特斯拉用什么樣的電池,一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。
特斯拉近期在發(fā)布會(huì)上表示將全面轉(zhuǎn)型,產(chǎn)品大規(guī)模使用磷酸鋰電池——在全球范圍內(nèi)使用磷酸鐵鋰作為標(biāo)準(zhǔn)版本車型的電池。而隨后贛鋒鋰業(yè)與特斯拉簽署了《產(chǎn)品供應(yīng)合同》,約定自2022年1月1日起至2024年12月31日,由贛鋒鋰業(yè)及贛鋒國(guó)際向特斯拉供應(yīng)電池級(jí)氫氧化鋰產(chǎn)品。
特斯拉到底怎么樣用電池,磷酸鐵鋰和高鎳三元的選擇場(chǎng)景分別是什么樣的,這值得我們仔細(xì)考慮。
特斯拉之前的規(guī)劃,是很清楚的——
1)長(zhǎng)循環(huán)壽命:這是特斯拉規(guī)劃的入門級(jí)產(chǎn)品和儲(chǔ)能站(的電池選擇),優(yōu)先考慮使用壽命(充放電次數(shù)),電池會(huì)主要使用磷酸鐵鋰電池。可以預(yù)期的是,基于磷酸鐵鋰電池的入門級(jí)車型就是特斯拉所說的“25000美金車型”的電池選擇。
2)長(zhǎng)續(xù)航(中級(jí)產(chǎn)品):這是特斯拉根據(jù)客戶的需求,優(yōu)先考慮續(xù)航里程,電池需要較高的能量密度,目前是圍繞鎳和錳來做的無(wú)鈷電池;
3)重量敏感的產(chǎn)品(高端產(chǎn)品):在皮卡、重卡領(lǐng)域,由于需要考慮帶載能力,所以性能優(yōu)先,需要采用高鎳電池,這也是特斯拉目前自主開發(fā)的重要領(lǐng)域。
隨著特斯拉的戰(zhàn)略更新,我們能看到磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用快速突破了現(xiàn)有的Power wall和Model Y。目前長(zhǎng)距離的車型也開始往高鎳電池的方向走。

圖1 特斯拉2020年Battery Day上演示的電池分配
PART 1:特斯拉的大邏輯
特斯拉CEO Elon Musk在10月的投資者會(huì)議上為特斯拉設(shè)立新目標(biāo)——到2030年特斯拉的電動(dòng)汽車年銷售量將突破2000萬(wàn)輛。而目前特斯拉的產(chǎn)能,在中國(guó)超過了45萬(wàn)臺(tái),加州超過了60萬(wàn)臺(tái),柏林工廠有望于未來幾周正式投產(chǎn),按照每周5000臺(tái)Model Y的產(chǎn)量估算,短期內(nèi)年產(chǎn)能拉高到24萬(wàn)臺(tái)左右,后續(xù)也可能拉高到上海工廠的規(guī)模。而德州將來作為特斯拉的總部,預(yù)期的產(chǎn)能也會(huì)加碼到50萬(wàn)臺(tái)左右。所以從2022年開始,預(yù)期特斯拉的總體產(chǎn)能在明年可以實(shí)現(xiàn)200萬(wàn)臺(tái)左右的規(guī)模。

表1 特斯拉的產(chǎn)能布局
從特斯拉(電池)的技術(shù)路線來看,從松下的18650到21700,再導(dǎo)入LG Chem,然后加入了寧德時(shí)代的方殼鐵鋰,特斯拉牢牢把握住了主動(dòng)權(quán)。在電池的選擇上來看,目前特斯拉是全球最大的動(dòng)力電池采購(gòu)的大戶,并且和第二名的差距還在持續(xù)拉大。從2020年的時(shí)間點(diǎn)來看,特斯拉組織了自己的人才體系,從4680這種大圓柱的規(guī)格來設(shè)計(jì)和制造電芯工藝,真正切入電動(dòng)汽車的核心,是相當(dāng)讓人敬佩的。而這些新的設(shè)計(jì)也在柏林工廠的開業(yè)儀式上得到了展示,我們不光看到了4680的電池,也看到了圍繞4680電池做的CTC設(shè)計(jì)。

圖2 柏林工廠是Model Y 結(jié)構(gòu)化電池的基地,也是4680電池的主力
說實(shí)話,在柏林工廠看到的電芯樣品、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的截面,包括特斯拉的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是很讓人震撼的。特斯拉在具體的設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用電芯側(cè)面冷卻的方式,4680從車身橫向布置,把電池和電動(dòng)汽車本身做了考慮深度結(jié)合的設(shè)計(jì),展示了真正把電池完全嵌入到車體里面去思考和優(yōu)化。


圖3 特斯拉的4680 Model Y的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高鎳電池,是特斯拉降低對(duì)于鈷的依賴,降低對(duì)于電池成本的考慮的核心要素。從今年以來,由于磷酸鐵鋰電池的需求量快速提升,碳酸鋰的價(jià)格在快速攀升。如下圖所示,某種意義上來說,特斯拉把新增的需求,從之前NCA+和NMC811的量轉(zhuǎn)化為磷酸鐵鋰,降低了鈷的需求,實(shí)現(xiàn)了鈷價(jià)格的穩(wěn)定;同時(shí)也減少了一些鎳資源的需求。

圖4 IEA對(duì)于金屬材料的需求分解
實(shí)際按照特斯拉之前的布局來看,高鎳正極材料的開發(fā),特斯拉想要實(shí)現(xiàn)在材料端15%的價(jià)格下降,這項(xiàng)技術(shù)儲(chǔ)備是有戰(zhàn)略意義的。

圖5 特斯拉的高鎳材料開發(fā)
從特斯拉公布的路徑來看,當(dāng)前的磷酸鐵鋰電池主要是依靠中國(guó)的供應(yīng)商來做的,而高鎳電芯的開發(fā)則一方面依靠自己的團(tuán)隊(duì),一方面也在推動(dòng)松下、LG Chem這樣本身的供應(yīng)商跟上,在高鎳電池方面特斯拉有信心在續(xù)航里程上提升54%(電芯設(shè)計(jì)、負(fù)極、正極及電芯底盤集成分別貢獻(xiàn)提升16%、20%、4%、14%);單位成本下降56%(電芯設(shè)計(jì)、電芯工廠、負(fù)極、正極及電芯底盤集成分別貢獻(xiàn)下降14%、18%、5%、12%、7%),也就是預(yù)期電芯的成本可以從2021年的100美金/kWh下降到2025年56美金/kWh;而單位投資額下降69%,這代表特斯拉可以大幅提高自己的產(chǎn)線能力,自己制造更多的電芯(五項(xiàng)措施帶來的貢獻(xiàn)分別下降7%、34%、4%、16%、8%)。

圖6 特斯拉需求的成本
而2021年最重要的事情還是4680大圓柱電池真正從PPT到實(shí)際的落地,從18650到21700再到46800,特斯拉的優(yōu)選路徑還是圓柱電芯,這次大圓柱電芯直徑46mm、高度80mm、容量可提升5倍,續(xù)航提升16%,成本下降14%。這里最大的挑戰(zhàn)是快充速度——由于體積變大,電芯內(nèi)部的熱量在超級(jí)快充散熱很難解決,所以這里通過創(chuàng)新無(wú)極耳設(shè)計(jì),降低電流距離實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻下降。


圖7 特斯拉的大圓柱電芯技術(shù)
PART 2:高鎳電芯的安全性問題
這個(gè)問題之前已經(jīng)介紹過,今天再重復(fù)下,Soteria(一家圍繞電池安全設(shè)計(jì)的公司)的安全解決方案主要包括:Soteria在對(duì)樣品進(jìn)行闡述時(shí)表示其使用了811/石墨5Ah軟包疊片電池,然后進(jìn)行了最嚴(yán)苛的針刺測(cè)試——針刺后的電池還可以用,從容量保持率來看能保持93%。我們可以理解為,在特斯拉導(dǎo)入相似的設(shè)計(jì)以后,高鎳電池的安全性完全得到了保障。
1)Dreamweaver separator 高溫隔膜:Dreamweaver可能是無(wú)紡布隔膜,按照Soteria的說法在300℃的溫度下非常穩(wěn)定,沒有明顯的收縮。采用芳綸纖維增強(qiáng)以后,溫度可以進(jìn)一步在550°C保持穩(wěn)定。
2)聚合物基的金屬鍍層集流體:Soteria的集流體是它安全設(shè)計(jì)的核心技術(shù),Polymer使用的材料對(duì)比。
高鎳電池安全設(shè)計(jì),要從隔膜和復(fù)合集流體兩方面綜合作用來達(dá)到效果——耐高溫隔膜不會(huì)發(fā)生熱收縮導(dǎo)致大面積短路的情況,聚合物基集流體升溫后會(huì)熔斷起到類似電芯里面保險(xiǎn)絲的作用。

圖8 Soteria 的解決方案
小結(jié):
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,高鎳電池提供給了我們更高的能量密度,并且對(duì)資源的需求主要體現(xiàn)大宗的鎳需求上,這個(gè)是很容易解決的。所以我想我們一定要密切關(guān)注技術(shù)的發(fā)展。
圖|網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)截圖
作者簡(jiǎn)介:朱玉龍,資深電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)和汽車電子工程師,著有《汽車電子硬件設(shè)計(jì)》。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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