來源：愛范兒
北京時(shí)間今天凌晨，在被埃隆 · 馬斯克稱為「特斯拉史上令人激動(dòng)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(dòng)車，這會(huì)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(duì)電池技術(shù)舉辦發(fā)布會(huì)，對(duì)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(dòng)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(chǎng)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(huì)上，特斯拉也帶來了具體的解決方案。
特斯拉正式發(fā)布了一款無極耳電芯，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(dòng)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 200 Wh/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(duì)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，以以鎳元素取昂貴的鎳元素，以鎳、錳和鋰作為電池原材料。
要把電池元素中的硅進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，1 千瓦時(shí)只需要一美元，同時(shí)，涂層一項(xiàng)可提升 20 % 續(xù)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(jí)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(duì)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(dòng)車可以裝更多電池，續(xù)航也為隨之提升，甚至可能突破 1000 公里。
而且車尾也會(huì)采用一體鑄造工藝，可以大大節(jié)省生產(chǎn)流程和生產(chǎn)時(shí)間，讓每臺(tái)車減少 40% 的成本和 79 個(gè)零部件。
最令人激動(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。
▲ Jeff Dahn.
去年 Jeff Dahn 團(tuán)隊(duì)在《電化學(xué)學(xué)會(huì)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(dòng)汽車提供累計(jì)超過 100 萬英里（約合 160 萬公里）動(dòng)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%，而一般的鋰電池鋰能提供 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?NCM 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(dòng)車的保值率提升，這會(huì)給消費(fèi)者更大的購買動(dòng)力。過去電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)能需求的領(lǐng)域，進(jìn)一步降低電池的使用成本。
▲ 圖片來自：平安證券
除了組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，特斯拉去年還先后收購超級(jí)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(jí)電容器生產(chǎn)商，在電池領(lǐng)域擁有超級(jí)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(dòng)車緩解續(xù)航焦慮的另一個(gè)方式是提高充電效率。超級(jí)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)有更長循環(huán)使用壽命，
此前特斯拉主要通過升級(jí)充電樁來實(shí)現(xiàn)快充，其中去年推出的 V3 超級(jí)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(jí)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(dòng)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 385 Wh/kg，到 2025 年后達(dá)到 500Wh/kg。
目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 260 wh/kg。馬斯克曾經(jīng)說過，當(dāng)動(dòng)力電池的能量密度達(dá)到了 400Wh/kg，商用的電動(dòng)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 曾告訴愛范兒，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(dòng)車在里程、安全、成本幾方面面臨較大問題。
▲ 電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。
▲ 圖片來自： Financial Times
為什么電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)量有限，全球已探明的鈷礦儲(chǔ)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(dòng)車數(shù)量的增加還會(huì)把這個(gè)時(shí)間提前。
▲位于剛果的一座鈷礦 . 圖片來自：DW
加上全球超過一半的鈷儲(chǔ)量都集中在動(dòng)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 160 wh/kg，這已經(jīng)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(shí)是電池發(fā)展的方向，盡管目前特斯拉的電池還離不開鈷，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(duì)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(chǎng)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(cè)「 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(dòng)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(dòng)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，首先就要讓電動(dòng)車的競(jìng)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。
