把電池成本降到比汽油低！特斯拉秘密專案透露：將親自殺進、並顛覆電池製造領域
2020.03.05
圖片來源: 路透社
特斯拉取代汽油車的美夢，可能已經近在咫尺了。
2月27日，特斯拉內部出現了一個名為Roadrunner的秘密專案，旨在以「製造機器的機器」（自己生產製造裝置）策略大規模生產更便宜的電池。這一專案集特斯拉近年來電池研究之大成。據電動車媒體electrek報導，其目標是將動力電池成本降到100美元（約新台幣3,000元）／kWh，低於美國汽油成本。
如果與批量生產相結合，這是電動汽車普及的聖杯。」美國媒體這樣寫到。有特斯拉電池製造工程師興奮地說：「快來加入我們，重塑鋰離子電池製造技術！」
而特斯拉如何實現這一壯舉，將在4月20日的電池日上宣布。「無鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰。」特斯拉早先曾透露。有理由認為，這是一種採用高鎳陰極＋含矽陽極＋乾電池電極製備＋超級電容動力回收的電池方案。
在2月3日，特斯拉則宣布與動力電池龍頭寧德時代合作，在中國產Model 3上使用便宜的磷酸鐵鋰電池。這為殺進退補後的中國市場打開了大門。
特斯拉的發展歷程，幾乎是在製造技術和電池技術上兩條腿走路：從開創性地使用18650鈷酸鋰電池，到另闢蹊徑青睞NCA三元鋰電池，為求降價使用磷酸鐵鋰電池，又探索高鎳無鈷的電池技術。
把四驅車電池裝進跑車
1980年，古迪納夫發明了鈷酸鋰（LixCoO2）作為陰極的鋰離子電池。這款電池發明後，不為工業界所認可，直到日本索尼主動伸出橄欖枝。1991年，索尼推出第一塊商用鋰離子電池18650。
18650指的是電池規格：直徑18mm，長65mm，0則代表圓柱形。而鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、NCA三元電池等叫法，都指的是陰極材料。
要理解它的開創性，首先要說一下電池的原理。在電池陽極，鋰失去電子，轉變成更高價的鋰離子，然後穿過隔膜，向陰極轉移。雖然鋰離子能穿過電解質和隔膜，電子卻不行，只能從外部的電路跑到陰極，並在外部做功。這就是電池的放電過程。
而鋰的優越性在於它能提供更多的電子。由於只有原子外層電子能轉移，參與做功，原子量越小就意味著能量密度越大。而鋰作為3號元素，在自然界由兩種同位素組成，相對原子量只有6.9。此外，鋰離子的半徑小，更容易在電解液中移動，使得充放電更加快速和高效。
18650鈷酸鋰電池發明後，很快因小巧和高能量密度，被應用在電子產品上。但它還有一個缺陷：鈷酸鋰在電壓高於4.6V時會發生相變，導致鋰離子擴散變慢，陰極材料出現應力，晶體結構崩塌。
為此，1997年，古迪納夫又發明了磷酸鐵鋰電池，就是如今特斯拉與寧德時代合作生產的電池。這種電池更穩定，也不會在高電壓下發熱，不含有昂貴的鈷。但它能量密度更小、功率更低。採用這種電池其實是一種為成本退而求其次的做法。
2003年秋天，伊隆·馬斯克誕生了一個瘋狂的想法：把10000節18650鈷酸鋰電池串聯起來，為一輛電動車供電。他遇到了電池專家，瘋狂崇拜馬斯克的JB斯特勞貝爾。在他們設想裡，這是一項預算2,500萬美元（約新台幣7億元）的簡單專案：只要幾個工程師，改裝下汽油車就行。
2005年，第一輛特斯拉Roadster原型車上路了。但他們很快遇到第一個阻礙。
2007年美國獨立日，正沉湎於節日的特斯拉工程師為了狂歡，將20塊綁在一起的電池點燃。這些電池像火箭一樣飛了出去。特斯拉員工冒出一身冷汗：Roadster是為富人打造的，如果有一位富豪坐在這輛車裡葬身火海，會發生什麼？
他們必須找到一種全新的技術，控制電池的電壓電流並更好地散熱。
這時，特斯拉創辦人之一的馬克·塔彭寧派上了用場。他將管理網絡伺服器的方法用在控制特斯拉電池上，開發出一套分層管理的方案：69個18650電池被並聯封裝成一個電池磚；9個電池磚串聯成一個電池片；11個電池片組成一個電池包，總計6,831節。
由單個單芯（Cell）組成電池模組（Module），再組成電池包（Pack），維修時可以方便地替換一部分。這三個層級也都有獨立的電池監控系統，並設有保險絲，一旦電流過大或者電池過熱就熔斷，斷開電力。
這套電池控制系統成為特斯拉的核心資產，據傳剛推出時造價超過20,000美金（約新台幣60萬元），遭到業內人士唱衰。但伴隨其他電動車雪佛蘭Volt、Fisker Karma相繼發生起火事故，特斯拉Roadster卻證明了自己的安全性，逐漸為消費者接受。據Relecura統計，特斯拉的大部分專利都與Battery（電池）、Charging（充電）和Electric Motor（電機）有關。
在2007年，特斯拉公開了Roadster電池系統的技術細節，解釋了為何青睞18650：它足夠小，因此發生故障的影響要小於大尺寸電池單元。它的表面積／體積也足夠大，能保障很好的散熱。最重要的是，它在消費市場廣為應用，使得能量密度和功率上升的同時，成本卻在下降。
在嘗試了500多家供應商後，特斯拉最終在Roadster上選擇了松下，生產18650鈷酸鋰電池。當時的電池成本在600－800美元（約新台幣1.7萬－2.3萬元）／kWh，大約是美國汽油的3－4倍。這對富人開的Roadster尚不是瓶頸，但對普及電動車仍過於昂貴。按照美國環保署數據，Roadster的NEDC續航里程為393公里，要搶占汽油車市場也仍需繼續提高。
尋找更低價電池
在生產Model S時，特斯拉將目光投向了三元鋰電池。這種電池在動力電池領域通常有兩種：NCA811（鎳鈷鋁鋰電池）或NCM811（鎳鈷錳鋰電池），811代表三種材料的比例。特斯拉使用的是前者。
三元鋰電池的好處在於，它的陰極由三種材料構成，能達到比單一材料更高的能量密度。以NCA811電池來說，能量密度能達到250Wh／kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650鈷酸鋰電池能量密度為211Wh／kg。
由於鋰電池的陽極石墨的鋰離子容量遠超陰極，因此提升能量密度主要在陰極下功夫。在三元鋰電池裡，提升鈷和鎳的比例，都能提高熱穩定性和能量密度。這也是全球改進電池的主要方法。據Visual Capitalist統計，在2020年全球約75％的電池都含有一定量的鈷。
但鈷的問題在於，它太貴了。鎳在全球分佈廣泛，地殼含量僅次於氧矽鋁鐵鎂。而鈷的全球60％產量都來自剛果，這一地區深陷武裝衝突、僱傭童工等問題，供給增速遠低於需求增速。在2015年前的二十年裡，鈷的價格已經飆升6倍，從2萬美元（約新台幣60萬元）／噸翻到12萬美元（約新台幣360萬元）／噸。
在NCA電池裡，鈷含量5％（NCM則為10％）。這使得Model S能繼續降低電池成本，大約為240美元（約新台幣7181元）／kWh。
當然，NCA電池的陰極比NCM更不穩定，在250－300攝氏度便會分解；而電動車受到撞擊時，電池隔膜破裂造成短路，很容易能讓電池溫度超過300攝氏度。這對特斯拉的電池管理和散熱提出了更高考驗。但在佔全車成本40％的電池面前，價格才是首要問題。
與中國的寧德時代一樣，松下乘上了特斯拉快車，產能也一路高歌猛進。2013年10月，松下與特斯拉簽訂協議，將為Model S在未來四年供應18億顆電芯。2014年9月，雙方宣布將在美國內華達州建設鋰離子電池工廠Gigafactory 1。
松下執行副總裁山田佳彥曾表示，「今天的電池產能是以前的三倍，為什麼？這是特斯拉和松下員工一起工作的結果。」松下的客戶結構極為單一，主要客戶是特斯拉，其次是豐田，用山田佳彥的話說，雙方關係是「密切而獨特的」。
然而松下的產能逐漸開始拖累特斯拉。2019年4月13日，馬斯克發推文表示「超級工廠的電芯產能只有24GWh，從7月份開始一直限制Model 3的產能，在產能到達35GWh之前，特斯拉不會再投錢進去。 」
對比鮮明的是，松下為了跟上Model 3的量產步伐，一直在投入Gigafactory 1，在2018年底發布的半年報顯示，電池業務已經出現兩個季度的虧損。2019年，日經又傳出雙方計劃在2020年提升工廠產能從35GWh到54GWh的計劃泡湯。
2019年8月，有媒體發現特斯拉打算與LG化學合作，採購更多電池用於在中國投產的電動車。2019年12月，中國工信部發布《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》，顯示國產Model 3有兩種型號電池，分別使用松下和LG化學的電芯，NEDC續航里程（接近實際路況）分別為445公里和455公里，能量密度分別為145Wh／kg和153Wh／kg。
而在此前9月，松下社長津賀一宏剛向媒體吐過苦水：「伊隆多次要求降低採購價格，有一次我回應他， 如果再這樣下去，我們要考慮撤走超級工廠的全部松下員工和裝置。 」被問及是否後悔投資特斯拉超級工廠，他回答道「是的，當然」。
特斯拉的移情別戀還未結束。2020年2月3日，寧德時代，作為中國動力電池裝機量50％以上的龍頭，宣布將向特斯拉提供鋰離子電池。這是一種磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，雖然無鈷但能量密度較低，依靠CTP（Cell to Pack，指電芯直接整合進電池包）技術才能達到160Wh／kg能量密度，並且在低溫表現也遜於NCA。
但它的好處是便宜，據中國化學與物理電源行業協會數據，磷酸鐵鋰電池價格能降低到0.7元（約新台幣2.8元）／Wh以下，而三元鋰電池通常在0.9元（約新台幣3.6元）／Wh。據東方證券分析師表示，以50kWh車型為例，從三元鋰電池改用磷酸鐵鋰電池，補貼雖減少約2,000元（約新台幣8,600元），但電池成本可降低1.2萬元（約新台幣5.1萬元）。
值得注意的是，人們常說的「無鈷電池」是指在三元鋰電池中降低鈷用量，而非使用能量密度更低的磷酸鐵鋰電池。在中國產Model 3上使用磷酸鐵鋰電池，可能是特斯拉為降低售價所採用的權宜之計。
要做「自己命運的主人」
2月21日，特斯拉在官方帳號上表示：「無鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰。」並表示在四月將舉行電池發布會。特斯拉很可能將宣布自己的無鈷電池進展。
據平安證券預計，特斯拉有望採用高鎳正極＋矽碳負極（摻鋰）＋乾電極＋超級電容的技術組合。
這種判斷十分符合行業認知。高鎳正極能提高能量密度，但會降低熱穩定性，而乾電極能解決這一問題。摻矽的負極能提高鋰離子容量，保證負極不成為瓶頸。超級電容則能回收車輛啟停浪費的能源。
在過去幾年裡，特斯拉已經為這一刻做好了準備：
- 2019年收購超級電容生產商Maxwell，其核心技術是超級電容器和乾電極。
其中，超級電容器可以回收電動車加速、減速、啟停浪費的能源，與作為主動力的鋰電池搭配使用。（如果類比數據儲存，鋰電池相當於硬碟，超級電容器相當於ram。）在2017年Maxwell已經申請了混合動力平台的超級電容＋鋰電池的方案專利。
乾電極技術是指，在製作電極時直接將粘合劑和正極粉末混合，擠壓成電極材料片，然後壓到金屬箔上。它能克服三元鋰電池的高鎳電極熱穩定性差等問題，使電池能量密度能大於300Wh／kg，並有實現500Wh／kg的可行路徑。
- 2019年收購鋰電池裝置製造商Hibar。這是電池製造裝置領域首屈一指的公司，以精密計量泵、注液系統及電池製造系統而聞名。
- 2020年，據Electrek報導，特斯拉正在美國弗里蒙特建造一條電池生產線試點，計劃用自己的裝置來生產電池。此前2019年6月，特斯拉在弗里蒙特的名為「Skunkworks Lab」的電池設計和生產實驗室曝光。
- 2020年，有分析者猜測特斯拉收購了SilLion。這家公司為商用圓柱形電池研發矽陽極、高鎳NCM陰極和不易燃的離子電解質。這是為數不多能提高陽極性能的專利。相比石墨陽極每6個碳原子儲存1個鋰離子，矽陽極每個矽原子能儲存4.4個鋰離子。
值得一提的是，特斯拉可能在自研電池上探索NCM路線。2016年特斯拉從3M挖來電池研究夥伴Jeff Dahn，對方正是NCM電池專家，曾在2017年演示過一項技術：提高NCM電池的某種成分，能讓電池在車輛行駛48萬公里後仍有出廠容量的95％。2019年9月，他在論文中描述了一種電池，能在電動汽車上使用超過160萬公里。特斯拉最近收購的SilLion，專利也在NCM領域。最近國產Model 3更是用上了LG化學的NCM電池。
在2019年股東大會上，特斯拉元老JB斯特勞貝爾（曾擔任特斯拉電池專家和CTO）說過：「我們需要大規模的電池生產解決方案。」特斯拉技術副總裁德魯·巴格利諾則補充說：「希望特斯拉能在電池領域成為自己命運的主人（master of their own destiny）」。可以想見，特斯拉親自殺進動力電池領域已經不遙遠了。
