特斯拉電池日發表革命性電池技術,史上最便宜的特斯拉要來了?(還爆料 Model S Plaid 上市時間)

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特斯拉 電池日圖、文/愛范兒,蘋果仁授權轉載

今天凌晨,在被馬斯克稱為「特斯拉史上令人激動的一天」的電池日(Battery Day)上,特斯拉發表了一系列新的電池技術,將讓電池成本大大降低,這也意味著特斯拉未來要再次降價了。

馬斯克稱特斯拉有信心在未來三年內生產一輛售價僅為25000美元(約台幣 73 萬)的電動車,這會是史上最便宜的一輛特斯拉。

這也是特斯拉首次專門針對電池技術舉辦發表會,對於特斯拉而言,甚至比發表任何一款新車都要重要。用外媒Teslarati 的話來說,這或將改變整個電動車行業的的未來。

電池成本下降56%,史上最便宜的特斯拉要來了

馬斯克在開場就提到了特斯拉在上海的工廠,認為這家工廠用15 個月就從一片荒地到開工,十分了不起。

馬斯克一如既往屢曝金句,他是這樣定義特斯拉這家公司的:

特斯拉既是一家軟體公司,也是一家硬體公司,可以把我們的車看作是輪子上的筆記型電腦。

馬斯克還表示,目前電池生產面臨最大的兩個問題,一是電池規模有限,以及價格依舊過高。為了突破這個瓶頸,特斯拉需要在降低成本的同時提高能量密度。

在今天的發表會上,特斯拉也帶來了具體的解決方案。

特斯拉正式發表了一款無極耳電芯,通過雷射技術將傳統電池凸起的極耳結構去掉,導電塗層直接與電池端蓋接觸,縮小電流移動的距離,並降低內阻。

這款電池高80mm,直徑46mm,能量密度可提升五倍,最高或能達到200 Wh/kg,增加16% 續航提供的電量增大6 倍。

此外無極耳電極中的導電塗層與電池端蓋的有效接觸面積達到100%,使得散熱能力提升,也解決了電池過大容易導致的發熱問題。

馬斯克強調,這款電池並不只是一個概念產品,而是有望實現量產。

特斯拉還對電池中的矽進行重新設計,成本降至1 美元/千瓦時, 同時可以提升20% 續航里程。還將推出無鈷電池,以以鎳元素取昂貴的鈷元素作為電池原材料。

要把電池元素中的矽進行重新設計,1 千瓦時只需要一美元,同時,塗層一項可提升20 % 續航里程。推出無鈷電池,通過金屬元素鎳替代昂貴的鈷元素作為電池原材料。​

未來特斯拉將在中高端車型採用這種含鎳電池,而在中低端車型將採用成本和能量密度都更低的磷酸鐵鋰電池。

除了電池設計,被馬斯克稱為「製造機器的機器」的生產工廠也至關重要。馬斯克表示新製造工藝能大幅提升工廠效率,單條生產線的產能可以達到現在同類產品的7 倍。

這樣一來,一條生產線上就能實現20GWh 的電池產量,而整間工廠裡能實現TWh 等級的產能,目標在2022 年達到100GWh 產能,2030 年達到3TWh,整體成本下降18%。

電池工藝的變革也讓特斯拉對整車結構進行調整,將電池直接集成到底盤框架中,這代表著電動車可以裝更多電池,續航也為隨之提升,甚至可能突破1000 公里

而且車尾也會採用一體鑄造工藝,可以大大節省生產流程和生產時間,讓每台車減少40% 的成本和79 個零組件。

最令人激動的是,馬斯克還「爆料」了一輛即將面世的新車,售價僅為25000美元(約73萬台幣),這也會是史上最便宜的一輛特斯拉汽車

這主要得益上述電池技術讓電池成本下降了56%,這無疑是電動車行業史上一個重要的里程碑

至於什麼時候能買到這輛特斯拉電動車,馬斯克早前在Twitter 表示電池日上發表的產品要到2022 年才能達成大批量生產,估計還要再等上一段時間。

最後特斯拉還發表了新款Model S,零到一百公里加速不到2 秒,最高時速320km/h,續航832km,現在已經可以預定,不過要到2021 年才能交車。

特斯拉的電池革命

早在2018 年,馬斯克就在特斯拉自動駕駛投資者日的演講中提到過特斯拉的目標,是要生產整車成本低於3.8 萬美金、電池運行里程160 萬公里的車輛、 3.5 英里/kWh 的超低耗能的電動車。

要實現這個目標的前提就是電池技術的革新,為此特斯拉找來了鋰電池專家、加拿大皇家科學院院士Jeff Dahn 擔任特斯拉首席科學家,並提供「5 年數額可觀的研究經費」,旨在開發壽命更長,能量密度更高、成本更低的鋰離子電池。

▲ Jeff Dahn.

去年Jeff Dahn團隊在《電化學學會雜誌》發表了一篇論文,表示他們已經研製出新一代鋰電池,可以為一輛電動汽車提供累計超過100萬英里(約合160萬公里)動力,而目前特斯拉Model 3電池壽命最高才80萬公里。

據論文介紹,這種新型電池放電1000 次之後還有95% 的壽命,經過4000 次循環後也只消耗10%,而一般的鋰電池鋰能提供1000-2000 次的放電循環。

這款電池的使用壽命能達到一般電池的2-3 倍,是因為採用了新一代單晶NCM 陰極和新型電解質,這種單晶體納米結構在充電過程中更加穩定,不容易產生破裂而導致電池性能和壽命衰減。

160萬公里行駛里程是什麼概念?按照Medium一篇文章的說法,以美國人私家車的平均使用年限和平均總里程計算,這足夠讓一輛汽車在路上跑76年。

這 160 萬公里壽命的電池,意味著你把車開到報廢電池也還能再用好幾十年,不禁讓人懷疑,這樣過剩的性能真的有必要?

當然有必要。

首先「160 萬公里電池」可以讓電動車的保值率提升,這會給消費者更大的購買動力。過去電動車的保值率一直低於燃油車,最主要的原因就是電池壽命短,這大大降低二手車的價值。

長續航的電動車還可以用於行駛公里更長的出租車和長途貨運,據統計一輛卡車每年可以行駛16 萬公里到24 萬公里。

除了組建研發團隊,特斯拉去年還先後收購超級電容生產商Maxwell 和鋰電設備製造商Hibar 來提升自己的電池製造工藝。

Maxwell 是全球第一的超級電容器生產商,在電池領域擁有超級電容和乾電極技術兩項核心技術。

和智慧型類似,電動車緩解續航焦慮的另一個方式是提高充電效率。超級電容可以電池提升快充效率,在10 分鐘內可達到其額定容量的95%,同時有更長循環使用壽命,

此前特斯拉主要通過升級充電樁來實現快充,其中去年推出的V3超級充電樁,支援最高250kW充電功率。部分Model 3車型充電15分鐘就可行駛250公里。

此外超級電容的工作溫度範圍更大,可以在-40℃~+70℃ 的環境下正常運行,能緩解電動車在冬季常遇到的續航衰減問題。

至於乾電極技術則可以大幅提升電池的能量密度,目前Maxwell 電極已經可達成超過300Wh/kg 的能量密度,預計今年就能達到385 Wh/kg,到2025 年後達到500Wh/kg。

目前特斯拉能量密度最高的電池,是Model 3 採用的松下2170 電池電芯,能量密度為260 wh/kg。馬斯克曾經說過,當動力電池的能量密度達到了400Wh/kg,商用的電動飛機就具備可行性。

一位從事電池研發多年的技術人員Tiger 曾告訴愛範兒,現階段電池的技術瓶頸主要在能量密度、循環壽命和溫度特性,這讓電動車在里程、安全、成本幾方面面臨較大問題。

▲ 電動車內電池組的單節電池

上述這些電池技術都在一定程度上解決了里程焦慮和安全性的問題,但如果不能進一步降低成本,電動車要大規模普及依舊有一定難度。

不過這也是馬斯克擅長的,SpaceX 通過火箭再回收大大降低成本,而在特斯拉電動車上,新的電池技術將承擔這個重任。

馬斯克想讓汽油車成為一匹昂貴的馬

2008 年2 月,特斯拉交付了首款量產的電動車Roadster,用的是松下生產的18650 鈷酸鋰電池,電池的成本高達600-800 美元/kWh,是汽油價格的3-4 倍。整車售價達到109000 美元,注定這是富人的玩具。

要降低電動車成本,關鍵在於降低電池成本,因為電池組就能占到電動車成本的一半左右。

美國能源部曾提出將電池成本的目標定位為100美元/ kWh,一旦達到這個水準,電動車的價格就可以和燃油車達到同一個水準。

據外媒Electrek 報導,特斯拉內部的電池項目Roadrunne,就是以大規模量產成本100 美元/ kWh 的新型電池為目標。

然而十年前行業電池系統的成本普遍超過1000 美元/kWh,不少電池專家都認為100 美元/ kWh 的目標不太可能實現,因為電池的效率提升速度遠未達到現芯片領域每18 個月增加1 倍的摩爾定律。

不過投資機構瑞銀一份報告顯示,松下和特斯拉生產的鋰電池成本已經低至111美元/kWh,已經是電池行業內的第一名,距離100美元/ kWh的目標只有一步之遙。

▲圖片來自:Financial Times

為什麼電動車的電池的成本這麼高?很大一部分原因是來自鈷這種電池原材料。在包括特斯拉在內的大部分電動車中,鈷是重要的電池原材料,它可以防止電池過熱和延長使用壽命等。

而鈷是一種稀有金屬,儲量有限,全球已探明的鈷礦儲量大約700 萬噸,按照去年14 萬噸的開採量計算,50 年後鈷將被耗盡,而電動車數量的增加還會把這個時間提前。

▲位於剛果的一座鈷礦.圖片來自:DW

加上全球超過一半的鈷儲量都集中在動盪不安的剛果,讓鈷的價格不斷攀升, 2018 年甚至突破了66 萬元/ 噸,這讓電池的成本居高不下。

那麼難道就不能不用鈷來製作電池嗎?

當然可以,目前已經被驗證的兩種電池技術,一種是含鈷的三元鋰電池,另外一種就是不含鈷的磷酸鐵鋰電池,後者的成本更低且壽命更長。

據路透社報導,特斯拉正在和國內電池巨頭寧德時代生產一種磷酸鐵鋰電池,電池組成本甚至降到了80 美元/KWh,國產Model 3 在工信部的新車目錄中已經出現了磷酸鐵鋰電池版本。

用磷酸鐵鋰電池降低成本的代價是能量密度的下降,這意味著同等質量下磷酸鐵鋰電池的續航能力要比含鈷的三元鋰電池低,不能同時解決里程焦慮和成本問題。

以寧德時代為例,能通過CTP 技術讓磷酸鐵鋰電池能能量密達到160 wh/kg,這已經是目前磷酸鐵鋰電池的極限,不過比起特斯拉普遍能量密度超過250 wh/kg 的電池還有不小距離。

▲比亞迪的「刀片電池」也是磷酸鐵鋰電池.

不過「無鈷化」確實是電池發展的方向,儘管目前特斯拉的電池還離不開鈷,但歷代產品電池的鈷含量在不斷降低,而在今天的電池日上特斯拉也重點介紹了無鈷電池。。

擔任特斯拉首席科學家的Jeff Dahn在一次採訪中表示,他們所做的一切都是針對三個目標:降低電池成本、延長使用壽命和提高能量密度

要實現其中一個目標並不算難,但同時實現這三個目標才稱得上是革命性的創新。過去20年可商用的電池技術沒有取得太大突破,但激增的市場需求迫使人類要盡快找到更好的電池方案,《自然》雜誌曾在2018年預測「我們距離鋰電子電池革命僅剩下10年。」

今天特斯拉的電池日,可以說是鋰電池革命重要的一步。電動車要普及,降低成本是必由之路,但如果同時不能在使用壽命和能量密度上取代突破,要取代燃油車依舊不容易。

馬斯克曾表示,他希望除了火箭,所有交通工具都可能實現電動。要實現這個夢想,首先就要讓電動車的競爭力不亞於燃油車,讓消費者覺得燃油汽車已經過時,就像卡內基·梅隆大學教授Venkat Viswanathan所說的

馬斯克希望讓你把燃油汽車看作是一匹昂貴的馬。