盼来4680电芯稳定量产,但对特斯拉还远远不够
卡门精选2023-01-17
大公司新造车行业
毕竟马斯克的所有的野心和宏图,都必须立于动力电池这块基石之上。

本文来自微信公众号“C次元”(ID:C_world2021),作者:查攸吟,责编:崔力文,编辑:别   致,未来汽车日报经授权发布。

毕竟,马斯克的所有的野心和宏图,都必须立于动力电池这块基石之上。

特斯拉旗首座超级工厂,位于美国加州的弗里蒙特工厂,不久前正迎来其自诞生起的又一个高光时刻。

▲ 弗里蒙特工厂外景

尽管被诸多美国本土消费者寄予厚望的赛博卡车,上市时间一推再推,目前已被延至今年年末。但直到一年多前才被纳入该工厂一隅的,专门负责生产动力电池的部门,现在正传出重大捷报。

特斯拉乃至于马斯克本人期待已久的自产4680电芯,自2022年12月起,产量已经取得了阶段性突破。

根据上周末特斯拉官方账号上月26日发布于推特平台的新闻:

这种大尺寸大型圆柱电芯在12月第三周的产量,达到了86.8万枚规模,“足以满足1000辆Model Y的需要”。

这也意味着自从2019年,特斯拉与松下合作的纽约州第二千兆工厂项目宣告夭折以后,特斯拉终于实质性地迈出了建设第二家本土电池工厂的步伐。

重新认识4680电芯

所谓4680电池,实际是一种基于外部几何尺寸而来的规格,即外直径46毫米,总长度80毫米的,圆柱形动力电池。有时候这一规格会被写作46800,最后一个0表示圆柱状。

实际上,无论18650还是后来的21700,实际都是基于通过对电池几何尺寸描述而确定的型号。

▲ 松下的三种规格电芯对比示意图

4680电池最早是2019年,由松下公司位于欧洲的化学实验室提出的概念性设计。其突出之处不仅仅在于比之前的型号更大,容量更高,更重要的是其全极耳(或者称为“无极耳”)设计。

在以往,极耳是动力电池的最基本构造之一,是电芯内正负极集流体与首尾盖板连接的必要部件。

但极耳构造本身有缺陷。

由于其尺寸相对较小,无论连接集流体还是接上电池壳体正负极位置的面积都不大,所以在实际使用中很容易出现热堆积问题。

而全极耳设计则彻底省略了极耳这个部件,通过正负极集流体与盖板/壳体的直连,成倍增大了电流在传导时的面积,同时也在一定程度上缩短电流传导的距离。

▲ 拆开负极盖板的特斯拉产4680电芯

这种设计的优点是显而易见的,通过优化电池结构件,不但简化了电池的生产工艺省略了不必要工序,同时也在一定程度上降低了电池内阻,提高充放电峰值功率。

这一改进的最直接结果就是,电池的发热显著降低,工艺流程的简化也进一步降低了生产成本,并且为进一步提高产能带来了可能。

但正如同所有最新技术一样,4680省略了极耳构造,却多了集流体黏附工艺。实验室成果要实际转化到规模生产上,往往需要克服数不清的问题,这就是最典型的案例。

担负在特斯拉体系内,率先试制4680电芯的加州弗里蒙特工厂,最初的良品率只有惨不忍睹的15%左右。即便经过数个月的改进,也只提升到20%左右。

为此,特斯拉方面曾经高薪四处招揽动力电池方面的人才,包括熟悉卷绕工艺的资深技工等等。通过近一年半时间,不间断地改进和提升,其良品率逐步提升到2021年末的80%,直至不久前突破了98%。

第一性原理下的必然趋势

特斯拉乃至于马斯克本人,对4680电芯异常的重视,实际并非如同媒体上传闻的那样,仅仅因为其高容量以及随之而来的续航优势。

相比现有的2170电芯,体积硕大的4680电池充满时容量约是其五倍。

此外,由于电芯容量被加大,外壳包覆材料的比重实际是降低的,这意味着4680电芯有着更好的体积密度。

为了强调其优秀,一年多前特斯拉高调展示其自产4680电芯时,曾宣称如果用其来等比例替换现有的2170电芯,则电动汽车的续驶里程约能够提高16%。

▲ 使用2170电芯,也需要首先集成一个大电池包,才能装入组件之内

但上述也非特斯拉需要这种新电芯的直接理由。事实上,比2170容量更大这本身,便是特斯拉执着地推进其量产的最主要原因。

必须要强调的是,通过堆电芯来“攒”电池组的操作,本质上是一种无奈。这正如2005年,为了制造一套堪用的纯电汽车专用电池组,特斯拉的工程师想到了松下产的,原本为笔记本电脑供电的1865型电芯。

其实,那纯粹是因为当时的市场,再也找不到更大尺寸和容量的电芯产品。

若是有的选择,那么特斯拉的工程师必然会倾向于使用容量更大的电芯以减少电池模组内包含的电芯数量。

毕竟,在高度集成化的电池模组内部,用于保护电芯承受外部冲击力的,是整个模组坚硬的外壳体。

▲ 可见全部采用4680电芯,也为全系统省去了先集成电池包的麻烦和重量

单一电芯外包覆材料,其实只需做到全寿期内不至于被缓慢生成的锂晶枝刺穿即可,其他的只是徒然吃掉底盘的重量冗余而已。更何况狂小电芯还需要先组成电池包,再通过多个电池包集成构成模组。

也许有人要说,单个电芯体积太大蓄液太多,一旦发生事故烧起来更猛烈。但除非是使用另一条技术路线,比如固态电池。

否则即便电芯再小,只要是热管控失败或者外包装遭到刺破则最终必然会起火,最终下场仍旧是整车烧毁。

其中唯一的区别,仅仅是氧化反应从开始到恶化,进而发展为不可控的爆燃,其中所需的时间的长短。

电芯尽量做大,以减少包裹材料所占空间和重量,实现更好的体积和质量密度。这便是为什么特斯拉会直接选择2170电芯作为电芯自主的开端。

▲ 去年7月,首批采用4680电芯的Model Y自弗里蒙特出厂,随即遭到美国车主的热捧。但后续的实车测试显示,其在性能上与2170电芯的型号别无二致。归根结底,换大电芯只是对特斯拉企业有益的一件事,消费者开哪款又不是开呢?

然而2170仍旧太小。更何况特斯拉的业务也不仅仅局限于电动汽车,名为Powerwall的家庭综合可再生能源系统中的储能单元,也同样需要大量电芯部件。这种不必考虑冲击问题的设备,可以选择的范围更加广大,也就更没必要考虑小电芯了。

生产和结构都更简化、单位重量下能量密度更高的4680,便是上述思路下的直接延续。

电池,才是决胜的根本

马斯克本人,实际上很早就认识到了,动力电池对特斯拉整个战略的重要性。

所以早在2019年2月,临港超级工厂投产后不久,特斯拉尚未完全走出“Model 3灾难”之时,马斯克就谈妥了一笔企业并购——以55%溢价收购著名的超级电容设备生产商Maxwell,并从其获得了大量同样可以用于锂动力电池生产的相关技术,以及整个团队的专业人员。

▲ 特斯拉上海临港超级工厂

这项操作的目的只有一个,那就是特斯拉在动力电池自主方面能够摆脱传统合作伙伴松下公司,从而“更加自主”,设法创造条件。

当前,特斯拉位于美国境内最重要的电池工厂,是位于内华达州境内的第一千兆工厂(2022年总产能39GWh)。

但该工厂始于2014年特斯拉与松下的合作,有着来自松下的十几亿美元投资。尽管该工厂的设计最大产能,可扩充至105GWh,但特斯拉显然更愿意在其他地区完全为其控制的工厂增设新的产能。比如本次传出捷报的弗里蒙特工厂。

当然,仅仅一个弗里蒙特那每周满足1000余台Model Y装车需要的所谓产能,对于目前的特斯拉生产规模而言,实际是杯水车薪。

因为特斯拉在本土的产能虽然加一起都及不上临港工厂一家的量,但要满足这大几十万台纯电汽车的动力电池供应,还是有相当难度的。

简单算上一笔账即可明了这一切——

加州弗里蒙特工厂,去年曾经创下过每周8550台的纪录,产品包括全部四种量产特斯拉车型。不过其通常产能,会维持在每周8000左右。年产约42~44万台之间。

▲ 虽说弗里蒙特堪称特斯拉的“老巢”,但↙该工厂的生产效率远不能和上海相比

而特斯拉位于德州奥斯丁的工厂,目前产能已经爬升到周产3000台Model Y。尽管其设计年产能可达50万台,但今年实际能够实现的产能目标,推测应不会超过25万台。

总体而言,2023年特斯拉在美国本土的产能约在65~70万台之间。如果以平均每台车安装80kWh电池来计算,这些电动车总计需要56GWh的电芯。

简单扣除内华达第一千兆工厂可以提供的39GWh之后,缺口约17GWh。

那么,弗里蒙特今年又能提供几个GWh的4680电芯呢?

若是我们不用周产86.8万枚电芯这种比较现代的描述方式,而是换算成统一的GWh单位,则折算每周产能不过0.08GWh,全年累计也不过4.16GWh而已……

毫无疑问,虽然特斯拉在动力电池方面的全盘布局,已经随着弗里蒙特工厂稳定的4680产能,而逐渐浮现,但其自主步伐距离成功,可以说是仍然存在相当的距离。

更何况,特斯拉实际上是一家家庭新能源解决方案提供商,而非单纯的新能源车企。旗下需要消耗动力电池的项目,远不止电动汽车一种。

2006年,马斯克曾经写了一个长期发展战略,归结起来大概是分为四个步——

第一步:打造一款产量很小的车型,该车型价格肯定是昂贵的;

第二步:用赚到的钱,开发一款产量适中的、价格相对低一些的车型;

第三步:再用赚到的钱,创造一款量产的、价格亲民的车型;

第四步:(向公众)提供太阳能电力产品。

对于在当时看来不那么靠谱的第四步,马斯克本人曾特别注释称:不开玩笑,在过去的 10年中,这项规划一直出现在我们的网站上。

▲ “我咋打算的我一早可是就挂网站上了……”

在2016年的7月20日,他又公布了一项新战略:

1.能源产生与储藏的一体化方案:创造惊人高效的、配备集成储电功能的、美观的太阳能板;

2.扩展到主要陆路交通运输工具:扩充电动汽车产品线,满足各细分市场需求;

3.自动化:通过大量的车队学习功能,开发出比人类手动驾驶安全10倍的自动驾驶技术;

4.汽车共享:让车辆在闲置的时候,通过分享来为你赚钱。

对于这样一位高度表演型人格,且堪称社交媒体营销宗师的人物,只看他自己说的各种计划、方案之类的,显然是从中分析不出什么所以然的。

毕竟,这些人往往懂得如何充分利用自己的关注度来赚取流量,怎么样通过各种技巧去讨好和引导自己的拥趸。

但这并非说上述这两个,合计八条的“埃隆大战略”毫无价值。实际上纵观特斯拉最近10年的发展,其确实一步一步,循着上面的八条在往前推进。尽管并不完全按照顺序。

在2006年提出的“老四步”方面,2009年Model S首次推出,3年以后,Model X概念版上市。这两款车的定位确实符合产量小、定价高的特性。所以Model 3和Model Y,分别在2016和2019年上市的时候,这意味着第二步也已经实现。

尽管传闻中的,被命名为Model 2的“量产的、价格亲民的车型”似乎遥遥无期,实际上Model 3/Y的总产量和目前售价,已经当得起这个称呼。

不过其中的第四步,提供太阳能电力产品,实际上早在Model 3上市前一年,即2015年,就已经以名为“Powerwall”的名目,公开对外销售。

▲ Powerwall通常还需要搭配一个太阳能屋顶一起使用

Powerwall是一整套的家庭太阳能收集、储存和利用装置,通过安装在住宅屋顶上的整块太阳能板发电,昼间电力被储存到一套以13.5kWh为单位,可模块化安装的储能柜中。其电芯,全部来自梯次利用的特斯拉汽车淘汰动力电池组。

其实质,应该被视为“老四步”最后一条,与2016年“新四条”第一条的合二为一。

实际在“新四条”中,第二条我们也已经从赛博卡车、Semi电动卡车上,见识到了大概。至于其中第三条,开发一种“比人类手动驾驶安全10倍的自动驾驶技术”,以当今的技术能否实现先不论,起码是特斯拉目前正在不断努力且大量投入的方向。

▲ 特斯拉Semi电动重卡

所以所有人都必须承认的是,无论你是否认同马斯克这个人,仅从商业规划与实施方面,他与他的企业,确实是在一步一步,向着最初预定的方向向前推进。

而纵观马斯克给特斯拉拟定的上述宏图大计,动力电池或者说是一种可靠的储能装置,显然是其中包括电动汽车、家庭能源产品,都无法绕开的还是重中之重。

特斯拉2022年第三季度财报会议上,埃隆·马斯克就曾公开表示,特斯拉在未来的目标之一,是将电池的产能扩展到每年1000GWh。

这个数字在当时令许多评论者感觉不可理喻,因为其达到了2021年全球动力电池产量的三倍有余。

然而结合其隐隐露出水面的全盘战略我们必须认识到了,无论其说出的数字是否存在“吹水”的成分,特斯拉未来在动力电池上的投入,都会更加巨大。

▲ 产线上的4680电芯

马斯克确实吹牛赚眼球,但特斯拉的电芯自造也是真的,未来其也会更加投入去造电芯。

因为站在整个新能源产业的高度,只要依旧是纯电路线,那么动力电池必然是核心的那个节点。

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