为了让电池更便宜,特斯拉都在里面塞了哪些黑科技

36氪的朋友们 · 2020-09-28
马斯克说:“我们可能需要12到18个月的时间才能开始展示这些优势。“

编者按:本文来自“腾讯科技”,审校:金鹿,36氪经授权转载。

电动汽车制造商特斯拉在不久前的“电池日”活动中披露了大量关于该公司始终在保密的项目信息,演示文稿中描述了其电池组几乎每个方面发生的变化和改进,这对其大约三年后可能推出2.5万美元特斯拉汽车可能产生重大影响。为了让占电动汽车成本1/3的电池变得更便宜,特斯拉在里面都塞了哪些黑科技?

罐状

让我们受限从特斯拉声称其试生产工厂已经存在的两件事开始,该公司在新电池设计和制造方面进行了改进。特斯拉是通过使用现有、常见的圆柱形18650锂离子电池起步的,而大多数电动汽车都采用了扁平的袋状或棱柱形电池,更像是手机和笔记本电脑中的薄电池。在圆柱形电池中,长长的片状阳极、隔板和阴极被夹在一起,然后再卷起来装进圆柱形的罐子里。阴极板和阳极板各有一个细长的“极耳”,可以连接到电池罐的正极和负极端子。

使电池能量更密集的最好方法之一就是尽可能多地去掉包装。把隔板做得超薄,尽量减少消耗空间的外部容器和电池组组件,这样每公斤电池中就能储存更多的电力。显然,从当前设计中减少组件数量几乎已经达到极限,所以另一种方法是增加电池体积与包装面积的比例。也就是说,做个更大的罐子。

特斯拉在推出Model 3和Powerwall上使用的2170电池时就做到了这一点。这个圆柱体电池尺寸是21毫米乘70毫米,而不是18650电池的18毫米乘65毫米。但做得更大给特斯拉带来了挑战,因为虽然更大的罐子可以容纳更长的滚筒,但更长的滚筒意味着阳极和阴极距离连接到电池端子的极耳也延伸得更远。而电子经过的路径越长,就会给安全快速充电带来问题,并产生更多更难逃逸的热量。

特斯拉对此的解决方案是推出新的“无极耳”设计,这让4680电池体积更大,触点的长度与阳极和阴极板的长度相同。当所有东西都被卷起来时,可以在两端形成玫瑰色的聚集,使通向端子的电子路径长度在整个电池板上保持较短状态。特斯拉负责动力总成和能量工程的高级副总裁德鲁·巴格利诺(Drew Baglino)说:“有时候,优雅和简单的东西仍然很难共存。这让我们经历了很多考验,但我们对最终的结果感到高兴。”

马斯克补充道:“对一些人来说,这听起来可能有点儿傻。但是对于真正了解电池技术的人来说,这是一个巨大的突破。”

埃隆·马斯克和德鲁·巴格利诺在展示特斯拉新的无极耳电池设计

考虑到制造商总是倾向于保守秘密,我们真的很难确切知道这款电池与其他电动汽车使用的电池有什么不同,但这种无极耳电池的设计可能验证了特斯拉坚持圆柱形电池形状的选择。

制造一种新型电池的另一半任务是设计制造这种电池的机器。正如此前所描述的那样,特斯拉已经找到了大幅提高电池生产线部分产能的方法。无极耳设计实际上有助于实现这一点,因为电极片可以一直在滚筒中飞行。与此同时,特斯拉正在讨论如何使用占地面积更小的工厂和更少的能源增加产量,这将帮助他们实现降低成本和提高产量的目标。

打包

当然,电动汽车不是靠电池驱动的,而是靠装满电池的电池组驱动。这些电池组有很多好处,包括充电管理、冷却和火灾时的安全措施。这使得电池组的工程设计与车辆存储的总体能量密度息息相关,因此也就与其续航里程密切相关。

特斯拉描述了一种新的包装设计,它减少了一些结构支撑,这意味着在更小包装中可以容纳更多的电池。由于这涉及到一项重新设计的包装技术,作为车辆的基层结构,它可能也带来了些车辆层面的成本效益。

这种包装设计实际上已经存在,但没有关于它将应用于哪款车型的消息。生产可能会转移到现有的汽车上,或者这种设计只适用于电动皮卡CyberTruck、电动卡车Semi或尚未有名字的2.5万美元汽车?马斯克没有给出说明。

但他确实对新电池内部的化学成分给出了提示。这就是时间线变得更加模糊的地方,毕竟他讨论了阳极和阴极的新化学成分,两者都将开辟新的天地。

现代锂离子电池的阳极是石墨,石墨的结构允许它容纳充电过程中向阳极移动的锂原子,但这就是它的全部功能。这意味着,电池体积和重量的很大一部分并不直接对能量储存做出贡献,而只是简单地让东西保持工作。如果你能在这方面节省些体积和重量,电池的能量密度就会增加。

特斯拉和其他制造商目前在石墨中添加了一点儿硅,因为这使得相同体积的阳极可以容纳更多的锂。一个明显更好(也更便宜)的选择是使用纯硅。但是,虽然石墨允许锂在不改变形状的情况下进出,但硅在容纳锂时有个令人讨厌的膨胀习惯。这会在硅内造成结构故障,随着时间的推移性能降低,并且电池容器可能出现潜在危险故障。

关于锂离子电池的替代阳极有很多研究,但还没有完全推向市场。特斯拉声称已经设计了一种阳极,这种阳极含有导电的弹性聚合物中的微小硅颗粒。该公司说,这可以让电池寿命变得更长,并确保硅阳极电池安全。

这种电池声称成本从石墨硅的每千瓦时10美元左右降至纯硅的每千瓦时1美元左右。至于车辆续航里程,特斯拉声称提高了20%。但没有描述其他性能。比如与目前的阳极相比寿命更长,所以目前还不清楚特斯拉是否准备将其放入电池中并在今天出售。

特斯拉也在阴极那面转向不同的化学成分。是的,该公司采用了多元化学技术,这至少和具体的化学细节一样值得注意。特斯拉现在想提供三种不同类型的锂离子电池,从更经济型到高端型都有。

这里特斯拉展示了如何实现其计划,将三种不同的阴极化学物质用于不同的用例

特斯拉目前使用的是NCA化学(即锂镍钴铝),而锂镍锰钴(NMC)化学在电动汽车行业的其他领域中更为常见。钴是这些元素中最昂贵的,其中大部分来自刚果民主共和国的矿山,那里的工作条件相当危险。因此,该行业一直在努力减少钴的使用量。

特斯拉表示,该公司已经开发出两种似乎不含钴的新化学物质。这始于一种新的“高镍”阴极化学,它依赖于“新的涂层和掺杂剂”来取代稳定存在的钴。尽管报告没有详细说明,但巴格利诺一度将其称为“百分之百镍”的配方。这具有最高的能量密度,但也是成本最高的,并打算用于CyberTruck和Semi,这两款车都需要额外的能量密度。

根据马斯克的说法,稍微便宜点儿的是新的镍锰阴极,两种金属的比例大约是2/3或1/3。言下之意是,这也是不含钴的,但这一点特斯拉并没有明确说明。这种化学物质在交易中大大降低了价格,以换取更高的能量密度。以8:1:1比例配置的锂镍锰钴阴极已经存在,所以与减少锰的使用量相比,减少钴堪称是个飞跃,但我们也不知道特斯拉是如何做到的。

特斯拉的第三种化学物质是已知的锂铁磷酸(LFP)。这是这些组合中最便宜的,能量密度也最低。为了支持特斯拉在中国的运营,它与LFP电池制造商CATL达成了一项新的电池供应协议。今年早些时候,该公司获得了政府批准,可以使用这种化学物质在中国生产Model 3。

考虑到所有其他的改进,特斯拉看起来可以很好地依赖这种化学物质,因为电池组的容量并不太受限制。这包括电网规模的Powerpack电池存储安装。但在演示幻灯片中,未来2.5万美元的汽车也被归入这一类别,暗示这种更便宜的化学物质可能有助于使较低里程的汽车降至更低价位。

干燥

在成本方面,这些新的阳极和阴极的制造工艺也非常重要。锂离子电池制造商使用所谓的“湿制工艺”(wet process)将原材料组合在一起,并将它们沉积在铝箔上,以制造阳极或阴极板。粉末材料混合在水或其他溶剂中,涂在箔片上,然后在巨大的烤箱中烘干。这些烘干炉使用的能量占电池生产总能量的很大份额。这一过程在工厂车间也占有巨大空间。

因此,显然,另一种选择更有吸引力。这就是特斯拉2019年收购名为Maxwell Technologies的公司的用武之地。从那以后,传闻称该工厂始终处于超负荷运转状态,并猜测这家生产超级电容器的公司有特斯拉想要的东西。事实证明,制造阳极和阴极的干燥工艺正是它想要的。

这些都是特斯拉声称可以在未来几年内实施的改进措施

马斯克说,自收购以来,Maxwell的干燥工艺已经建立了几次迭代。演示背景中播放着一段大滚筒挤压深色粉末的视频,从另一边冒出一张成品,但这肯定不像自己做意大利面那么直截了当。马斯克还表示,这款工艺还没有准备好投入流水线生产。他说:“公平地说,这种技术可能确实奏效了,但效率不高。”不过,马斯克和巴格利诺都称,这样做的回报是,只需要十分之一的能源投入和十分之一的厂房面积,就能降低成本。

特斯拉降低电池成本的最后手段是,该公司希望其金属供应商开始向其提供不同化学形式的材料。比方说,他们从一家镍供应商那里得到的是硫酸镍,这需要一系列的化学处理来将镍从硫酸盐中分离出来,然后再处理所有的硫酸盐。马斯克声称,将金属作为硫酸盐出售是一种不必要的“遗留”做法,可以跳过,因为供应商提供的特斯拉镍不需要化学预处理。这里也有些空白需要填补,但特斯拉似乎将此作为其整体成本削减目标的一部分。

成本

特斯拉的总体目标是每千瓦时电池生产成本下降56%,同时车辆续航里程提高54%。鉴于分析师估计2019年市场价格为每千瓦时156美元,这将使特斯拉电池成本突破每千瓦时100美元的里程碑。当通用汽车在3月份的“投资者日”宣布其新的电动汽车电池平台时,它承诺“在平台生命的早期”突破100美元。特斯拉似乎呈现了一个更快的时间表。

马斯克说:“我们可能需要12到18个月的时间才能开始展示这些优势。而要完全实现这些优势,可能需要大约三年的时间。”特斯拉会在三年内实现这一目标吗?该公司已经不止一次地错过预定目标。当这些技术面世时,它们中有些看起来会不会有所不同呢?也许提供的模糊描述会让人很难辨别。

但特斯拉肯定为电池生产设定了崇高的目标,即到2030年每年生产出太瓦时的电池存储,增加100倍以上。这需要的不仅仅是扩大现有流程和匆忙建造更多的“巨型工厂”。该公司勾勒出的重大进步将使实现目标变得容易得多,但前提是所有多米诺骨牌都能如期出现和倒下。

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