特斯拉自產(chǎn)電池的野心

電池生產(chǎn)線

特斯拉正在弗里蒙特建立一條試點(diǎn)電池生產(chǎn)線，并設(shè)計(jì)自己的設(shè)備來生產(chǎn)電池。這條生產(chǎn)線上的電池將是特斯拉生產(chǎn)的第一批自產(chǎn)電池。

這標(biāo)志著，特斯拉電池生產(chǎn)規(guī)劃進(jìn)入了落地階段。

按照特斯拉的特點(diǎn)，推出的產(chǎn)品一般都會(huì)遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品性能。這次會(huì)例外嗎？

去年，特斯拉首席執(zhí)行官埃隆馬斯克就表示，他們制造的Model 3可以像商用卡車一樣，達(dá)到100萬英里（160萬公里）的使用壽命，電池模組的使用壽命應(yīng)該在30萬英里至50萬英里之間。

這是不是吹牛？100萬英里的動(dòng)力電池，采用了什么特殊的材料或者技術(shù)嗎？特斯拉是不是還藏有什么其他顛覆性的電池技術(shù)？特斯拉為自產(chǎn)電池，做了哪些準(zhǔn)備？

1.研發(fā)儲(chǔ)備電池技術(shù)

馬斯克的底氣來自于之前研究團(tuán)隊(duì)的最新成果，以及并購(gòu)企業(yè)獲得的先進(jìn)技術(shù)。

（1）新型電解液添加劑提升電池性能

特斯拉的電池研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，新型電解液添加劑也能提升電池性能。

2018年9月，Jeff Dahn及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)名為《Dioxazolones and nitrile sulfites as electrolyte additives for lithium－ion batteries》（《二惡唑酮和亞硫酸氰作為鋰離子電池電解液添加劑》）的國(guó)際專利。

他們?cè)趯＠暾?qǐng)中寫道：

“該發(fā)明涉及一項(xiàng)較少使用電解液添加劑的新型電池系統(tǒng)，能夠在包括車輛和電網(wǎng)儲(chǔ)能在內(nèi)的不同儲(chǔ)能應(yīng)用中使用。

更具體地說，這項(xiàng)專利包含了一種能增強(qiáng)鋰離子電池的性能及壽命，同時(shí)比依賴其他添加劑的系統(tǒng)，擁有更低的成本。”

根據(jù)專利申請(qǐng)書，該研究工作的最大亮點(diǎn)是描繪了一種采用了新近開發(fā)的電解液添加劑MDO，以及兩種新的添加劑PDO與BS，所制成的NCM523／石墨材料鋰離子軟包電池。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的化學(xué)成分配比可造成電池性能差異。

例如，在電池使用過程中，MDO和PDO均會(huì)在石墨電極表面形成保護(hù)固體電解液界膜（SEI），而BS則不會(huì)。

作為單獨(dú)使用的添加劑，采用PDO作為電解液添加劑的電池性能表現(xiàn)最好。

另外，在長(zhǎng)時(shí)間的電池循環(huán)性能測(cè)試中，2％PDO＋1％硫酸乙烯（DTD）的電解液添加劑組合、2％PDO＋1％二氟磷酸鋰（LFO）的電解液添加劑組合，比含有碳酸亞乙烯酯（VC）的電池?fù)碛懈玫难h(huán)性能表現(xiàn)。

對(duì)特斯拉的這個(gè)電池研究團(tuán)隊(duì)，大家或許有些陌生。

早在2015年，特斯拉就贊助達(dá)爾豪斯大學(xué)的Jeff Dahn的電池研究小組，結(jié)成合作伙伴關(guān)系。2016年6月，他們的合作伙伴關(guān)系開始生效。

Jeff Dahn電池研究小組簡(jiǎn)介

Jeff Dahn在鋰離子電池領(lǐng)域有著多年的研究經(jīng)驗(yàn)，被認(rèn)為是鋰離子電池的先驅(qū)。他因幫助延長(zhǎng)電池單體的生命周期而聞名于世?，F(xiàn)在，他的工作主要集中在能量密度和耐用性的潛在增長(zhǎng)上。

Jeff Dahn

（2）新型電池——電池壽命可達(dá)100萬英里

2019 年 9 月 6 日，Jeff Dahn的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)布了一項(xiàng)新型電池的測(cè)試論文——《A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium－Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies》（《出色的鋰離子電池化學(xué)性能的廣泛測(cè)試結(jié)果，可作為新電池技術(shù)的基準(zhǔn)》）。

論文描述了，Dahn團(tuán)隊(duì)測(cè)試單晶NCM正極和新型先進(jìn)電解質(zhì)的鋰離子電池情況。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種類型的電池應(yīng)該能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車供電超過100萬英里（160萬公里），并且在電網(wǎng)儲(chǔ)能中至少可持續(xù)20年。

Dahn團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)這種類型的電池用長(zhǎng)達(dá)3年的完成了某些測(cè)試。測(cè)試包括在20、40和55℃下的長(zhǎng)期充放電循環(huán)，在20、40和55℃下的長(zhǎng)期儲(chǔ)存，以及在40℃的高精度庫(kù)侖法測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試，這類電池即使在40℃的極端溫度下，這些電池也可以達(dá)到近4000個(gè)循環(huán)。

注：紫色和綠色為Dahn團(tuán)隊(duì)的測(cè)試結(jié)果，在接近4000個(gè)循環(huán)后，電量還能保持在85％以上，另外三個(gè)為對(duì)比項(xiàng)

注：在不同溫度的存儲(chǔ)時(shí)間和剩余容量關(guān)系測(cè)試中，Dahn團(tuán)隊(duì)（綠色）的電池在超過400天的測(cè)試中，余電都保持在85％以上，黑色為對(duì)比的磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)

像特斯拉的電池一樣，采用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，它可以將電池推至6000個(gè)循環(huán)以上，也就是說很容易超過100萬英里。

注：如果將電池保持在 20°C 的平均溫度，這些電池將在 EV 中提供超長(zhǎng)的總行駛里程。即使電池持續(xù)在 40°C 下運(yùn)行，仍可達(dá)到10 年壽命，達(dá)到 70％的容量，預(yù)計(jì)總行駛距離為 1，200，000 km。

Dahn團(tuán)隊(duì)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)設(shè)計(jì)的NCM／石墨電池，比 LFP／石墨電池具有更長(zhǎng)的存儲(chǔ)壽命。由于NCM／石墨電池的體積和比能量密度，比LFP／石墨電池大得多，不再需要在能量密度和壽命之間進(jìn)行權(quán)衡。

令人驚奇的是，這項(xiàng)測(cè)試的電池并沒有用什么特殊材料，而是比較普通的電池。如下圖，測(cè)試采用的電池是403025軟包，能量密度在200Wh／kg。

注：在 30°C 和 C ／ 10 在 3．0 至 4．3 V 之間測(cè)量

其實(shí)，特斯拉在提升電池性能上并非只依靠Dahn團(tuán)隊(duì)。

（3）收購(gòu)Maxwell，獲取先進(jìn)技術(shù)

2019 年 2 月，特斯拉以 2．18 億美元溢價(jià)55％收購(gòu)了Maxwell。Maxwell是業(yè)內(nèi)知名的超級(jí)電容器制造商，不過，這次特斯拉看上的是他家的干電池技術(shù)。

2018年，Maxwell的化學(xué)家和電池科學(xué)家在發(fā)表的一篇論文中描述了他們先進(jìn)的涂層技術(shù)：“與傳統(tǒng)的漿料澆鑄濕法涂覆電極不同，Maxwell的DBE具有顯著的高負(fù)載能力，并能生產(chǎn)出厚的電極，可用于高能量密度的電池，而不會(huì)影響物理性能和電化學(xué)性能。Maxwell的DBE的放電速率能力比濕式涂層電極好。Maxwell通過生產(chǎn)堅(jiān)固的卷狀自支撐干式涂膜電極膜（具有出色的長(zhǎng)期電化學(xué)循環(huán)性能），展示了可擴(kuò)展性，并制造了大于10Ah容量的大型軟包電池原型?！?/p>

該公司表示，它由一種可以變成干燥涂層電極的粉末組成：干電極以前已經(jīng)過測(cè)試，但是在較高的充電和放電速率下以及經(jīng)過許多次充電循環(huán)后，它們往往會(huì)失效。

Maxwell在論文中聲稱，他們的技術(shù)并不會(huì)如此。

據(jù)報(bào)道，與沒有干電極的相同電池相比，它們的電池能夠以更高的放電速率維持其容量。

他們聲稱還證明了“一組5個(gè)裝有干式涂層電極的電池在2C放電時(shí)的容量保持率超過90％。”

Maxwell電池樣品

在壽命方面，Maxwell聲稱其電池技術(shù)在將近1500次循環(huán)后可保持近90％的容量保持力。

按照特斯拉電池組使用情況來看，大約每周充電一次即可（根據(jù)使用情況而定），這意味著可以正常使用將近30年，之后容量下降到其原始容量的90％左右。

此外，Maxwell還聲稱，其電極在當(dāng)前的演示電池中能實(shí)現(xiàn)超過300 Wh ／ kg的能量密度，并且他們看到了通往500Wh／kg以上的道路。

Maxwell干電極技術(shù)雖然并未走向商業(yè)化，但因?yàn)槭∪チ烁稍锃h(huán)節(jié)，相比傳統(tǒng)濕電極技術(shù)，流程更加簡(jiǎn)單，能源消耗更低，設(shè)備投入更少，也減少了CO2和溶劑干燥時(shí)其他污染物的排放，甚至生產(chǎn)的占地面積也會(huì)更小，這無疑對(duì)未來特斯拉控制成本，有很大的幫助。

長(zhǎng)壽命電池、新電解質(zhì)添加劑、Maxwell的電池技術(shù)，僅僅是進(jìn)入我們視野的特斯拉電池技術(shù)儲(chǔ)備，我們相信特斯拉一定還儲(chǔ)備了其他一些技術(shù)。

2.長(zhǎng)壽命電池為Robotaxi打下基礎(chǔ)

在上述測(cè)試論文中，Dahn團(tuán)隊(duì)特別提到，長(zhǎng)壽命電池對(duì)于運(yùn)營(yíng)類車輛的好處，尤其對(duì)“自動(dòng)駕駛出租車”很有用。

自動(dòng)駕駛出租車要全天駕駛，遠(yuǎn)程電動(dòng)卡車也幾乎是100％的放電深度，因此，進(jìn)一步提升循環(huán)壽命，對(duì)這幾類車型十分有必要。

資料來源：《A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium－Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies》

這項(xiàng)技術(shù)正好達(dá)到了馬斯克的要求。馬斯克的愿景是，特斯拉的車主不僅可以在日常通勤中使用他們的汽車，剩下的時(shí)間，可以利用車輛上的自動(dòng)駕駛功能，提供出租車服務(wù)，并從中獲利。

馬斯克表示，特斯拉將使用自己的車隊(duì)來填補(bǔ)服務(wù)缺口，其中包括Model 3租賃汽車。

馬斯克還透露說，他們正在優(yōu)化汽車的各個(gè)方面，包括輪胎，以實(shí)現(xiàn)最少的維護(hù)，從而打造出“超高效”的自動(dòng)駕駛出租車。

馬斯克曾表示，采用這一技術(shù)，他們制造的Model 3的續(xù)駛里程可以和商用卡車一樣長(zhǎng)，達(dá)到100萬英里（160萬公里），電池模組的使用壽命應(yīng)該在30萬英里到50萬英里之間。

“特斯拉不會(huì)更換整個(gè)電池包，但他們將提供5，000－7，000美元之間的電池模組更換服務(wù)?！币簿褪钦f，全生命周期更換2－3次電池組，就能達(dá)到累計(jì)100萬英里的續(xù)駛里程。

3.電池生產(chǎn)計(jì)劃：2019年浮出水面

特斯拉儲(chǔ)備這些技術(shù)，當(dāng)然是為了自產(chǎn)電池做準(zhǔn)備。

（1）自產(chǎn)電池計(jì)劃初露頭角

外界了解特斯拉打算生產(chǎn)電池，是從其收購(gòu)Maxwell 開始。據(jù)了解，兩家公司早在多年前就已經(jīng)開始探討合作的可能性。

收購(gòu)Maxwell后，近半年多的時(shí)間，特斯拉再次悄悄收購(gòu)了總部位于加拿大的電池制造和工程公司Hibar Systems。該公司此前剛推出完整的“高速鋰離子電池制造系統(tǒng)”。

自此，特斯拉自產(chǎn)電池之心，已經(jīng)昭然若揭。

在特斯拉2019年的股東大會(huì)上，馬斯克強(qiáng)調(diào)稱，特斯拉產(chǎn)品的推出，受到電池生產(chǎn)規(guī)模的限制。

曾擔(dān)任特斯拉領(lǐng)先電池專家一段時(shí)間的特斯拉CTO JB Straubel補(bǔ)充說：“我們需要大規(guī)模的電池生產(chǎn)解決方案?！?/p>

盡管他們并沒有直截了當(dāng)?shù)卣f自己將接手電池生產(chǎn)，但特斯拉技術(shù)副總裁Drew Baglino已經(jīng)暗示的非常明顯，他們希望在這一領(lǐng)域成為“自己的命運(yùn)主人” 。

（2）招聘員工，生產(chǎn)電池設(shè)備

說干就干，先從生產(chǎn)電池設(shè)備開始。

前不久，外媒eletrek發(fā)現(xiàn)了特斯拉正在招聘“電池生產(chǎn)工程師”，從而了解到，特斯拉正在加州的弗里蒙特建設(shè)電池試點(diǎn)生產(chǎn)線。

工作描述：

來源：eletrek

此外，特斯拉還列出了電池設(shè)計(jì)人員，分析師和測(cè)試人員的工作。

歐洲方面，特斯拉也在招聘，并透露其將在歐洲進(jìn)行電池制造擴(kuò)張的新計(jì)劃：負(fù)責(zé)規(guī)劃管理新的電池制造和設(shè)備工程項(xiàng)目的崗位，需要推動(dòng)新制造設(shè)備和工藝的開發(fā)和部署以及歐洲新電池制造擴(kuò)張計(jì)劃的規(guī)劃和執(zhí)行。

目前尚不清楚特斯拉打算與電池生產(chǎn)商合作，還是自建電池廠。

除了技術(shù)、專利和生產(chǎn)企業(yè)等層面的積累，特斯拉在電池原材料上，也有著豐富的經(jīng)驗(yàn)與資源。例如，在與松下合作生產(chǎn)電池期間，特斯拉已經(jīng)逐漸參與到供應(yīng)鏈當(dāng)中，與贛鋒鋰業(yè)、基德曼、Pure Energy Minerals等公司都有著良好的合作關(guān)系。

無論如何，特斯拉自建電池廠的計(jì)劃，已是箭在弦上。一旦特斯拉實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)電池，全球動(dòng)力電池廠商的格局可能大幅變化。而特斯拉可能成為太陽(yáng)能發(fā)電、電池生產(chǎn)、電動(dòng)汽車生產(chǎn)、電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)的超級(jí)企業(yè)。