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详解特斯拉全新版致富经

2020-9-25 10:26| 发布者: 虎嗅网| 查看: 56| 评论: 0

摘要: 盼星星盼月亮,终于等到了特斯拉“电池动力总成日”(下文简称“电池大会”)。去年(2019年)6月11日(美东时间),特斯拉股东大会上,马斯克在结束时提了一嘴“将会在年底前发布电池大会,到时候会介绍Maxwell公司 ...

盼星星盼月亮,终于等到了特斯拉“电池&动力总成日”(下文简称“电池大会”)

去年(2019年)6月11日(美东时间),特斯拉股东大会上,马斯克在结束时提了一嘴“将会在年底前发布电池大会,到时候会介绍Maxwell公司的应用、新电池技术和新动力总成”。

结果,“电池大会”发布时间一延再延,直到今天才终于揭晓。

由于疫情影响,此次将“股东大会”和“电池大会”合在了一起。所以直播一开始,先是讨论了一段关于公司提案投票的事情,其中“付费广告”关注度较高,但结果目前暂未知晓。

这段过程虽然是股东大会惯例,但仍显得多少有些无聊。

马斯克简单总结了一下过去一年特斯拉的实现的成就,着重提了一下AP系统过去不太完善,所以团队几乎重写了软件核心,用“3D视频标注”替代了过去“8个摄像头分别图像标注”的方式训练神经网络,实际效果和体验将会有极大提升。具体“Feature completed”版本的beta FSD软件,将会在一个月后推送给“早期内测用户”,随后将大范围推送给用户。

当然,马斯克在推特上吊足了大家的胃口,所以前面这段“股东大会”的内容,给后面的“电池大会”做足了“欲扬先抑”的铺垫,导致接下来的内容让人无比期待。

雄心壮志

特斯拉的目标自始至终都是“加速可持续能源发展”,分为三个方向来实现:可持续能源方式发电、可持续能源方式储能、可持续能源交通。

目前气温上升、环境变差是人人皆知的事情,可持续能源的发展迫在眉睫。很多人可能并没有注意到,从2010年到2020年,美国的能源结构已经从46%煤发电,减少至今天的23%左右;风能、太阳能发电已经占据了新发电容量的76%比例。可持续能源趋势已经很明显,但是还需要加速这个过程。

特斯拉已经交付了100多万辆车、5GWh的储能设备,共有260亿英里的电动车行驶长度,17TWh电能通过太阳能设备产生。为这一过程做了一点贡献,但这还远远不够,特斯拉还需要生产更加廉价的电动车和储能设备,同时用更少的成本、更快的速度建设工厂。

所以为了实现这一目标,特斯拉接下来将会建造Terafactory(1000倍Gigafactory产能),即年生产1TWh(万亿度)电池的工厂;作为对比,2019年特斯拉电池年产量才0.1TWh。未来预估每年特斯拉将会生产20TWh电池,来满足整个蓝图。

其中10TWh电池将会用于汽车产品,另外10TWh电池将会用于储能设备及其他。意味着目前可持续能源需要增长1600倍。

当然,要实现这一切的前提是,大幅降低电池成本。即便每年的电池成本都在降低,但是不足以满足特斯拉的“野心”。

所以,就像从零开始打造电动车一样,特斯拉从零开始打造了电池。

杀手锏

特斯拉为了降低电池的成本,从5个方面对其进行了技术革新:电芯设计、电芯生产、阳极材料、阴极材料、电池整合入车。

一、电池设计(降低14%成本)

过去的圆柱形电池结构如下图,阳极材料涂抹在阴极金属箔长卷上(约1米),中间夹一层电池隔膜,并且需要在阳极焊接上电极。

放电过程即阳极上储存的锂离子透过隔膜进入阴极,电子通过外部线路从阳极进入阴极,充电过程则相反。

基于这样的结构,如果将尺寸放大,则可以储存更多的能量,例如单个21700电池相比于18650电池能量多50%。所以特斯拉根据车辆续航、成本减少因素,找到了相对合适的新尺寸46800(46mm直径、80mm长)电池。

这样的道理其实很简单,但之所以其他电池厂没有这样做,其中根本原因在于,电池发热问题没有得到解决,尺寸增加后会更加剧积热问题。但特斯拉通过一系列技术攻克,大幅降低了电池发热问题,从而可以实现大尺寸电池。

由于过去带电极的电池设计中,电子需要走过一圈一圈的长路径,所以造成的发热很严重。而特斯拉则采用了“无电极”(无传统物理结构的电极,本质上电极变大了)设计,通过激光处理原有的金属箔,实现了更简单的生产过程、更少的零部件,更重要的是减少了5倍电子通过的路径,所以极大减少了发热问题。

电芯尺寸的增加,实现了5倍的电能提升,电能质量比提升,续航增加16%,提高到6倍功率。此外,生产这样的电池,实现同样的电能,可以大量减少电池包装材料、金属箔使用、焊接需要。而这一切提升还仅仅只是电池设计所带来的。

最夸张的是,这个设计并不是概念产品,而是前一阵在弗里蒙特工厂旁边Pilot工厂(Roadrunner项目)正在生产的电池。

二、电池生产(降低18%成本 $/kWh)

过去电池生产过程,可以大致分为四步:电极处理、卷、装填电解液和组装、化成。

单就电极处理这一步,在过去湿式处理过程中。阴极材料需要混合水或者其他溶剂,涂抹在金属箔上面,然后再进行烘干和溶剂回收。这个过程不仅需要非常长尺寸的流水线来保证生产速度,所使用的溶剂还基本为易燃、有毒物质,所以要采用一大堆设备、占用大量空间才能完成。

不过特斯拉去年收购的Maxwell公司拥有一项技术——“干电极”。即直接使用阴极材料粉末,直接涂抹至金属箔上,省去了大量生产工序,并且相较于湿式涂抹要安全许多。

不过马斯克特意提到,视频中属于小规模生产,要实现大规模量产,还需要克服很多技术难点,即便是在Pilot工厂,虽然比视频中展示的要优化了很多,但距离全面规模量产还有些距离。

如果完全实现了规模量产,生产流程将缩短10倍,能源消耗也将缩短10倍。目前Pilot工厂采用的是第四代生产设备,估计要实现全面规模量产需要到第6代或者第7代。

关于装填电解液和组装过程。工程师们从头设计生产设备,用于提高生产速度。最佳的生产流程是一边完成组装,一边高速移动进入下一流程。以上述生产流程和Pilot工厂设备,一条生产线可以生产20GWh电池,较传统生产线提升了7倍。

最后则是化成,这个阶段决定着最终一步电池品质。过去是单个电池充放电化成,特斯拉通过软硬件的升级,可以做到几千个电池同时进行并保证结果,这单一工序的优化,资本投入减少86%,生产流程缩短75%。

以上这些生产环节的变化,能够在更小的空间内以更高的速度生产电池。马斯克作的比喻是以目前内华达州的Gigafactory为基准,同样面积采用新生产流程,可以从150GWh产量提升至1TWh,接近10倍的产量提升。

特斯拉今后仍然会和松下、LG、宁德时代合作采购电池,同时加速自产电池的产能。目标是2022年实现100GWh产能,2030年实现3TWh产能。

三、阳极材料(降低5%成本 $/kWh)

一般阳极材料会选用石墨,因为这种晶体结构不仅稳定可以存储锂离子,而且在充放电过程中,膨胀缩小的程度较小。但是石墨存储锂离子的能力远不如硅,硅可以存储9倍于石墨,但是在充满电后,其体积结构会膨胀4倍,由此则会导致结构损坏损失电池寿命。

所以业界采用的方案有“硅玻璃”、“石墨硅”、“纳米硅”,其成本价格分别为6.6$/KWh、10.2$/KWh、大于100$/KWh,其成本都太贵了。所以特斯拉打造了自己的方案——“特斯拉硅”。

特斯拉采用“弹性离子聚合物”包裹住硅晶体,有效限制了其膨胀体积,增加了硅作为阳极的稳定性,能够增加续航20%。

四、阴极材料(降低成本12% $/kWh)

目前阴极材料也基本无外乎镍、钴、锰、铝元素组成的氧化物,其所有的目标都是找寻最稳定和容量最大的结构,“容纳”更多的锂离子。当充放电过程中,锂离子来来往往,需要保证阴极材料稳定来保证安全和寿命。

其中镍主要负责容量问题,钴用于稳定结构,锰、铝也起到一定稳定作用。由于钴矿的开采问题和成本问题,特斯拉决定弃用钴元素。通过“特别的涂层和掺杂物”用镍、锰作为主要材料,能够实现稳定安全的结构,同时降低15%的阴极材料成本。

此后的特斯拉的产品线,将分为三类:长寿命储能和基础续航款车型、长续航车型和大容量储能、重量敏感的车型(高能量密度),分别采用铁锂电池、镍锰锂电池、高镍锂电池。

虽然铁电池要比镍电池能量密度少50%-60%,但是考虑整个电池包和装载产品情况,中续航类型汽车以及储能产品采用铁电池性价比非常合理。同时镍锰电池采用2/3镍、1/3锰可使得同样的镍使用,相比于过去多生产50%的电芯。

另一个关键的问题是阴极生产过程,占据成本非常高。

传统的生产方式中,从矿石硫化处理到最后制造成阴极,需要无数复杂的处理过程,会浪费大量的水资源以及生成大量副产品。从源头讲,开采矿石会造成大面积环境破坏问题,从生产讲,中间无数的工序和副产品造成大量的材料、能源浪费。

所以特斯拉通过工程创新,从原始矿石粉末阶段到最终阴极产出,无需硫化处理,仅需不多的几步即可完成。减少了66%资本投入、76%的处理成本,没有任何废水产生。

正是基于从矿石原材料到阳极的生产技术,特斯拉将会建造自己的阴极制造工厂和锂工厂,将减少33%的锂成本,100%电力驱动工厂。

特斯拉能够采用盐水直接从粘土中“提取”锂元素,所以在内华达州敲定的锂粘土矿场,特斯拉将挖取粘土,提取锂元素,然后让土填回矿坑。仅内华达州的粘土锂,即可满足全美国实现汽车全电动化。

更重要的是,与矿石中提炼元素相比,回收锂电池所能提取的元素更加“划算”。通过回收锂电池,可以回收20%的镍、2.7%的锂、2%的钴,而矿石中则仅为1.2%、0.7%、0.2%。弗里蒙特工厂已经建立了回收生产线,未来的元素来源将会是采矿和回收结合。(笔者猜:合作的公司不出意料就是之前“出走”的特斯拉CTO J. B. Straubel所创建的公司)

五、电芯与汽车整合(降低成本7% $/kWh)

特斯拉一直致力于车身制造的技术创新,比如Model后车身所采用的压铸技术,将79个零部件合为一体,直接压铸成型,保证强度质量同时减少40%成本。为此特斯拉材料研发还打造了特殊的铝合金,能够不需要涂层、热处理,一步成型。(马斯克小声叨叨说还有很多材料创新,今天就不多聊了)

特斯拉在电池方面,采用了电池即车身结构件设计。就像是飞机上的机翼油箱设计,从油箱塞入机翼变为机翼形状的油箱。

对于特斯拉来说,则利用锂电池的外壳,直接整合入底盘,成为蜂窝状的结构件,所以不再是电池包塞入车身,而是车身结构形状的电池包。因为减少了电池模组、电池包结构件,空间内的整体电池密度得到了提升,除了减少了大量重量,同时强度比有结构件的电池包还要高。

不止如此,由于电池布局的方式改变以及结构件变化,重心将更加集中于车辆中心,所以操控性也得到了极大提升。

以上五大方面的技术创新,所得到的全部效果加在一起,续航将会增加54%,电池每度电生产成本降低56%,每GWh电池生产资本投入减少69%。

综合这些成果,特斯拉将会让电池成本大幅下降。接下来需要一年至一年半,这些技术就能赋能特斯拉,全面落地规模化,可能需要3年左右。

特斯拉看起来好像发展速度有些慢,但我们目标在于加速可持续能源长期发展,未来特斯拉将会每年交付2000万辆车左右。

One More Thing

特斯拉的发布会,保留节目就是“One More Thing”。马斯克称将会在3年后发布一款25000刀的电动车,全自动驾驶,目前命名还没有,具体参数不清楚。

以及Model S Plaid版本,续航837公里(EPA标准),0-96km/h加速不到2秒,极速322km/s,超过1100匹马力,Laguna Seca赛道成绩为1:30.3。马斯克称还能少3秒,将会快过所有的量产车。

目前Plaid版本Model S已经可以下单,售价为1174900元,2021年末交付。

看完整个“电池大会”发布会后,我想起了前一阵马斯克回复别人关于Neuralink的话:“我们研发很多黑科技不是因为我们想要做,而是我们只能这么做。”

电动车发展,毫不夸张的说,特斯拉绝对算是真正推动者。虽然很多公司从财务角度、时间角度,或者资源限制,难以做类似特斯拉式的技术革新,但笔者觉得根本不同在于掌门人的愿景和格局与马斯克不太一样。

马斯克在发布会中提到了当时考虑发展新能源,是因为如果石油资源用完,那么整个全球经济就会崩溃,而如果采用可持续能源方案,则能够挽救这一切。同样的,笔者联想起马斯克的其他公司,SpaceX致力于解决无数年后人类何去何从、Neuralink则致力于解决AI威胁问题。

如果说他所说的一切还只是PPT或者Prototype,那么质疑这一切算是正常,但如今不仅见证着这几家公司的不断发展和所做出的成果,还目睹着他们逻辑紧密、更加伟大的蓝图。

不由得让笔者陷入了沉思:“为何去年股东大会召开后,不在200美元/股时候,买点股票呢?”

Q&A

挑选了一些有内容的Q&A,只写回答。

1.欧洲工厂也会有特斯拉自己的电池生产线。

2.家用HVAC可能会考虑出,并且能够根据家庭空间面积进行堆叠购买安装,同时支持与车互联,调节空调开启时间。

3.cybertruck目前订单约60万左右,每年可能交付25万-30万辆预估。目前针对美国市场进行修改,其他地区因为法规可能之后会推出国际版,小一些符合法规要求。

4.如果我们电池产量足够,可能会提供给其他公司,目前以量产规模化为主。

5.V2G在Roadster就有,用户不怎么使用,使用场景受限。美国这边家庭电网硬件不支持,欧洲将会软件激活,未来可能会在北美市场打开V2G。更推荐Solarcity的能源方案。

6.不会快速降价,虽然特斯拉实现了4个季度盈利,但是不算是盈利能力特别强的公司。短期内还是以公司发展为主,未来随着量产能力提升,会让特斯拉更加廉价。

7.特斯拉的工程师来自全球各地,工程师最想去的科技公司排名前两位的,有时是特斯拉,有时是SpaceX。我们依然欢迎任何背景的人,关心可持续能源发展、喜欢解决难题的工程师,加入我们。目前电动车才占市场1%,能源储存才0.2%,前景还很大。

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