基础上,特斯拉为 Jeff Dahn 研究小组提供长达 5 年的巨额研究经费,而Jeff Dahn 研究小组则为特斯拉研究高能量密度、低成本且寿命更长的锂离子电池。

在这里简单介绍一下 Jeff Dahn 研究小组。

Jeff Dahn 本人是达尔豪斯大学物理系、大气科学系和化学系的教授,专注于锂离子电池的研究,一共发表了超过 640 篇论文,并且有 65 项发明被授予专利或已申请专利。

维基百科中对 Jeff Dahn 的介绍有一句是「He is recognized as one of the pioneering developers of the lithium-ion battery.他被认为是锂离子电池的先驱之一。」

Jeff Dahn 研究小组目前一共有 31 人,2008 年开始研究储能材料的物理和化学性质(主要是在锂离子电池领域),最关键的是他们的目标就是提高电池的能量密度、提升电池安全性、降低成本并提高电池的循环寿命,从而降低汽车和储能应用的成本。

Jeff Dahn 还表示,他们的目的就是做一些有意义的东西,而不是在《自然》等类似杂志发表论文。

无论是研发理念还是研发方向都与特斯拉的需求不谋而合,所以 2015 年特斯拉 CTO JB Straubel 和 Jeff Dahn 愉快的达成了合作。

这 5 年的资金支持,也没有让特斯拉失望。

从开始合作,Jeff Dahn 研究小组就陆续取得突破成就,2019 年 2 月 Jeff Dahn 研究小组申请了一项专利,新的技术可以实现更快的充放电速度、更长的寿命和更低的成本。

2019 年 9 月 Jeff Dahn 研究小组在《The Journal of the Electrochemical Society》发表的论文中透露,团队已经研发出了寿命超过 160 万公里的电池。

除了 2016 年与 Jeff Dahn 研究小组达成 5 年合作外,2019 年 2 月特斯拉宣布以溢价 55% 的价格收购了 Maxwell 公司,这家公司掌握的两项核心技术分别为干电极技术和超级电容技术。

其中干电极技术带来的好处是可以提升 10% 的电池能量密度,并降低 10% 的成本,同时还可以提高电池的生产效率。

对于用户来说,带来的实际好处就是续航更长同时价格更低。

而超级电容则是一种可以满足短时间大功率充放电,且适合在极端气候环境下使用的一种电量储存设备。

该技术完美地补足了传统锂电池短板,虽然现在的锂电池基本可以满足日常使用的需求,但是在特斯拉的家谱里还有 Cybertruck 和 Semi 两个重量级的车型,为了满足更加广泛的使用需求,这项技术必不可少。

通过提高自研的渗透率,来保证特斯拉在三电技术方面始终领先行业 4 年的优势,是特斯拉的生存之道。

相比拥有百年历史的传统车企,在车辆制造经验方面且不说特斯拉有什么优势了,在整车工艺方面甚至还有一定劣势,所以特斯拉作为一家「造车新势力」,想要存活下来,必须抓住这个「站在同一个起跑线」的机会。

为了能够与传统车企正面交锋,特斯拉必须守住电池技术这一核心差异点,并保持领先优势。

如果没有足够研发投入,产品的上限只能取决于供应商的能力,这一点从国内随便拉几个造车新势力即可验证。

如果是这样特斯拉早就泯然众人矣了。

现在自研电池技术已经不足以满足特斯拉的发展欲望了,特斯拉还希望自产电池。

2 月 26 日据 Electrek 报道,特斯拉在 Fremont 工厂建设了一条电芯的试生产线,这是特斯拉的一个秘密项目,代号「Roadrunner」,该项目的目标是应用「机器制造机器」的策略来大规模生产便宜的电池。

而且根据我们的消息,特斯拉上海超级工厂与电芯制造供应商已经签订供货协议,所以不排除将来上海超级工厂自产电芯的可能。

如果从一个路人的眼光来看,特斯拉似乎一直与松下保持着良好的合作关系,但其实二者的合作并非一帆风顺。

在合作之初,二者的关系确实可以说得上是融洽,特斯拉有需求,松下有技术,二者一拍即合。

随着特斯拉销量不断地攀升,对电池的需求也在不断提高,为了满足 2170 电芯的供应,特斯拉提出了 Gigafactory 的概念,并与松下在内华达州联合打造了 Gigafactory 1。由特斯拉管理并提供土地及厂房,松下负责制造锂离子电池,双方共同出资。

Gigafactory 本是件好事,规模化生产可以满足 Model 3 车型对 2170 电芯的需求,还可以降低生产成本。

但是随着特斯拉销量的不断提升,两者的矛盾日益激化。

2019 年 2 月特斯拉财报电话会议上,Elon 表示制约 Model 3 产能的最大原因是超级工厂电芯产能的不足。而松下担心特斯拉无法达到目标的销量,遂冻结了对 Gigafactory 1 的投资。

在管理方式上双发也存在一些分歧,Elon 推崇纳米管理,把所有工作细化、量化、标准化、流程化,尽量在现有设别的基础上实现更高的效率。但松下习惯让下属各部门自行解决问题,不必把所有问题都推向高层。

松下也因为特斯拉对价格的打压,难以从中获得利润,同时对 Gigafactory 产线持续大量投资,导致松下锂电池业务总体依旧处于亏损状态。

松下与特斯拉在产能与成本方面的分歧越来越严重,特斯拉的目标是提高产量,降低成本,但想要达到这个目标,中间隔着供应商松下。

特斯拉为了完成自己的目标极有可能一脚把松下踢出局,毕竟特斯拉现在有资本了,这样的事在特斯拉身上可以找到相同的案例。

在最初一代搭载 Autopilot 的车型上,特斯拉采用了来自 Mobileye Q3 的视觉感知芯片,但是随着特斯拉野心进一步扩大,对算力的要求越来越高,在搭载 Autopilot 2.0 的车型上,特斯拉换装了来自英伟达的 Drive PX2 中央处理芯片。

随着 Autopilot 每次迭代升级,Drive PX2 的算力也无法满足特斯拉 8 路视频信息的处理了,而市面上又没有一款能够令特斯拉满意的自动驾驶芯片怎么办?

自研。

Hardware 3.0 芯片应运而生。

2019 年特斯拉除了收购了 Maxwell 之外,还收购了加拿大一家电池制造设备企业 Hibar Systems。

更有意思的是,Hibar Systems 在中国的独资子公司宁波海霸精密机械有限公司的法定代表人是特斯拉中国区总裁朱晓彤。

除此之外,特斯拉的研发人员也多次在 Linkedin 上招聘电池设计人员、测试人员,并表示「快加入我们,锂离子电池制造技术!」、「开发世界一流电池制造技术,以实现下一代低成本、高性能的电动汽车和储能产品。」。

这就是特斯拉对待供应商的态度,当你可以满足我的需求的时候,我们可以愉快合作,但是当你逐渐限制了我的发展的时候,我也会随时放弃和你的合作。

从 Pack 自研到合作开发电芯,再到自主研发生产电芯,特斯拉在核心技术上的自研渗透率正在不断提高,如果竞争对手们还没有意识到自研的重要性,那注定只能成为特斯拉的追随者。

特斯拉影响了整个供应链的发展

据 42 号车库的可靠信源透露,本次特斯拉与宁德时代的合作,特斯拉希望宁德产线的生产速度提高 20%,电池容量提升 20%,价格下降 20%,而且希望宁德能够进一步压低上游供应链端正负极材料、电解液以及隔膜的价格。

宁德时代作为中国出货量最大的电池生产厂家,在面对国内车企的时候,从来都是牢牢掌握话语权的一方,但是面对特斯拉却做出了让步,是特斯拉强势吗?不,是特斯拉量大。

2020 年特斯拉上海工厂的产量预计在 10 万辆左右,宁德时代从今年 7 月开始为标准续航升级版 Model 3 供应电池。

做一个简单的计算即可得知,今年特斯拉对宁德时代电池的需求量可以达到 2.6 GWh(50000 辆 x 52 kWh=2.6 GWh),而这个仅是半年的统计。

而一家普通造车新势力每年 1.5 万辆的销量,对电池的需求仅不到 1 GWh。

当特斯拉有足够大的量给到宁德之后,对于宁德时代这也是个好消息,不断扩大的产量可以通过规模化有效降低成本,而降低了成本之后,对于业务则是一个极大的利好。

可以说特斯拉在满足了自己需求的同时带动了电池供应链的发展。

根据坊间流传的一则小道消息,特斯拉在中国建厂政府给予了 50 个亿的贷款,而条件之一就是特斯拉上海工厂生产的车辆必须采用中国本土的供应链。

这一点特斯拉在中国制造 Model 3 首批车主交付仪式上也有提到,目前国产特斯拉零部件的国产化率仅 30%,今年年中将达到 70%,年底实现 100% 的零部件国产化率。

写在最后:

特斯拉能够保持持续领先的优势,并不是运气,也不是巧合,而是 Elon Musk 在制定了清晰的战略目标之后,按照第一性原理慢慢靠近这个目标的结果。

不仅如此,特斯拉的核心决策者还拥有跨工程、技术、产品和市场的综合思考和判断能力,在公司成立之初,就以核心战略为中心搭建了从产品战略、技术研发、生产制造到渠道市场的一套完整体系。

如果当你只是聚焦在一些细节技术来看特斯拉这家公司的话,恐怕你很难有全面的认识,只有带着「推动世界向可持续能源转变」的思想,把特斯拉所有的举措串在一起,展现在你面前的才是特斯拉完整的蓝图。

来源:第一电动网

作者:42号车库

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