在近期的“電池日（battery day）”活動(dòng)上，特斯拉公司終于透露了其長(zhǎng)期保密項(xiàng)目的一系列驚人消息——討論了特斯拉為自家電池組做出的全方位升級(jí)與改進(jìn)，并宣稱(chēng)有望在未來(lái)三年內(nèi)生產(chǎn)出25000美元價(jià)位的特斯拉汽車(chē)。但由于沒(méi)有任何具體時(shí)間表，我們無(wú)從得知哪些改進(jìn)正在進(jìn)行，哪些屬于計(jì)劃內(nèi)項(xiàng)目，而哪些還要等上幾年才能真正走向現(xiàn)實(shí)。

為了彌補(bǔ)缺少數(shù)字及細(xì)節(jié)的遺憾，我們打算將公告內(nèi)容與行業(yè)趨勢(shì)進(jìn)行比較，借助已經(jīng)發(fā)布的研究成果，逆推特斯拉的工作進(jìn)度。

罐裝電池

我們不妨先從特斯拉宣稱(chēng)已經(jīng)投入生產(chǎn)階段的兩項(xiàng)成果說(shuō)起：新的電池設(shè)計(jì)，以及部分制造工藝層面的改進(jìn)。

特斯拉目前使用的是最常見(jiàn)的圓柱形18650鋰離子電池，但其他大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)更傾向于使用專(zhuān)門(mén)的扁平或棱柱形電池（更像是手機(jī)和筆記本電腦中使用的電池形態(tài)）。在這種圓柱形電池中，細(xì)長(zhǎng)條狀的陽(yáng)極、隔板與陰極被夾在電池芯內(nèi)，然后層層卷起，并封裝成圓柱形。其中正極板與負(fù)極板之間由細(xì)長(zhǎng)的“接線片”實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端子間的連接。

提高電池能量密度的最佳方法之一，就是盡量縮小封裝部分所占據(jù)的空間。只要將隔板做得盡可能輕薄，并不斷減少外部容器及電池組件的體積，就能讓每公斤重量存儲(chǔ)更多的電力。但是，這方面能夠擠出的空間明顯有限，因此另一種方法就是增加電池體積與封裝面積之間的比值——換言之，把小圓柱做成大罐子。

特斯拉在最初公布Model 3車(chē)型與Powerwall 2170電池時(shí)，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。這種電池的尺寸為21毫米乘以70毫米，高于18650電池的18毫米乘以65毫米。但是，電池體積的增加也給特斯拉帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，因?yàn)轶w積越大周長(zhǎng)越長(zhǎng)，而周長(zhǎng)越長(zhǎng)意味著陽(yáng)極與陰極之間用于連接電池端子的接片就得隨之延長(zhǎng)。電子傳輸?shù)穆窂矫吭黾右稽c(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生更多熱量，而這種難以及時(shí)散逸的熱量又成為威脅安全快速充電的隱患。

特斯拉針對(duì)這個(gè)問(wèn)題推出了體積更大的4680電池。這是一種新的無(wú)極耳設(shè)計(jì)，觸頭沿著陽(yáng)極與陰極板進(jìn)行外沿，并在進(jìn)行卷封包裝時(shí)在電池末端形成玫瑰狀的凸起結(jié)構(gòu)作為接觸點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)在本質(zhì)上就是將導(dǎo)電層與電池外殼直接接觸，相較于有極耳，電流在電池中的移動(dòng)距離會(huì)大幅縮短。

特斯拉公司的Drew Baglino表示，“有時(shí)候，越是簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的東西，就越難以實(shí)現(xiàn)。我們嘗試了很多次，好在最終結(jié)果還算令人滿(mǎn)意。”

馬斯克本人則補(bǔ)充道，“有些人可能覺(jué)得這事沒(méi)什么大不了，但真正了解電池技術(shù)的人們都能意識(shí)到，這代表著一項(xiàng)巨大的突破。”

圖：馬斯克與Drew Baglino展示特斯拉的全新無(wú)極耳電池設(shè)計(jì)方案。

由于具體設(shè)計(jì)屬于商業(yè)機(jī)密，我們很難把特斯拉電池與其他電動(dòng)汽車(chē)中的電池進(jìn)行直接比較。但以上設(shè)計(jì)思路推衍過(guò)程，也許能夠厘清特斯拉保留圓柱形電池的原因。

除了新的設(shè)計(jì)之外，還要配合制造流水線，才能把新電池真正變?yōu)槌善贰６厮癸@然已經(jīng)找到了能夠極大提升電池各組件產(chǎn)量的方法。無(wú)極耳設(shè)計(jì)實(shí)際上也有助于提高產(chǎn)能，因?yàn)殡姌O片能夠在電池柱體表面持續(xù)分布。配合后文將要詳細(xì)介紹的其他調(diào)整，新款電池有望在產(chǎn)能增長(zhǎng)的同時(shí)，減少工廠占地面積與能源消耗總量，最終幫助特斯拉實(shí)現(xiàn)降低成本、提升產(chǎn)能的目標(biāo)。

外卷加內(nèi)卷

電動(dòng)汽車(chē)可不是靠一塊電池運(yùn)行的，驅(qū)動(dòng)這輛龐然大物需要一整塊塞滿(mǎn)電池的電池組。電池組中還包含大量其他部件，包括充電管理、冷卻以及燃燒后的安全保護(hù)機(jī)制等。這一切，都讓電池封裝的工程技術(shù)與車(chē)輛容納空間成為限制整體能量密度的決定性因素，并最終影響到車(chē)輛的續(xù)航能力。

特斯拉此次也介紹了一種新的電池組設(shè)計(jì)，其中減少了部分結(jié)構(gòu)性支撐，因此能夠在更小的體積中容納更多電池。另外，隨著封裝盒體的重新設(shè)計(jì)，其本身也可以同時(shí)作為汽車(chē)的車(chē)身結(jié)構(gòu)，額外帶來(lái)一定程度的成本優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)特斯拉方面并沒(méi)有透露這種全新封裝方案會(huì)具體使用在哪款車(chē)型中?？赡軙?huì)出現(xiàn)在現(xiàn)有車(chē)型中，也可能只限于Cybertruck、特斯拉Semi甚至是馬斯克提到的“未來(lái)計(jì)劃推出的25000美元新車(chē)型”身上。究竟如何，目前尚無(wú)定論。

但馬斯克倒是著重講述了新型電池內(nèi)部的化學(xué)成分。通過(guò)新的化學(xué)構(gòu)成，陽(yáng)極與陰極都將迎來(lái)完全不同的實(shí)現(xiàn)方式，翻開(kāi)電池結(jié)構(gòu)的新篇章。

現(xiàn)代鋰離子電池中的陽(yáng)極主要使用石墨材料。石墨的固有結(jié)構(gòu)，使其能夠容納在充電過(guò)程中不斷向陽(yáng)極移動(dòng)的鋰原子，但就僅此而已，再無(wú)其他作用。換言之，電池體積及重量中的相當(dāng)一部分并不能直接用于存儲(chǔ)能量，而僅僅只是在維持電池的正常工作。如果能從這里擠出一些體積和重量空間，那么電池的能量密度也將有所提升。

特斯拉及其他一些制造商目前正嘗試向石墨內(nèi)部添加一些硅材料，保證在相同體積的陽(yáng)極中容納更多鋰原子。在這方面，純硅可能是個(gè)更好也更便宜的選項(xiàng)。但與石墨優(yōu)異的形態(tài)穩(wěn)定性不同，硅材料在吸納大量鋰原子后存在一種令人頭痛的特性——體積膨脹。這不僅可能導(dǎo)致硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生故障，也會(huì)隨時(shí)間推移引發(fā)性能下降，甚至增加電池容器的使用風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于陽(yáng)極替代方面的研究方案不少，但還沒(méi)有任何真正投放市場(chǎng)的完善成果。特斯拉則宣稱(chēng)，他們已設(shè)計(jì)出一種新的陽(yáng)極，在導(dǎo)電的彈性聚合物中摻雜微小的硅顆粒以構(gòu)成「生硅材料（即硅納米線）」。該公司表示，這種新設(shè)計(jì)，能夠有效提升硅陽(yáng)級(jí)電池的使用壽命與安全度。

據(jù)稱(chēng)，這種電池的制造成本能夠?qū)ⅰ甘?硅」電池的每千瓦時(shí)約10美元下降至「純硅方案」的每千瓦時(shí)約1美元。在車(chē)輛續(xù)航里程方面，特斯拉表示提升約為20%。但本次演講并未公布其他特性（例如是否擁有超越現(xiàn)有方案的陽(yáng)極使用壽命），因此還不清楚特斯拉會(huì)不會(huì)在后續(xù)電池設(shè)計(jì)中實(shí)際采用這種方案。值得一提的是，負(fù)極材料供應(yīng)商Sila Nano也采取了類(lèi)似的設(shè)計(jì)思路，并計(jì)劃在今年年內(nèi)開(kāi)始推出供電子設(shè)備使用的電池產(chǎn)品。

至于陰極側(cè)的化學(xué)材料設(shè)計(jì)，特斯拉也有自己的想法。根據(jù)計(jì)劃，他們打算推出三種不同類(lèi)型的鋰離子電池，涵蓋從經(jīng)濟(jì)型到超高性能型的多種使用場(chǎng)景。

圖：特斯拉公布新計(jì)劃，將使用三種不同的陰極設(shè)計(jì)方案為多種不同使用場(chǎng)景提供電池方案。

特斯拉目前使用的電池仍包含「NCA物質(zhì)（即鋰、鎳、鈷、鋁）」，其他電動(dòng)汽車(chē)廠商則主要使用鋰鎳錳鈷的所謂「NMC材料組合」。無(wú)論哪種組合，「鈷」都是其中最昂貴的元素，且大部分產(chǎn)自剛果民主共和國(guó)?？紤]到當(dāng)?shù)卦愀獾墓ぷ鳁l件與對(duì)童工的殘酷剝削，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)一直在努力減少對(duì)鈷材料的使用。

特斯拉方面表示，其已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩種新的「無(wú)鈷電池方案」。第一種是「高鎳陰極電池方案」，依靠“新型涂層與摻雜劑”替代穩(wěn)定的鈷元素。盡管演講中未做具體說(shuō)明，但Baglino曾經(jīng)將其稱(chēng)為“100%鎳”配方。這套方案的能量密度最高，但成本也相當(dāng)驚人，因此大概率會(huì)被應(yīng)用于強(qiáng)調(diào)電力儲(chǔ)備的Cybertruck與特斯拉Semi當(dāng)中。

另一種成本相對(duì)低廉的方案則采用新的「鎳錳陰極」，二者的混合比例為2:1。但馬斯克只是暗示其中不含鈷，而未做明確的說(shuō)明。這套方案會(huì)在一定程度上降低能量密度，但電池成本也將大大降低。NMC陰極目前也衍生出了比例為8:1:1的無(wú)鈷配方，不知道其實(shí)現(xiàn)難度會(huì)不會(huì)比前面提到的“100%純鎳”配方低一些。

（這里多提一句，任何采礦活動(dòng)都會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，鎳開(kāi)采也不例外。）

特斯拉的第三種方案則是對(duì)傳統(tǒng)配方「磷酸鐵鋰（LFP）」的優(yōu)化。這也是三種電池中成本最低、但能量密度也最差的方案。為了支持特斯拉在中國(guó)的運(yùn)營(yíng)，他們與LFP電池制造商寧德時(shí)代達(dá)成一項(xiàng)新的電池供應(yīng)協(xié)議。今年年初，雙方協(xié)議已經(jīng)獲得政府批準(zhǔn)，可以在中國(guó)使用這種配方為本地生產(chǎn)的Model 3車(chē)型供能。

相較于之前提到的種種復(fù)雜、艱難的新電池設(shè)計(jì)方案，特斯拉似乎非常欣賞這套雖然陳舊但卻相當(dāng)成熟的電池選項(xiàng)，特別是其中寬松的電池組體積限制。值得注意的是，電網(wǎng)規(guī)模的Powerpack電池存儲(chǔ)設(shè)備以及未來(lái)25000美元售價(jià)的新車(chē)型也被納入這一組別當(dāng)中，也許暗示著超低價(jià)位車(chē)型能否實(shí)現(xiàn)，就看LFP電池的成本壓縮空間了。

但這仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)

在成本方面，新型陽(yáng)極與陰極制造工藝也將成為決定產(chǎn)品命運(yùn)的重要因素。鋰離子電池制造商一般使用“濕法”工藝將原料混合并沉積到薄膜之上，由此制成陽(yáng)極或陰極片。具體來(lái)講，生產(chǎn)線會(huì)將粉末狀的材料與水或其他溶劑進(jìn)行混合，而后涂抹在薄膜上，并放置于大烤箱內(nèi)進(jìn)行干燥。

這些干燥爐所消耗的電力，也成為電池生產(chǎn)中的主要能耗來(lái)源。另外，這類(lèi)工藝在工廠車(chē)間內(nèi)需要占用巨大的空間。從這兩個(gè)角度來(lái)看，新的替代方案似乎更有優(yōu)勢(shì)。

正因?yàn)槿绱?，特斯拉方面?019年收購(gòu)了一家名為Maxwell Technologies的企業(yè)。此后，就有傳聞稱(chēng)“該工廠處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)”，也有好奇之人猜測(cè)“特斯拉可能想要打造出屬于自己的超級(jí)電容”。但從根本角度出發(fā)，特斯拉想要的其實(shí)很簡(jiǎn)單——干式陽(yáng)極與陰極制造工藝。

馬斯克提到，自收購(gòu)以來(lái)，Maxwell的制造工藝已經(jīng)完成了幾輪迭代。視頻中還播放了一段巨大輥?zhàn)幽雺汉谏勰┑溺R頭，不過(guò)這除了讓人想起搟面條以外，似乎也沒(méi)有什么特別的啟發(fā)性。

馬斯克還表示，新工藝還沒(méi)有做好正式投產(chǎn)的準(zhǔn)備。“確切地講，我現(xiàn)在還不能保證新工藝的可行性。雖然能夠起效，但產(chǎn)物收率仍然達(dá)不到要求。”

不過(guò)可觀的回報(bào)將支持特斯拉繼續(xù)探索，因?yàn)橐坏┏晒?，干式工藝所需要的耗電量與占地面積僅相當(dāng)于濕式工藝的十分之一，這將極大降低生產(chǎn)成本。正如Drew Baglino所言，單就這一點(diǎn)，足以讓人們假設(shè)其中的技術(shù)難關(guān)“有解”。

最后特斯拉公司希望，原材料供應(yīng)商調(diào)整材料的供應(yīng)形式。例如，他們目前從某家鎳供應(yīng)商處得到的是硫酸鎳，還需要經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)處理才能將鎳與硫酸鹽分離，之后還得單獨(dú)處理這些硫酸鹽產(chǎn)物。

馬斯克宣布，以硫酸鹽的形式供應(yīng)金屬材料是一種早已過(guò)時(shí)的“陳舊方法”，應(yīng)該摒棄。未來(lái)，供應(yīng)商將向特斯拉提供無(wú)需額外預(yù)處理的純鎳。這里還有一些技術(shù)空白需要填補(bǔ)，但特斯拉明顯是將其視為降低成本的手段之一，也表現(xiàn)出了解決問(wèn)題的決心。

用錢(qián)說(shuō)話

特斯拉的總體目標(biāo)，是讓電池每千瓦時(shí)電量的生產(chǎn)成本降低56%，并讓車(chē)輛的續(xù)航里程再提高54%（按每千克電池組計(jì)算）。彭博社曾對(duì)2019年的市場(chǎng)價(jià)進(jìn)行過(guò)估算，指出當(dāng)時(shí)電池每千瓦時(shí)電量的生產(chǎn)成本為156美元，由此得出特斯拉將率先將這一水平拉低到100美元以?xún)?nèi)。通用汽車(chē)在今年3月的投資者日活動(dòng)中，宣布計(jì)劃在其全新電動(dòng)汽車(chē)電池“平臺(tái)生命周期早期”，實(shí)現(xiàn)100美元以下的每千瓦時(shí)生產(chǎn)成本。特斯拉的時(shí)間表似乎還要更快一些。

馬斯克強(qiáng)調(diào)，“在實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，大概需要12個(gè)月-18個(gè)月的時(shí)間。而在全面普及這些提升，大概還需要3年左右。”

圖：特斯拉計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)改進(jìn)目標(biāo)。

特斯拉能在3年之內(nèi)兌現(xiàn)這么多承諾嗎？這可不是他們第一次放出缺乏根據(jù)的豪言了。會(huì)不會(huì)某些技術(shù)在真正面世的時(shí)候，與現(xiàn)在的宣傳會(huì)出現(xiàn)很大差距？

但無(wú)論如何，特斯拉確實(shí)給電池技術(shù)設(shè)定了野心勃勃的發(fā)展目標(biāo)——到2030年，全球電池的年度總儲(chǔ)電量將提高100倍以上。除了擴(kuò)大現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施以外，新的電池設(shè)計(jì)方案與新的生產(chǎn)體系規(guī)劃也將非常重要。而這一切，都將取決于特斯拉此次公布的各項(xiàng)階段性發(fā)展目標(biāo)能否按期完成、順利實(shí)現(xiàn)。