馬斯克發(fā)布革命性電池技術(shù)！史上最便宜的特斯拉要來了

文 / 李超凡

北京時(shí)間9月23日凌晨，在被埃隆·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(fā)布了一系列新的電池技術(shù)，將讓電池成本大大降低，這也意味著特斯拉要降價(jià)了。

馬斯克稱特斯拉有信心在未來三年內(nèi)生產(chǎn)一輛售價(jià)僅為25000美元（約合17萬人民幣）的電動車，這會是史上最便宜的一輛特斯拉汽車。

這也是特斯拉首次專門針對電池技術(shù)舉辦發(fā)布會，對于特斯拉而言，甚至比發(fā)布任何一款新車都要重要。用外媒Teslarati的話來說，這或?qū)⒏淖冋麄€(gè)電動車行業(yè)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點(diǎn)名表揚(yáng)提到了特斯拉在中國上海的工廠，認(rèn)為這家工廠用 15 個(gè)月就從荒地到開工，十分了不起。

馬斯克一如既往屢暴金句，他是這樣定義特斯拉這家公司的：特斯拉既是一家軟件公司，也是一家硬件公司，可以把我們的車看作是輪子上的筆記本電腦。

馬斯克還表示，目前電池生產(chǎn)面臨最大的兩個(gè)問題，一是電池規(guī)模有限，以及價(jià)格依舊過高。為了突破這個(gè)瓶頸，特斯拉需要在降低成本的同時(shí)提高能量密度。在今天的發(fā)布會，特斯拉也帶來了具體的解決方案。

特斯拉正式發(fā)布了一款無極耳電池，通過激光技術(shù)將傳統(tǒng)電池凸起的極耳結(jié)構(gòu)去掉，導(dǎo)電涂層直接與電池端蓋接觸，縮小電流移動的距離，并降低內(nèi)阻。

這款電池高80mm，直徑46mm，能量密度可提升五倍，最高或能達(dá)到200Wh/kg，增加16%續(xù)航，提供的電量增大6倍。

此外無極耳電極中的導(dǎo)電涂層與電池端蓋的有效接觸面積達(dá)到100%，使得散熱能力提升，也解決了電池過大容易導(dǎo)致的發(fā)熱問題。馬斯克強(qiáng)調(diào)，這款電池并不只是一個(gè)概念產(chǎn)品，而是有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。特斯拉還對電池中的硅進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，成本降至1美元/千瓦時(shí)，同時(shí)可以提升20%續(xù)航里程。還將推出無鈷電池，以鎳元素取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采用這種含鎳電池，而在中低端車型將采用成本和能量密度都更低的磷酸鐵鋰電池。

除了電池設(shè)計(jì)，被馬斯克稱為“制造機(jī)器的機(jī)器”的生產(chǎn)工廠也至關(guān)重要。馬斯克表示新制造工藝能大幅提升工廠效率，單條生產(chǎn)線的產(chǎn)能可以達(dá)到現(xiàn)在同類產(chǎn)品的7倍。這樣一來，一條生產(chǎn)線上就能實(shí)現(xiàn)20GWh的電池產(chǎn)量，而整間工廠里能實(shí)現(xiàn)TWh級別的產(chǎn)能，目標(biāo)在2022年達(dá)到100GWh產(chǎn)能，2030年達(dá)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(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將電池直接集成到底盤框架中，這意味著電動車可以裝更多電池，續(xù)航也將隨之提升，甚至可能突破1000公里。

而且車尾也會采用一體鑄造工藝，大大節(jié)省生產(chǎn)流程和生產(chǎn)時(shí)間，讓每臺車減少40%的成本和79個(gè)零部件。最令人激動的是，馬斯克還“劇透”了一輛即將面世的新車，售價(jià)僅為25000美元（約合17萬人民幣），這也會是史上最便宜的一輛特斯拉汽車，比前段時(shí)間拼多多補(bǔ)貼的特斯拉還要便宜好幾萬。

這主要得益上述電池技術(shù)讓電池成本下降了56%，這無疑是電動車行業(yè)史上一個(gè)重要的里程碑。

至于什么時(shí)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(fā)布的產(chǎn)品要到2022年才能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，估計(jì)還要再等上一段時(shí)間。最后特斯拉還發(fā)布了新款Model S，百公里加速不到2秒，最高時(shí)速320km/h，續(xù)航832km，現(xiàn)在已經(jīng)可以預(yù)定，不過要到2021年才能交付。

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(biāo)，是要生產(chǎn)整車成本低于3.8萬美金、電池運(yùn)行里程160萬公里的車輛、3.5英里/kWh的超低能耗的電動車。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的前提就是電池技術(shù)的革新，為此特斯拉找來了鋰電池專家、加拿大皇家科學(xué)院院士Jeff Dahn擔(dān)任特斯拉首席科學(xué)家，并提供“5年數(shù)額可觀的研究經(jīng)費(fèi)”，旨在開發(fā)壽命更長，能量密度更高、成本更低的鋰離子電池。

去年Jeff Dahn團(tuán)隊(duì)在《電化學(xué)學(xué)會雜志》發(fā)表了一篇論文，表示他們已經(jīng)研制出新一代鋰電池，可以為一輛電動汽車提供累計(jì)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(jù)論文介紹，這種新型電池放電1000次之后還有95%的壽命，經(jīng)過4000次循環(huán)后也只消耗10%，而一般的鋰電池提供1000-2000次的放電循環(huán)。

這款電池的使用壽命能達(dá)到一般電池的2-3倍，是因?yàn)椴捎昧诵乱淮鷨尉CM陰極和新型電解質(zhì)，這種單晶體納米結(jié)構(gòu)在充電過程中更加穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生破裂而導(dǎo)致電池性能和壽命衰減。160萬公里行駛里程是什么概念？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(jì)算，這足夠讓一輛汽車在路上跑76年。

即便按照中國私家車60萬行駛里程的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，160萬公里壽命的電池意味著你把車開到報(bào)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(dāng)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(fèi)者更大的購買動力。過去電動車的保值率一直低于燃油車，最主要的原因就是電池壽命短，這大大降低二手車的價(jià)值。長續(xù)航的電動車還可以用于行駛公里更長的出租車和長途貨運(yùn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)一輛卡車每年可以行駛16萬公里到24萬公里。

平安證券一份報(bào)告指出，“160萬公里電池”或?qū)⒂糜谔厮估臒o人出租車Robotaxi。馬斯克曾表示特斯拉計(jì)劃在2020年底前生產(chǎn)100萬輛Robotaxi，以一輛Robotaxi每天運(yùn)行300公里計(jì)算，“160萬公里電池”可以讓Robotaxi在不更換電池的情況下持續(xù)使用15年。Waymo無人駕駛出租車.此外在車輛生命周期結(jié)束后，電池還能收回利用，用于低配車型，或者太陽能等有儲能需求的領(lǐng)域，進(jìn)一步降低電池的使用成本。

除了組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，特斯拉去年還先后收購超級電容生產(chǎn)商Maxwell和鋰電設(shè)備制造商 Hibar 來提升自己的電池制造工藝。Maxwell是全球第一的超級電容器生產(chǎn)商，在電池領(lǐng)域擁有超級電容和干電極技術(shù)兩項(xiàng)核心技術(shù)。

和智能手機(jī)類似，電動車緩解續(xù)航焦慮的另一個(gè)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(nèi)可達(dá)到其額定容量的95%，同時(shí)有更長的循環(huán)使用壽命，此前特斯拉主要通過升級充電樁來實(shí)現(xiàn)快充，其中去年推出的V3超級充電樁，支持最高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范圍更大，可以在-40℃～+70℃的環(huán)境下正常運(yùn)行，能緩解電動車在冬季常遇到的續(xù)航衰減問題。至于干電極技術(shù)則可以大幅提升電池的能量密度，目前Maxwell電極已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)超過300Wh/kg的能量密度，預(yù)計(jì)今年就能達(dá)到385Wh/kg，到2025年后達(dá)到500Wh/kg。

此前特斯拉能量密度最高的電池，是Model 3采用的松下2170電池電芯，能量密度為260wh/kg。馬斯克曾經(jīng)說過，當(dāng)動力電池的能量密度達(dá)到了400Wh/kg，商用的電動飛機(jī)就具備可行性。一位從事電池研發(fā)多年的技術(shù)人員Tiger曾說，現(xiàn)階段電池的技術(shù)瓶頸主要在能量密度、循環(huán)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(nèi)電池組的單節(jié)電池上述這些電池技術(shù)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(jìn)一步降低成本，電動車要大規(guī)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(shù)將承擔(dān)這個(gè)重任。

馬斯克想讓燃油車成為一匹昂貴的馬。2008年2月，特斯拉交付了首款量產(chǎn)的電動車Roadster，用的是松下生產(chǎn)的18650鈷酸鋰電池，電池的成本高達(dá)600-800美元/kWh，是汽油價(jià)格的3-4倍。整車售價(jià)達(dá)到109000美元，注定這是富人的玩具。

要降低電動車成本，關(guān)鍵在于降低電池成本，因?yàn)殡姵亟M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(biāo)定位為100美元/kWh，一旦達(dá)到這個(gè)水平，電動車的價(jià)格就可以和燃油車達(dá)到同一個(gè)水平。據(jù)外媒Electrek報(bào)道，特斯拉內(nèi)部的電池項(xiàng)目Roadrunne，就是以大規(guī)模量產(chǎn)成本100美元/kWh的新型電池為目標(biāo)。

然而十年前行業(yè)電池系統(tǒng)的成本普遍超過1000美元/kWh，不少電池專家都認(rèn)為100美元/kWh的目標(biāo)不太可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姵氐男侍嵘俣冗h(yuǎn)未達(dá)到現(xiàn)芯片領(lǐng)域每18個(gè)月增加1倍的摩爾定律。不過投資機(jī)構(gòu)瑞銀一份報(bào)告顯示，松下和特斯拉生產(chǎn)的鋰電池成本已經(jīng)低至111美元/kWh，已經(jīng)是電池行業(yè)內(nèi)的第一名，距離100美元/kWh 的目標(biāo)只有一步之遙。

為什么電動車的電池的成本這么高？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(nèi)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14萬噸的開采量計(jì)算，50年后鈷將被耗盡，而電動車數(shù)量的增加還會把這個(gè)時(shí)間提前。加上全球超過一半的鈷儲量都集中在動蕩不安的剛果，讓鈷的價(jià)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。那么難道就不能不用鈷來制作電池嗎？當(dāng)然可以，目前已經(jīng)被驗(yàn)證的兩種電池技術(shù)，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，后者的成本更低且壽命更長。據(jù)路透社報(bào)道，特斯拉正在和國內(nèi)電池巨頭寧德時(shí)代生產(chǎn)一種磷酸鐵鋰電池，電池組成本甚至降到了80美元/KWh，國產(chǎn)Model 3在工信部的新車目錄中已經(jīng)出現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池版本。

用磷酸鐵鋰電池降低成本的代價(jià)是能量密度的下降，這意味著同等質(zhì)量下磷酸鐵鋰電池的續(xù)航能力要比含鈷的三元鋰電池低，不能同時(shí)解決里程焦慮和成本問題。以寧德時(shí)代為例，能通過CTP技術(shù)讓磷酸鐵鋰電池能能量密達(dá)到160wh/kg，這已經(jīng)是目前磷酸鐵鋰電池的極限，不過比起特斯拉采用的三元鋰電池還有不小距離。

比亞迪的“刀片電池”也是磷酸鐵鋰電池，不過“無鈷化”確實(shí)是電池發(fā)展的方向，盡管目前特斯拉的電池暫時(shí)還離不開鈷，但歷代產(chǎn)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(diǎn)介紹了無鈷電池。擔(dān)任特斯拉首席科學(xué)家的Jeff Dahn在一次采訪中表示，他們所做的一切都是針對三個(gè)目標(biāo)：降低電池成本、延長使用壽命和提高能量密度。

要實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)目標(biāo)并不算難，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo)才稱得上是革命性的創(chuàng)新。過去20年可商用的電池技術(shù)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》雜志曾在2018年預(yù)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(shí)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(shí)現(xiàn)電動。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想，首先就要讓電動車的競爭力不亞于燃油車，讓消費(fèi)者覺得燃油汽車已經(jīng)過時(shí)，就像卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)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。