知料 | 成也电池败也电池，特斯拉终于忍不住了
特斯拉取代汽油车的美梦，可能已经近在咫尺了。
2月27日，特斯拉内部出现了一个名为Roadrunner的秘密项目，旨在以“制造机器的机器”（自己生产制造设备）策略大规模生产更便宜的电池。这一项目集特斯拉近年来电池研究之大成。据电动车媒体electrek报道，其目标是将动力电池成本降到100美元/kWh，低于美国汽油成本。
“如果与批量生产相结合，这是电动汽车普及的‘圣杯’。”美国媒体这样写到。有特斯拉电池制造工程师兴奋地说：“快来加入我们，重塑锂离子电池制造技术！”
而特斯拉如何实现这一壮举，将在4月20日的电池日上宣布。“无钴，不代表一定是磷酸铁锂。”特斯拉早先曾透露。有理由认为，这是一种采用高镍阴极+含硅阳极+干电池电极制备+超级电容动力回收的电池方案。
在2月3日，特斯拉则宣布与动力电池龙头宁德时代合作，在国产Model 3上使用便宜的磷酸铁锂电池。这为杀进退补后的中国市场打开了大门。
特斯拉的发展历程，几乎是在制造技术和电池技术上两条腿走路：从开创性地使用18650钴酸锂电池，到另辟蹊径青睐NCA三元锂电池，为求降价使用磷酸铁锂电池，又探索高镍无钴的电池技术。
把四驱车电池装进跑车
1980年，古迪纳夫发明了钴酸锂（LixCoO2）作为阴极的锂离子电池。这款电池发明后，不为工业界所认可，直到日本索尼主动伸出橄榄枝。1991年，索尼推出第一块商用锂离子电池18650。
18650指的是电池规格：直径18mm，长65mm，0则代表圆柱形。而钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、NCA三元电池等叫法，都指的是阴极材料。
要理解它的开创性，首先要说一下电池的原理。在电池阴极，锂失去电子，转变成更高价的锂离子，进入电解质，然后穿过隔膜，向阳极转移。虽然锂离子能穿过电解质和隔膜，电子却不行，只能从外部的电路跑到阳极，并在外部做功。这就是电池的放电过程。
钴酸锂电池原理，来源：Visual Capitalist
而锂的优越性在于它能提供更多的电子。由于只有原子外层电子能转移，参与做功，原子量越小就意味着能量密度越大。而锂作为3号元素，在自然界由两种同位素组成，相对原子量只有6.9。此外，锂离子的半径小，更容易在电解液中移动，使得充放电更加快速和高效。
18650钴酸锂电池发明后，很快因小巧和高能量密度，被应用在电子产品上。但它还有一个缺陷：钴酸锂在电压高于4.6V时会发生相变，导致锂离子扩散变慢，阴极材料出现应力，晶体结构崩塌。
为此，1997年，古迪纳夫又发明了磷酸铁锂电池，就是如今特斯拉与宁德时代合作生产的电池。这种电池更稳定，也不会在高电压下发热，不含有昂贵的钴。但它能量密度更小、功率更低。采用这种电池其实是一种为成本退而求其次的做法。
几种主要锂离子电池，除锂以外的金属成分及用途，来源：Visual Capitalist
2003年秋天，埃隆·马斯克诞生了一个疯狂的想法：把10000节18650钴酸锂电池串联起来，为一辆电动车供电。他遇到了电池专家，疯狂崇拜马斯克的J. B.斯特劳贝尔。在他们设想里，这是一项预算2500万美元的简单项目：只要几个工程师，改装下汽油车就行。
2005年，第一辆特斯拉Roadster原型车上路了。但他们很快遇到第一个阻碍。
2007年美国独立日，正沉湎于节日的特斯拉工程师为了狂欢，将20块绑在一起的电池点燃。这些电池像火箭一样飞了出去。特斯拉员工冒出一身冷汗：Roadster是为富人打造的，如果有一位富豪坐在这辆车里葬身火海，会发生什么？
他们必须找到一种全新的技术，控制电池的电压电流并更好地散热。
这时，特斯拉创始人之一的马克·塔彭宁派上了用场。他将管理网络服务器的方法用在控制特斯拉电池上，开发出一套分层管理的方案：69个18650电池被并联封装成一个电池砖；9个电池砖串联成一个电池片；11个电池片组成一个电池包，总计6831节。
由单个单芯（Cell）组成电池模组（Module），再组成电池包（Pack），维修时可以方便地替换一部分。这三个层级也都有独立的电池监控系统，并设有保险丝，一旦电流过大或者电池过热就熔断，断开电力。
这套电池控制系统成为特斯拉的核心资产，据传刚推出时造价超过20000美金，遭到业内人士唱衰。但伴随其他电动车雪佛兰Volt、Fisker Karma相继发生起火事故，特斯拉Roadster却证明了自己的安全性，逐渐为消费者接受。据Relecura统计，特斯拉的大部分专利都与Battery（电池）、Charging（充电）和Electric Motor（电机）有关。
特斯拉专利的分布统计，来源：Relecura
在2007年，特斯拉公开了Roadster电池系统的技术细节，解释了为何青睐18650：它足够小，因此发生故障的影响要小于大尺寸电池单元。它的表面积/体积也足够大，能保障很好的散热。最重要的是，它在消费市场广为应用，使得能量密度和功率上升的同时，成本却在下降。
在尝试了500多家供应商后，特斯拉最终在Roadster上选择了松下，生产18650钴酸锂电池。当时的电池成本在600-800美元/kWh，大约是美国汽油的3-4倍。这对富人开的Roadster尚不是瓶颈，但对普及电动车仍过于昂贵。按照美国环保署数据，Roadster的NEDC续航里程为393公里，要抢占汽油车市场也仍需继续提高。
寻找更低价电池
在生产Model S时，特斯拉将目光投向了三元锂电池。这种电池在动力电池领域通常有两种：NCA811（镍钴铝锂电池）或NCM811（镍钴锰锂电池），811代表三种材料的比例。特斯拉使用的是前者。
三元锂电池的好处在于，它的阴极由三种材料构成，能达到比单一材料更高的能量密度。以NCA811电池来说，能量密度能达到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650钴酸锂电池能量密度为211Wh/kg。
由于锂电池的阳极石墨的锂离子容量远超阴极，因此提升能量密度主要在阴极下功夫。在三元锂电池里，提升钴和镍的比例，都能提高热稳定性和能量密度。这也是全球改进电池的主要方法。据Visual Capitalist统计，在2020年全球约75%的电池都含有一定量的钴。
但钴的问题在于，它太贵了。镍在全球分布广泛，地壳含量仅次于氧硅铝铁镁。而钴的全球60%产量都来自刚果，这一地区深陷武装冲突、雇佣童工等问题，供给增速远低于需求增速。在2015年前的二十年里，钴的价格已经飙升6倍，从2万美元/吨翻到12万美元/吨。
钴的价格随年份飙升
在NCA电池里，钴含量5%（NCM则为10%）。这使得Model S能继续降低电池成本，大约为240美元/kWh。
当然，NCA电池的阴极比NCM更不稳定，在250-300摄氏度便会分解；而电动车收到撞击时，电池隔膜破裂造成短路，很容易能让电池温度超过300摄氏度。这对特斯拉的电池管理和散热提出了更高考验。但在占全车成本40%的电池面前，价格才是首要问题。
与中国的宁德时代一样，松下乘上了特斯拉快车，产能也一路高歌猛进。2013年10月，松下与特斯拉签订协议，将为Model S在未来四年供应18亿颗电芯。2014年9月，双方宣布将在内华达州建设锂离子电池工厂Gigafactory 1。
松下执行副总裁山田佳彦曾表示，“今天的电池产能是以前的三倍，为什么？这是特斯拉和松下员工一起工作的结果。”松下的客户结构极为单一，主要客户是特斯拉，其次是丰田，用山田佳彦的话说，双方关系是“密切而独特的”。
然而松下的产能逐渐开始拖累特斯拉。2019年4月13日，马斯克发推文表示“超级工厂的电芯产能只有24GWh，从7月份开始一直限制Model 3的产能，在产能到达35GWh之前，特斯拉不会再投钱进去。”
对比鲜明的是，松下为了跟上Model 3的量产步伐，一直在投入Gigafactory 1，在2018年底发布的半年报显示，电池业务已经出现两个季度的亏损。2019年，日经又传出双方计划在2020年提升工厂产能从35GWh到54GWh的计划泡汤。
2019年8月，有媒体发现特斯拉打算与LG化学合作，采购更多电池用于在中国投产的电动车。2019年12月，中国工信部发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》，显示国产Model 3有两种型号电池，分别使用松下和LG化学的电芯，NEDC续航里程（接近实际路况）分别为445公里和455公里，能量密度分别为145Wh/kg和153Wh/kg。
而在此前9月，松下社长津贺一宏刚向媒体吐过苦水：“埃隆多次要求降低采购价格，有一次我回应他，如果再这样下去，我们要考虑撤走超级工厂的全部松下员工和设备。”被问及是否后悔投资特斯拉超级工厂，他回答道“是的，当然”。
特斯拉的移情别恋还未结束。2020年2月3日，宁德时代，作为中国动力电池装机量50%以上的龙头，宣布将向特斯拉提供锂离子电池。这是一种磷酸铁锂（LiFePO4）电池，虽然无钴但能量密度较低，依靠CTP（Cell to Pack，指电芯直接整合进电池包）技术才能达到160Wh/kg能量密度，并且在低温表现也逊于NCA。
但它的好处是便宜，据中国化学与物理电源行业协会数据，电池价格能降低到0.7元/Wh以下，而三元锂电池通常在0.9元/Wh。据东方证券分析师表示，以50kWh车型为例，从三元锂电池改用磷酸铁锂电池，补贴虽减少约2000元，但电池成本可降低1.2万元。
值得注意的是，人们常说的“无钴电池”是指在三元锂电池中降低钴用量，而非使用能量密度更低的磷酸铁锂电池。在国产Model 3上使用磷酸铁锂电池，可能是特斯拉为降低售价所采用的权宜之计。
要做“自己命运的主人”
2月21日，特斯拉在官方帐号上表示：“无钴，不代表一定是磷酸铁锂。”并表示在四月将举行电池发布会。特斯拉很可能将宣布自己的无钴电池进展。
据平安证券预计，特斯拉有望采用高镍正极+硅碳负极（掺锂）+干电极+超级电容的技术组合。
这种判断十分符合行业认知。高镍正极能提高能量密度，但会降低热稳定性，而干电极能解决这一问题。掺硅的负极能提高锂离子容量，保证负极不成为瓶颈。超级电容则能回收车辆启停浪费的能源。
在过去几年里，特斯拉已经为这一刻做好了准备：
2019年收购超级电容生产商Maxwell，其核心技术是超级电容器和干电极。
其中，超级电容器可以回收电动车加速、减速、启停浪费的能源，与作为主动力的锂电池搭配使用。（如果类比数据存储，锂电池相当于硬盘，超级电容器相当于内存。）在2017年Maxwell已经申请了混合动力平台的超级电容+锂电池的方案专利。
干电极技术是指，在制作电极时直接将粘合剂和正极粉末混合，挤压成电极材料片，然后压到金属箔上。它能克服三元锂电池的高镍电极热稳定性差等问题，使电池能量密度能大于300Wh/kg，并有实现500Wh/kg的可行路径。
2019年收购锂电池设备制造商Hibar。这是电池制造设备领域首屈一指的公司，以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而闻名。
2020年，据Electrek报道，特斯拉正在弗里蒙特建造一条电池生产线试点，计划用自己的设备来生产电池。此前2019年6月，特斯拉在弗里蒙特的名为“Skunkworks Lab”的电池设计和生产实验室曝光。
2020年，有分析者猜测特斯拉收购了SilLion。这家公司为商用圆柱形电池研发硅阳极、高镍NCM阴极和不易燃的离子电解质。这是为数不多能提高阳极性能的专利。相比石墨阳极每6个碳原子储存1个锂离子，硅阳极每个硅原子能储存4.4个锂离子。
值得一提的是，特斯拉可能在自研电池上探索NCM路线。2016年特斯拉从3M挖来电池研究伙伴Jeff Dahn，对方正是NCM电池专家，曾在2017年演示过一项技术：提高NCM电池的某种成分，能让电池在车辆行驶48万公里后仍有出厂容量的95%。2019年9月，他在论文中描述了一种电池，能在电动汽车上使用超过160万公里。特斯拉最近收购的SilLion，专利也在NCM领域。最近国产Model 3更是用上了LG化学的NCM电池。
在2019年股东大会上，特斯拉元老J. B.斯特劳贝尔（曾担任特斯拉电池专家和CTO）说过：“我们需要大规模的电池生产解决方案。”特斯拉技术副总裁德鲁·巴格利诺则补充说：“希望特斯拉能在电池领域成为‘自己命运的主人’（master of their own destiny）”。可以想见，特斯拉亲自杀进动力电池领域已经不遥远了。
参考资料：
《特斯拉的动力电池梦》，平安研究
《The Future of Battery Technology》，Jeff Desjardins
《特斯拉与松下的“战争”》，陆三金
《马斯克：下一步我干啥，你猜》，孙鸣远
《第一个将钴酸锂电池应用于汽车，Tesla凭什么？》，任海宁
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