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只有特斯拉才敢这样造电池

  • 作者: 乐鱼网站
  • 发布时间: 2023-12-13 16:09:08
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  马斯克 2006 年公布了一个伟大的愿景:造越来越便宜的电动车,替代燃油车、加速世界转向可持续能源。

  中国正在快速接近这个目标。这里的新能源汽车平均售价已从去年的 20 多万元降到 18 万元以内,与燃油车齐平,明年还会继续下降。造车新势力、问界等原本瞄准 25 万-40 万元市场的品牌也在推出更便宜的车型。乘联会估计,2024 年中国每卖 100 辆车,就会有 42 辆是新能源车。

  只是,特斯拉却正在缺席这个它参与开启的变革。至少在未来 18 个月里,特斯拉在中国市场不会有全新车型。它的 Model 3 和 Model Y 已无刚上市时的价格上的优势。特斯拉全球唯一的新车型 Cybertruck 在 2024 年的产量只有 12.5 万辆,且主要在美国交付。这款造型未来的皮卡起售价约 43 万元人民币,是 2019 年首次公布时的 1.5 倍。

  特斯拉早先宣布的新车,低于 15 万元人民币的大众车型最早也得等到 2025 年二季度才能量产。到那时,Model 3 已经卖了 8 年,Model Y 已经卖了 5 年,期间只有不改变外形的一轮改款。

  特斯拉 2020 年发布 4680 电池。在研发之初,马斯克认为电池制造效率太低,特斯拉能重新发明电池制造流程,抛弃常规做法,降低 50% 成本。

  4680 电池原计划在 2021 年开始量产,但直到今年年中才小规模量产。特斯拉美国得州工厂过去 4 个月只生产了 1000 万颗 4680 电芯,只够装 1.2 万辆 Cybertruck。

  据了解,今年下半年,特斯拉开始找中国电池公司代工电池极片以满足产量要求。到明年二季度,松下会开始给特斯拉供应 4680 电池,但产能只够装载约 6 万辆车。

  从 Roadster 到 Model 3,再到 Model Y,特斯拉在数代新车型上都运用 “第一性原理” 的思考方式:即重新思考那些大多数人习以为常的惯例与陈规,追根溯源分析是不是合理,再从物理学原理出发寻找新的更简单和便宜的处理方法,完成那些业内专家视为不可能的目标。4680 电池是这样的做法的延续。

  《马斯克传》中多次描述了第一性原理手到擒来的过程。在制造 SpaceX 火箭时,马斯克挑战权威,提出用更便宜的不锈钢替换碳纤维制造火箭,最终只花 NASA 登月计划 2% 的钱就造出了能飞上太空的 Starship。

  特斯拉和马斯克执掌的别的技术公司似乎总能凭第一性原理另辟蹊径,证明传统观念是错的,一次次取得技术领先。

  但在 4680 电池上,特斯拉的做法遇阻。这款电池决定着特斯拉下一代车的产能和定价,而它的量产时间和性能都未达到最初发布时的目标。这是近年被不少公司奉为至宝的第一性原理的另一面:当遇上复杂创新,从原理出发推导重来常常只是一趟艰难旅程的起点。

  马斯克提出过 “白痴指数”:用零件的价格除以这个零件所需原材料的成本。这一个数字越大,说明这个零部件 “越白痴”,要么是中间环节太多,要么是制造效率太低。

  每当遇到一个白痴指数过高的部件,特斯拉就会重新思考流程、革新制造方式以减少相关成本,使该指数尽量回归 “1”。马斯克追求让汽车的制造成本无限接近汽车所用的钢铁、铝、硅、锂等材料的成本之和。

  2007 年,马斯克查询伦敦金属交易所的电池材料价格后,算出电池的 “白痴指数” 是 7:当时每瓦时电池的锂、钴、镍等材料的成本只有 82 美元,但锂电池售价却超过 600 美元,这一数字已是索尼、松下等电池公司努力 20 年的结果。

  特斯拉在 2014 年与松下合资建立电池超级工厂,期望以此降低电池成本。但到 2020 年,锂电池的 “白痴指数” 仍有 2,当时整车的实际白痴指数已小于 1.5。特斯拉仍得把汽车卖到 4 万美元(约 30 万元人民币,也就是 Model 3 的售价)才能保持毛利,马斯克认为这还不够便宜。

  同在 2020 年,特斯拉宣布将研发制造售价约 2.5 万美元(按当时汇率计算约为 15 万元人民币)的低价电动车,以进入更主流汽车市场,与丰田卡罗拉等最畅销车型直接竞争。

  支撑这一目标的是一个完整的电池降本计划。自 2018 年起,特斯拉成立代号 “跑路者”(Roadrunner)的项目组,开始筹划自研和自产电池。

  第一性原理思考的本意是:不停质疑你能质疑的所有事,直到只剩下基础的事实与原理。特斯拉工作法中的第一条就是:“质疑每项要求”。

  以这个视角看电池制造,特斯拉围绕降本目标更改了圆柱电池的尺寸,简化了延续几十年的湿法生产再烘干的繁复环节,设计了新的电池与制造流程。

  特斯拉选择大圆柱结构:把圆柱电池的尺寸从直径 21 毫米、长 70 毫米提升至直径 46 毫米、长 80 毫米,这即是 “4680” 电池名称的由来。更大的圆柱结构,能提升单个电池中的能量物质占比,进而提升电池能量密度。

  这一设计兼顾了制造效率与成本。目前主流的动力电池分为圆柱和方形电池。圆柱形物体在流水线中的运转速度高于方形物体。方形电池龙头宁德时代每分钟能生产 25 个电芯,而圆柱电池龙头松下每分钟能生产 300 个 2170 电芯。圆柱电池的弊端是,在封装为电池包时,圆柱与圆柱间会有缝隙,空间利用率低于方形电池。

  大圆柱能大幅度减少缝隙。一位电池公司研发负责这个的人说,车用圆柱电池直径控制在 45- 50 毫米时能最好地兼顾电池容量和空间利用率,如果尺寸再大,加工难度会提高,对空间利用率的提升也会变少。

  “尺寸变大” 看着只是一个小改动,实际会带来一系列相互矛盾的改进。只把电池做大,极耳,即连接电池内外部电路的导电部分就要承担更多电流,更容易热失控,增大安全隐患。

  “既然极耳朵不听话,那就扔掉它。” 马斯克说。特斯拉随即去掉了电池极耳,改为让整个电池底部和外壳充当极耳,这即是 “全极耳”(也称 “无极耳”)工艺,它能加快电池充电速度,还让电池更容易散热——电池外壳体积比原本的小片突起的极耳更大,更容易散热。

  电池公司在过去 30 年一直使用湿法工艺。它们将电池材料与有毒的粘合剂、液态溶剂混合,然后涂在薄薄的箔片上。加工完的极片要在长达 100 米、温度达 90 度的烘箱中烘烤 12 个小时,在这样的一个过程中充分蒸发有毒的溶剂和水分——整个工序极大增加制造成本。

  特斯拉认为湿法工艺很低效:既然极片要做成 “干” 的,为何需要先把极片弄湿、再烘干?这就是马斯克觉得电池制造的白痴部分。湿法涂布的设备、人工、厂房成本占整个电池制造的 22.76%。

  2019 年 2 月,特斯拉花 2.19 亿美元买下超级电容(用于摄像机闪光灯等领域的电能储存设备)公司 Maxwell,将超级电容器的干法电极工艺改用到锂电池中,直接把极片做成干的。

  干法电极不使用液态粘合剂,因此不需要烘烤,理论上制造起来更便宜、更快,对环境的破坏也更小。马斯克说,仅靠这个工艺,特斯拉就能将单位产能的设备支出减少三分之一,将电极生产车间的占地面积和能源损耗减少 90%。

  特斯拉还希望加速电池流水线,来提升生产效率。马斯克羡慕啤酒等饮料制造业和造纸业的连贯与超高效率:造啤酒时,生产线没有一点断点,啤酒瓶封上盖后才会离开生产线,但电池的部分部件造完后,通常都要暂时离开生产线,靠小车运到下一个车间,再回到流水线上。现在最快的电池生产线 公里 / 小时,而最快的啤酒生产线 公里 / 小时。

  特斯拉为此大幅合并了电池制造工序,开发集合多个工艺的设备。如 2021 年,特斯拉在柏林工厂启用了切割、卷绕和焊接的三合一一体机,这些任务本来需要 3 台不同的设备才能完成。

  按马斯克在 2020 年的说法,整个 4680 电池方案能减少约 20% 的电池的制造成本,35% 的设备投资所需成本和 70% 的工厂占地面积。

  当时的特斯拉将 4680 电池视为大规模扩张的基础:用投资更少的电池工厂生产储能和汽车电池,再用更便宜的电池制造售价 2.5 万美元的廉价车型,刺激销量、赚取更多利润,再投入到研发和新一轮产能扩张,形成增长飞轮,助力特斯拉在 2030 年实现一年卖 2000 万辆车的宏大目标。

  做大电池,去掉弄湿电机再烘干的 “白痴部分”。这些显而易见的改进在过去数十年的电池工业中从未被实践,因为困难重重。

  汽车制造流程相对短,且对精度和环境的控制要求较低,汽车制造的主要任务是成品组装,改进一个组装工序很少影响前后工序。电池制造则是将材料变成成品,流程相关性更强,前一个工序的成品就是后一个工序的原料。改进一个工序,意味着也要修改前后工序。

  特斯拉为使用干法电极技术,去掉烘干等步骤,就需要把烘干前的所有环节都变成 “干” 的。这占整个电池制造流程的 50% ,且对环境、精度的控制远高于其余工序。

  湿法电极的核心是涂布。它的任务像抹奶油,把带有粘结剂的糊状电池正负极材料均匀涂抹在金属箔片上,涂抹厚度一般只有 30 微米。宁德时代等电池公司致力于提升涂布速度,现已能做到每分钟涂 100 米。涂布速度越快、质量控制越难。细微提升背后,靠的是数十亿次尝试中总结的经验。

  干法电极同样要在金属箔片上附着正负极材料,但正负极材料为干粉状,附着力弱,它不像抹奶油,而更像撒沙子,且同样追求均匀度和速度。

  2020 年,特斯拉申请了干法电极粘结剂专利,它改进了锂电池原本采用的 PVDF 粘结剂。从微观层面看,这种新粘结剂被滚压后会纤维化,就像一张网。这让原本在平面上撒沙子变成 “就像在棉花糖上撒沙子”,一位干法电极工艺专家说。

  但当时的特斯拉并不清楚要在正负极材料里混合多少粘结剂:粘结剂比例高了,电池中带能量的物质就会变少,单位体积内的包含的能量会变低,且粘结剂会阻碍锂离子在电池中的流动,这会缩短电池循环寿命;但粘结剂比例太低,材料的附着力又不够。

  衡量粘结剂效果的一个直观标准是电池首效(第一次充放电时电池的电量占设计容量的比例)。一位拆解过 4680 电池的工程师称,特斯拉在今年年中的样品能将首效做到 88%,而其他参与该项目的电池公司只能做到 85%,但还未达到量产电池的水准。目前主流的动力电池首效超过 92%。

  “以这个首效推算,特斯拉 4680 电池的循环次数可超过 1000 次,但目前主流的电池的循环次数超过 2500 次。” 他说。

  干法电极设备需要用合适的力度将材料中的粘结剂滚压成合适的纤维化状态。在实验室环境中,这件事很简单。但大规模生产规格要求设备能连续、精准地处理整个任务。

  辊压要多次进行,如果只压一次,就只有少数的操作空间来调整设备参数。特斯拉公开的专利中,采用了三个滚轮,分两次执行辊压动作。但一位接近设备供应商的人士称,特斯拉后来将辊压设备的滚轮数量增加到了 7 个。

  越来越多的滚轮确实提升了精度上限,但又增加了调试难度,每调整一次前面的滚轮,后续所有滚轮的参数都会变化。

  在制造领域时常灵光乍现,敢于尝试的特斯拉,也不得不陷入这样的低效怪圈。调试设备和工艺没有捷径,它需要一次次尝试。且往往牵一发动全身,改一处得调整多个环节。去掉弄湿正负极材料再烘干的 “多余环节”,比马斯克最初想象得难得多。

  特斯拉的做法是自己设计设备,再找锂电设备公司做代工生产,帮助克服一些设备问题。

  一位曾接触过特斯拉的设备供应商人士称,特斯拉会给到设备核心图纸,并限制供应商修改设计。“最终的结果是,设备工程师不懂工艺,特斯拉的人不懂设备,设备供应商花了很久才造出能用的设备,但依然不符合特斯拉的要求。” 他说。

  2021 年,特斯拉找了多家电池设备供应商制造设备,其中部分设备方案现已被舍弃。据了解,一家龙头锂电设备供应商曾向特斯拉提供了整条 4680 产线 人的工程团队去得州协助特斯拉优化产线 年底撤走。

  原本的电池极耳只有一小片,而 4680 电池采用全极耳设计,需要焊接的极耳面积成倍增加。焊接面积越大,就越容易出错。焊接机输出的能量过大会焊穿极耳,能量不够焊接就不牢固,两种情况都会让电池报废。

  “特斯拉到今年也没有明确定义焊接效果要做到什么样。特斯拉从源头去革新,但到落地的细枝末节上他们也把不准,于是就花钱找人帮他圆梦。” 一位设备供应商人士称,特斯拉并未给出更好的极耳焊接控制方案。此外,特斯拉还在激光密封等环节遇到了良率挑战。

  到去年年末,特斯拉的 4680 电池生产良率只有 92%。依照电池行业测算,4680 电池的良率要超过 95%,才能压低成本,实现商用。

  特斯拉生产线的效率也远未达到行业的预期。一位设备厂商人士称,今年初,特斯拉 4680 电池的生产效率约为 85 个 / 分钟,此前行业认为 4680 电池的效率上限是 350 个 / 分钟。

  “即使只漏掉 0.001% 的灰尘和碎片,这么多东西也会导致电池短路,实验室环境不会放大细微的可能性,但工厂会。你会一直发现新的失败方式。” 特斯拉电池项目负责人德鲁巴格利诺在今年 3 月的投资者日上说。

  目前,特斯拉的 4680 电池制造方案还未定型。“问题不止在生产,设计也在修改,时常是一个流程还没顺完,就要开始做下一个版本。” 一位特斯拉工程师说。

  据行业人士测算,如果不执着于干法电极,4680 电池也能将 Model Y 的成本削减约 8%,也就是将电池成本削减 20%。虽然这还不到马斯克目标的一半,但放在动力电池行业已是了不起的成就,松下、宁德时代需要至少三年才能达成类似的降本成果。

  特斯拉却坚持开发干法电极工艺,甚至不惜拖延 Cbyertruck 和下一代车的交付节奏。在马斯克的设想里,4680 电池并不只服务年销 200 万辆的特斯拉当下,而是要支持年销 2000 万辆的未来。

  只有更便宜的电池才能支持特斯拉造出 2.5 万美元的廉价车型,达到这个目标。今年 3 月,特斯拉已完成车型研发,并突破了更大规模的一体压铸技术。4680 电池成了阻碍计划的最后一块绊脚石。

  汽车行业,只有特斯拉会这样不惜代价超前投入技术,并将自己的商业扩张与技术突破绑定在一起。收益与风险都被放大。

  特斯拉此前的成功和当下的遭遇,都出自第一性原理衍生的方法论:抛弃行业成规、质疑原有要求,从最本质的物理学出发重新想一件事该怎么做。

  这一方法论能行得通的情境往往是:特斯拉要挑战和颠覆的是某一技术阶段产生的老做法或习惯,而现在已经有新技术能绕开曾经的制约。马斯克敏锐地看出过去的限制已不复存在,捅破了那层资深专家脑中隐形的 “不可能”,直抵解决之道。

  这需要技术直觉和判断。但马斯克或任何个人都难以客观全面地评估一个时期的整体技术与工程水平。

  有些情况下,马斯克的想法刚好能找到技术与工程支持:当他从玩具制造上想到一体压铸时,地球上刚好存在一家能制造出 6000 吨压铸机的公司——力劲。

  SpaceX 使用的 33 台发动机并联推进方案也是前苏联科学家在 1970 年代尝试过却失败的设想。火箭发动机在推流时会互相影响,需要实时调整发动机设置。当时的计算机无法同时控制这么多发动机。而到 SpaceX 落地这一设想的 2023 年,计算机算力和算法已能完成复杂任务——主流 AI 芯片的算力是 50 年前的 10 亿倍。

  在以上这些例子中,马斯克回到原点,重新思考了那些多年来被不假思索接受的习惯。在历史悠远长久的汽车业和航天业,大型厂商日复一日沿既定生产流程追求生产效率的极致,难有跳出来思考的意识或余裕。

  第一性原理的局限则是它不可能超越时代限制。当特斯拉的目标无法被当下的技术实现,它也得付出巨大的时间与金钱投入,才能缓慢前进一点点。

  2017 年量产 Model 3 时,特斯拉曾栽过跟头:马斯克当时认为可以用机械臂完全取代人工,这是制造业的必然。但他高估了整个自动化技术的水平,机械臂连简单的梳理电线都做不好。特斯拉随即陷入产能地狱,马斯克重新把工人召回工厂才走出危机。

  电池制造也是这样一个领域:它涉及多学科复杂任务,工序之间环环相扣,牵一发动全身。“用湿的正负极材料涂布、再烘干”,这是马斯克最初认为多此一举的环节。但删除这个环节,就需要把整个从混料、涂布、模切到烘干的工艺都推倒重来。

  即使特斯拉能在实验室里完成上述流程,接下来它还得解决大规模量产和商业化两个相辅相成的难题。100 万辆电动车对应十多亿颗电芯,这需要在同一套设备上重复数十亿次生产的基本工艺,并达到一定的良率基准线,且控制好成本。

  多位行业人士预测,特斯拉会在 2025 年大规模量产 4680 电池,但最终量产的版本性能将比 2020 年发布时的版本大幅缩水。特斯拉目前生产的 4680 电池单位体积内的包含的能量只有 265Wh/kg ,比行业预测的 330Wh/kg 低近 20%。搭载这款电池的 Cybertruck 的最高续航只有 547 公里,远低于此前 800 公里的目标。

  从 4680 电池发布至今,特斯拉用 3 年时间只实现了最初目标的 1/3,量产了工艺更简单的干法石墨负极,但接下来还有更难的干法硅负极和正极。

  站在残酷的商业竞争角度:慢,有时不可接受。特斯拉的产品节奏被打乱。在最应该乘胜追击的时刻,特斯拉的新车断档几年。

  而站在技术进化的角度,特斯拉给整个行业探了路:4680 电池统一了大圆柱动力电池的尺寸标准;目前,宁德时代等电池巨头也开始探索干法电极工艺,将这一工艺理念拓展至电池隔膜等部件。4680 电池可能正在带动动力电池制造的一次技术革命。