特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

“车辆续航里程提升54%,成本下降56%,电池GWh单位投资成本降低69%。”

数据是不是很惊人?这是特斯拉电池日上,马斯克给出的新电池技术应用后,可以实现的目标。

不过,以上目标即便能够实现,恐怕也要三年后。

北京时间9月23日,推迟半年之久的“特斯拉电池日”,终于在特斯拉美国弗里蒙特超级工厂举行。

特斯拉CEO马斯克和动力总成和能源工程高级副总裁Drew Baglino一起主持了这场电池日发布会。

电池日上,马斯克主要发布了一款全新规格的圆柱电芯——4680(46 毫米直径,80 毫米高度)。马斯克称之为“最低成本的外形规格”,以及两款新车。

此外,马斯克还介绍了特斯拉在电芯设计、电芯工厂、正极材料、负极材料和整车等环节的技术创新,以期达到上述续航和成本目标。

不过在业内某电池专家看来,这些技术并不亮眼,直接指出特斯拉给出的“功率和能量概念都是不对的,只有成本和续驶里程靠点谱”。该专家坦言:“特斯拉讲讲无人驾驶还可以。”言外之意,电池还是算了。

具体来看下,特斯拉让业内人士瞩目许久的“黑科技”都是啥?

1

电芯尺寸再升级

在使用18650和21700后,马斯克认为,电池尺寸有必要再升级。他要寻找电池尺寸和成本的最佳平衡点。

马斯克的最新答案是:4680。相比2170电池,它增加了5倍的能量,提升了16%的续驶里程和6倍的功率。根据马斯克给出的数据,4680电池仅仅是外形因素的改变,就能将每千瓦时的成本降低14%。马斯克称之为“最低成本的外形规格”。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

4680电芯

根据马斯克介绍,新电芯已经在生产中,而且每个组件都在“高速连续运动”。Baglino将其比作具有交通信号灯和十字路口的高速公路而不是城市道路。每条新生产线将能够生产20 GWh,产量相较传统电池,提高了7倍。

这样一来,整间工厂里很容实现 TWh 级别的产能。特斯拉的目标在 2022 年达到100GWh 产能,2030 年达到3 TWh,整体成本下降 18%。

这个电芯将主要用于Semi卡车、Cybertruck和新一代的Roadster跑车上。

值得注意的是,特斯拉只专注于外形尺寸,并未透露出能量密度的改善。

2

无极耳设计

除了电池尺寸革新,特斯拉还采用了无极耳设计。

无极耳的设计将使得电子的行进路径更短,解决了增加电池直径带来的其中一个大问题。无极耳也使电池模组更容易更快并且连续地生产。

所谓无极耳电池,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。特斯拉称内阻可以降至原来的1/5。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

4680电芯无极耳

2020年5月,特斯拉正式披露“无极耳”电池专利,其核心设计理念是通过正负极集流体与盖板/壳体直接连接,成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离,从而大幅降低电池内阻,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率;并通过优化电池结构件、简化电池生产工艺流程等,提升电池标准化生产能力、降低电池成本。

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发热的问题。

3

干电极技术仍处试生产阶段

根据之前对特斯拉电池日的预测,干电极也会是其一项重要技术,但是目前看其离量产尚有距离。

传统电池制作工艺,需要将材料粉末放入溶液中,再进行干燥和压成膜。特斯拉表示自己正在尝试全新的制作工艺,彻底跳过加入溶液的步骤,直接用粉末擀磨成薄膜,也就是干电极。

这一加工过程的工艺难度极大。但好处是采用这一技术后,电池生产流程减少,速度能够提升。

据马斯克介绍,目前这项技术已经接近成功,可以满足少量的试生产,但还不具备量产能力。如果成功,将带来 18% 的成本降低

特斯拉具备这一技术能力,是因为早前对Maxwell公司的收购。该公司在干电极生产上,有很深的造诣。

4

硅负极,成本低至1.2美元/KWh

在负极材料方面,特斯拉对硅的使用也做了创新。

目前动力电池负极多采用石墨。其实硅是更为理想的材料,因为硅基材料相比碳容量更大,但是由于硅基材料充电后会膨胀,循环性要差很多。

为了平衡成本和性能,特斯拉使用最原始的硅材料,不经任何加工,直接运到电池工厂制作电芯负极材料,并通过增加弹性的离子聚合物涂层以稳定硅表面结构,提升电芯稳定性和安全性。根据特斯拉方面的描述,生硅负极成本将低至1.2美元/KWh。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

负极上覆膜以稳定结构

特斯拉提供的一组数字显示,该技术可增加20%的续航里程,同时成本降低5%。

5

高镍正极:成本下降15%

在电池正极上,特斯拉继续高镍低钴路线,提出改良金属成分配比,最终目标是彻底移除钴。

正极材料对提升能量密度至关重要,因此特斯拉开发出不含钴的高镍正极材料,最大化提升镍含量,同时采用新的涂层与掺杂物,将正极成本下降15%。

特斯拉提出了三种正极材料的探索思路:

第一种是在正极材料中使用铁,也就是磷酸铁锂电池,应用于部分乘用车;

第二种是使用镍锰材料,比如2/3镍和1/3锰,应用于主要的乘用车和储能;

第三种,含量为100%镍电池,应用于能源密集型车型(Cybertruck/Semi)中。

马斯克再次重申,他希望更多的人开采镍。

根据特斯的数据,正极技术配合其他电池技术,使4680的成本降低了37%。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

在干电极、生硅制作负极之外,正极材料中,特斯拉采用无硫锂生产技术,预计使得锂成本下降33%。

马斯克强调,锂是一种广泛可用的资源,是地球上最常见的资源之一。仅内华达州就足以为美国所有车辆提供电力。公司已经获得美国内华达州一个锂矿的开采权,并将在那里建立锂转换工厂。

此外,在正极材料总成本中,加工过程占比高达35%,太多繁琐,还会产生大量的废水和副产品。

马斯克和Baglino声称,特斯拉重新设计了整个生产过程。特斯拉的新工艺可以减少66%的生产成本投入和76%的处理成本,最重要的是零废水。

不过,他们并没有解释工艺原理。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

通过这些改进,马斯克相信他的新工厂可以比目前的电池生产设施小十倍。

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例如,特斯拉已将化成投资减少了86%,化成足迹减少了75%。化成是对电池进行初始充电和放电以产生固体电解质中间相(SEI)的过程。

6

电池、车身一体化

除了对电池工艺进行革新,特斯拉对整车结构也进行了调整——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。

马斯克表示,将把电池直接内置在汽车结构中,这项创新的灵感来自飞机机翼上的油箱。结构电池将减轻车辆的整体重量。而且最重要的是,这还将使每千瓦时的成本降低7%。最后的车体整合环节,特斯拉发明了新的铝合金材料,可以支撑车尾组件整体压铸。

这种新的铝合金必须具有很高的可铸造性,高强度且不易于溃缩,否则就会导致大型铸件变形。

特斯拉拥有全球最大的铝材铸压机,来完成其铸造车尾。一体铸造的方式,可以为特斯拉降低40%的底盘压铸成本,同时节省79个零部件。

特斯拉现在在弗里蒙特铸造的是汽车的前部和后部,中间则是由电池组来补充。考虑到这将是汽车结构的一部分,因此无法像当前的电池组一样更换。马斯克将其称为“结构电池”。

此外,特斯拉通过改良电池组结构,移除了单个电池单元之间的多余材料,可以提升14%的续驶里程,减少了 370 个零件。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

电池组成为底盘结构性元素

马斯克还说,即使是敞篷车,这种结构也比现在的任何汽车都坚固。这意味着对汽车乘员的安全性和动态行为的改善。

特斯拉的“结构电池”与之前宁德时代提出的CTC(Cell to Chassis)的思路有相近之处。比亚迪刀片电池承担底盘受力,也是类似逻辑。

他们也都有同一个后果值得注意,就是几乎不可能更换旧电池或有故障的电池。如果电池是汽车结构的一部分,那就要使电池的使用寿命与汽车本身一样长才行。

同时特斯拉还建立了电池回收体系,回收各种贵金属重复使用。

通过系统性的组合创新,特斯拉每千瓦时电池成本降低56%,续航里程提升54%,投资生产成本下降69%。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

7

两款新车亮相

基于显著下降的生产成本,马斯克表示,特斯拉有信心在三年内开发出一款价格为2.5万美元左右的全自动驾驶的电动汽车。

马斯克希望该车每年生产大约2000万辆汽车,当然,这需要可能1-3年的时间才能实现。

不过,这款车目前还没有名字。

此外,特斯拉还发布了Model S Plaid,现在就可以(在美国)接受预订,交付日期定于2021年底。这将是特斯拉至今为止续航里程最长的车型,超过520英里(836公里)。该车型性能达到了跑车水平,可在不到2秒的时间里加速至60英里/每小时。该车型普通版售价为89,490美元,三电机版售价为134,490美元。

特斯拉电池日:创新目不暇接,落地尚需时日

Model S Plaid

马斯克甚至不满足于电池自供:“特斯拉可能会超额生产电池,并向其他汽车厂商供应电池。”

不过,特斯拉需要用时约18个月才能形成以上优势,而要彻底实现则需花费约三年时间。

马斯克雄心勃勃,称“特斯拉的目标是成为地球上最好的制造商。”但是,对于吊足大家胃口的特斯拉电池技术秀,投资者似乎并不买账,特斯拉股价在22日盘后交易中下跌了约6%。

来源:第一电动网

作者:电动汽车观察家

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