如何造出一辆16万元的特斯拉?马斯克押注“无钴高镍”电池,专家:无钴是发展趋势

DeepTech深科技 2021-02-27 15:21


‘低钴’和‘无钴’是未来电池正极材料的发展趋势。” 谈及电池产业的未来发展,清华大学车辆与运载学院助理教授、电池安全实验室主任冯旭宁指出。对此,中国科学院物理研究所博士生导师、天目湖先进储能技术研究院首席科学家吴凡也表达了相同的观点:“对锂离子电池正极材料而言,‘高镍低钴’或‘无钴’化是大势所趋。


在过去 20 年里,半导体行业发展一路突飞猛进,如 CPU 工艺技术一直遵循摩尔定律,性能每隔两年就能翻一倍。


然而,电池技术却没有取得太大突破,纵然每年都会有各种 “XX 新型电池” 的新闻冲上热搜,但最终还是沦为 “PPT 电池”:或是因为技术工艺,或是因为成本造价,或是因为安全性等各种因素,始终走不出实验室,难以大规模量产和普及。


就现阶段而言,不管新能源行业怎么 “大放豪言”,电池一直都是挡在电动汽车发展道路上的绊脚石。


图 | 新能源汽车(来源:Pixabay)


高举 “无钴” 大旗,马斯克进军电池界


随着 2020 年特斯拉 “电池日” 上 4680 电池的正式亮相,电池界又多了一位 “新玩家”,更确切地说应该是 “搅局者”。按照马斯克以往的 “风格”,他每进入到一个行业必定会掀起一场腥风血雨。


电池占据整车成本的大头,那接下来特斯拉造电池的成本如何控制呢?这就不得不提到电池中的重要成分 —— 钴。这种原子序数为 27,在化学元素周期表中位于第 4 周期、第 Ⅷ 族的金属,是电池制造中必不可少的正极原材料(至少现阶段依然不可或缺)。


图 | 钴在元素周期表中的位置(来源:网络)


“电池行业对钴的消费量最大,占比超 50%。钴是活性物质,既能稳定材料的层状结构,又能减小阳离子混排,便于材料深度放电,从而提高材料的放电容量、循环性和倍率性能;镍可以提高材料活性,提高能量密度。” 吴凡表示。


在自然界矿石中,钴和镍是共生的关系,其占比为 1:10,即从矿石里面提纯一份的钴,同时能得到十份的镍。“但钴这种元素存在两个缺点。第一,钴具有一定的毒性;第二,钴的提纯比较困难。” 冯旭宁说道。


另外,钴资源的缺乏也是不利因素。“目前全球已探明陆地钴资源量约 2500 万吨,储量 720 万吨,主要集中在刚果(金)、澳大利亚和古巴,三国储量之和占全球总储量的 68%。刚果(金)储量居世界首位,达 340 万吨。” 吴凡指出,“钴由于其稀缺性已成为战略性稀有金属资源,同时其供应链结构集中化、不稳定,已成为新能源汽车发展的掣肘。”


产量少 + 提纯难造成了钴的价格不断攀升,也就造成了电池的成本居高不下。


那电池能不能 “无钴” 呢?答案是可以的。


“低钴” 乃至 “无钴” 既是特斯拉接下来要走的路线,也是需要克服的难题,这一点马斯克在 2020 年 “电池日” 上也已经明确表态。据了解,早在 2019 年 1 月,Jeff Dahn(现为特斯拉首席科学家)曾发表过一篇论文指出锂电池正极材料 “无钴高镍” 的可行性,毕竟镍在自然界比钴多得多,提纯也相对容易一些。无疑,正是 Jeff Dahn 的观点极大地坚定了马斯克要造 “无钴电池” 的信心。


图 | 特斯拉电池的 “无钴高镍” 计划(来源:特斯拉)


谈及 Jeff Dahn,冯旭宁告诉 DeepTech:“关于锂电池材料尤其是无钴材料,Dahn 先生课题组很早就开展研究了。Jeff Dahn 先生是少数经历过锂电技术全程研发且仍在技术一线的科学家之一。”


对于电池 “无钴” 化,冯旭宁表示:“‘低钴’和‘无钴’是未来电池正极材料的发展趋势。但在电池‘无钴’化的同时需要添加其他的离子来替代钴在电池充放电过程中的作用。”


尽管特斯拉现阶段的电池还离不开钴,但纵观过往其历代电池,其钴含量正在不断降低,最终实现电池 “无钴” 化指日可待。


被逼无奈,特斯拉走向自研自产电池之路


作为新能源汽车领域的 “大哥”,特斯拉知晓固态电池和石墨烯电池的优势,但未来几年特斯拉之所以不打算做固态和石墨烯,而是继续 “深耕” 锂离子电池,原因主要归结为两点。


第一,受制于供应商的电池技术。


在电池供应方面,特斯拉和松下、LG 化学、宁德时代都有合作,特斯拉汽车所使用的 1865 电池和 2170 电池皆由他们提供,但受制于性能、安全、规模、价格等综合因素的权衡,圆柱形锂离子电池是目前供应商能给特斯拉的最好电池。


图 | 特斯拉使用的 1865 电池和 2170 电池(来源:特斯拉)


显然,这离特斯拉心目中的 “理想电池” 还有一些差距。既然自己想要的电池供应商给不了,于是特斯拉便走向了 “自研 + 自产” 电池的道路。


所谓 “术业有专攻”,特斯拉在电池领域的积累显然不如松下等老牌供应商,故此其花重金请来锂离子电池界的祖师级人物 ——Jeff Dahn 亲自挂帅担任特斯拉首席科学家,开发 “不可能三角” 电池,这是一种能量密度更高、充电速度更快、制造成本更低的锂离子电池。


Jeff Dahn 也不辱使命,时隔一年便交上一份让马斯克满意的答卷,尽管 4680 电池还存在些许不足,但它的综合性能很好地提振了行业信心。


从第三方采购、到合资建厂、再到自研自产,特斯拉在电池道路上俨然走出了自己的步伐。可以预见,未来几年内特斯拉将继续沿着现有成熟路线使用圆柱形电池的多并联方案、继续开发大容量锂离子电池。


第二,特斯拉的商业策略。


特斯拉归根结底是一家车企,是企业就要盈利,想盈利就要控制成本。固态电池虽然无比优越,但现阶段不论是技术还是工艺都存在瓶颈,完全不具备规模化量产的可能,而且成本高高在上,没有商业化的实用价值。在特斯拉看来,使用成熟的锂离子电池是当下更优的解决方案。


图 | 特斯拉计划推出 2.5 万美元的电动汽车(来源:特斯拉)


特斯拉之所以如此关注电池,是因为除了影响整车的性能表现之外,电池在整车成本占比高达 40%,只有电池成本降下来,整车成本才能降下来。这也正是为什么 2020 年 “电池日” 上马斯克宣称要在三年内推出一款 2.5 万美元(约合 16 万人民币)的电动汽车,其底气正是来自 4680 电池的成本已降低 56%。


特斯拉的商业策略是 “低价抢市场” ,以加速全球市场拓展。随着苹果等互联网大厂也宣布要造车,现阶段特斯拉要做的是尽快抢占市场,靠的就是低价。对广大消费者而言,价格依然还是众多因素中最优先考虑的,比如之前特斯拉宣布降价时,官网一度瘫痪、线下门店挤得水泄不通。


和国内一些新能源车企不惜代价大搞 “千公里续航” 不同,特斯拉更看重电池的成本。前有电池技术瓶颈的掣肘,后有来自互联网大厂的围攻,该公司现在最想做的是尽快降低电动汽车价格,以更低的价格占领市场,让市场快速达到饱和。


业内人士:4680 电池并没有达到预期


对于特斯拉 4680 电池,吴凡表达了自己的看法:“特斯拉主要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,达到降低电池成本的目的。这种通过增加单块电池体积来增加电池包能量密度的技术路线或思路在本质上与比亚迪的刀片电池、还有宁德时代的 CTP 技术是一致的。”


电池并联太多会导致出现发热、效率低等不良影响,大容量电池可以有效减少并联数,系统管理层面也变得更加简单。“大容量化是整个新能源汽车电池行业的趋势。” 冯旭宁表示。


单看特斯拉的 PPT 介绍,4680 电池的性能表现着实令人赞叹,仿佛再次让业界看到了希望。然而在业内人士看来,这种电池并没有达到预期。


“特斯拉在电动汽车领域属于标杆型企业,它对于电池的理解也会更加深刻,由于关注度过高的原因,大众对它可以说是‘寄予厚望’,业内人士觉得 4680 电池并没有达到预期。” 冯旭宁说。“不可否认的是,特斯拉 4680 电池的综合性能依然位列国际第一梯队,但前面要加一个定语 —— 在圆柱形锂离子电池范畴里。” 他随后补充道。 


严格意义来讲,特斯拉 4680 电池更像是一次 “优化升级”,而非 “革命”。


图 | 特斯拉 4680 电池的卷芯结构(来源:特斯拉)


另外,特斯拉的这种圆柱形锂电池容量也有 “天花板”。“主要是因为圆柱形锂电池需要卷芯,外围部分性能较好,但越靠近核心位置曲率越大,易出现应力集中的现象,造成活性物质不可用,进而形成浪费。所以这种电池容量是有上限的,没办法做得特别大。” 冯旭宁表示。未来,转向其他电池,比如业界普遍看好的固态电池或许是更好的出路。


目前的固态电池和石墨烯电池其实正处于过渡阶段,即固态电解质和石墨烯还只是属于 “添加剂” 性质。“比如在锂离子电池中添加固体电解质以增加能量密度、提升安全性;在负极添加石墨烯以增强导电性、提高充电速度。两者添加得越多,性能就越好,但相应的工艺难度和制造成本也就越高。” 冯旭宁说道。


显然,不论是固态电池还是石墨烯电池,现阶段都不具备量产的可能性。


特斯拉的铁人三项:做电池、搞快充、建电桩


电池直接关系到汽车整体性能表现,而日常驾驶让车主感到焦虑的,除了续航里程,再就是充电速度。


续航里程对应的是电池的能量密度,充电速度对应的是电池的功率密度。” 冯旭宁说,“想提高能量密度可以电极做得厚一些,想提高功率密度可以电极做得薄一些,但这两者是矛盾的,这就需要电池厂商在设计电池的过程中去综合考量,进行权衡和取舍。” 他补充道。


“快充技术,电池厂商和车企各负责一半。” 冯旭宁表示。电池厂商能做的是 “电池先天的” 导电能力强,比如添加导电剂,控制电芯预紧力,将电极做成梯度电极或薄电极等;车企能做的是 “电池后天的” 充电过程中对电流进行控制,让电池充电过程中不过热,不损坏电极材料。“目前,行业的目标是充电 5 分钟能跑 200 公里。” 他说。


特斯拉的快充技术业内领先,其采用 “高功率直流电” 模式,充电功率达 40kW 以上,比如特斯拉超级充电站可以实现 30 分钟充一半,80 分钟完全充满。在充电站 / 桩建设方面,特斯拉更是走在世界前列。据统计,特斯拉在全球范围拥有超过 2 万个超级充电桩。在中国大陆拥有 750 余个超级充电站、6000 余个超级充电桩,覆盖 300 个以上的城市。


关于电动汽车淘汰下来的废旧电池污染问题。冯旭宁表示,“废旧电池是污染源主要指的是重金属污染,比如铅酸电池里的铅,镍镉电池里的镉,而锂离子电池内部的原料毒性较低(锂离子电池中钴的占比大约为 1-3%,),一般不会对土壤造成重金属残留。”


图 | 特斯拉电池回收(来源:特斯拉)


马斯克在 2020 年 “电池日” 上也曾公开表示:“废旧电池可以进行收回利用,用于低配车型或者太阳能等有储能需求的领域,这样也能进一步降低电池的使用成本。”


对此,冯旭宁说:“电池回收一般分两类,一类是在高负荷下用完之后,到低负荷下继续使用,比如一些 5G 通信基站可以利用电动汽车淘汰下来的旧电池;另一类就是直接报废,通过物理法破碎成原材料,分离出电池中的有用金属,比如铜、铝、钴、镍等,再重新送回电池厂加工成电池,这方面回收效率非常高,接近 100%。”


与此同时,吴凡也指出了现阶段电池回收产业存在的一些问题:“第一,电池厂商多且使用很分散,废电池收集缺乏有效渠道;第二,电池剩余寿命以及回收价格评估难;第三,电池拆解难度大,且存在一定安全隐患;第四,电池回收涉及行业众多,商业模式需要进一步探索和完善。”


从硬件研发到软件布局,特斯拉在下一盘大棋


以往,人们对于传统燃油汽车的认知仅仅停留在 “硬件” 层面,认为汽车只是一个代步工具而已。到了如今的新能源汽车时代,人们发现原来汽车也是可以搭载操作系统,可以实现智能化的。


图 | 特斯拉(来源:Pixabay)


在电动汽车的硬件中,电池无疑是最为核心的部分;而在软件中,全自动驾驶是核心,比如特斯拉的 FSD(Full Self-Driving)在业内就像标杆一般的存在,且收费不菲。据了解,目前特斯拉 FSD 套件在中国的售价高达 6.4 万元。“特斯拉的业务布局将会变得和苹果越来越像,未来,特斯拉可能会变成一个服务商,不单靠卖汽车硬件,更多的是通过软件服务实现盈利。” 一位业内资深人士告诉 DeepTech。


从电动汽车硬件到车载系统软件,从电池技术、整车组装,到 FSD 以及软件生态,不难看出,特斯拉正在下一盘大棋。


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