特斯拉的电池日又跳票了。

 

       最近的一次，特斯拉官网宣布电池日＆2020年年度股东大会推迟到9月22日举行，比特斯拉CEOElonMusk之前公布的9月15日又推迟一周。

 

       电池日之所以重要，是因为特斯拉会在电池日发布会上全面回顾过去十多年来在电机、电控和电池领域的关键技术路线和决策，公布下一个十年的技术战略。

 

       其中的一个核心关注点，就是特斯拉的自研电池计划。今天我们试图去回答，特斯拉的自研电池会怎么做、在哪儿做和为什么这么做。

 

       How–怎么做？

 

       在特斯拉出手之前，中国领先的动力电池制造商宁德时代和比亚迪分别「秀」出了在电化学领域的创新：

 

       宁德时代是中国首家商业化NCM811电池的动力电池企业。从镍钴锰材料占比1:1:1到422、523、622一直到811，对于动力电池正负极、电解液材料配方的改进，我们暂且简称为化学创新。

 

       比亚迪改进了电池的正负极结构与电芯形态，将「刀片电池」商业化。和特斯拉从18650电池（直径18mm，高65mm）升级到2170电池（直径21mm，高70mm）类似，我们把这种电芯、模组和电池包的尺寸、结构的改进，简称为物理创新。

 

       那么特斯拉呢？过去4年来，特斯拉成功将镍钴铝比例为9:0.5:0.5的2170电芯集成业内首个大模组方案，搭载在Model3上商业化。这是特斯拉同时改进电池材料配方和尺寸形态，综合化学创新与物理创新于一体的一次成功尝试。

 

       对于接下来的自研电池，特斯拉延续了在物理与化学两大方向同时发力的策略。

 

       先说物理工艺的创新，汽车的动力电池分为电芯、模组和电池包（由电芯组成模组，再由模组组成电池包）三大部分。在自研电池项目上，特斯拉对上述三大部分都做了激进的改进。

 

       电芯

 

       2020年5月7日，特斯拉公开了一项名为「无极耳电极的电芯」的专利。专利第一作者为特斯拉电芯工艺首席工程师KunioTsuruta，Elon评论说，这个专利「远比听起来更重要」。

 

       极耳是什么东西？

 

       我们都知道，电池有正极和负极，极耳就是从电芯中将正极和负极引出来的金属导体，正负两极进行充放电时的接触点，就是极耳。简单来说，极耳是电池结构的一部分。

 

       特斯拉在专利中认为，极耳的存在导致了更高的内阻，产生了更多的热量。在高倍率充放电时，电池的表面温度会快速上升。

 

       此外，由于极耳是独立的零部件，也增加了额外的制造成本，提高了制造难度。

 

       特斯拉提出的无极耳电极设计，移除了电池传统意义上的「极耳」。根据专利，无极耳设计的电池内阻将降到传统电池内阻的20%-5%。

 

       以特斯拉Model3为例，额定80.5kWh的电池包峰值充电功率达到250kW，充电倍率为250/80.5≈3.1C。

 

       但如果看下图我们就会发现，Model3的充电曲线是「一鼓作气，再而衰，三而竭」的，一旦电池容量超过了20%，250kW就很难维持，开始往下掉。

       特斯拉降低充电功率的核心原因之一，在于250kW的快充会产生巨大的热量。为了避免电池产生不可逆的损伤，系统会主动降低功率。但对于用户来说，这使得充电的时间变长，充电体验变差了。

 

       当特斯拉的无极耳电极设计的自研电芯投产后，由于内阻极大的降低，250kW的快充只要稳定10分钟，即可为Model3长续航版充入超过50%的电量。这会进一步改善快充体验，追赶燃油车加油的便利性。

 

       模组＆电池包

 

       在模组与电池包的设计上，特斯拉也有新动作。

 

       2020年1月，Elon接受播客ThirdRowTesla采访时，回顾了特斯拉电芯、模组和电池包的历史。

 

       电芯、模组和电池包的设计形式要追溯到初代Roadster时代，Roadster电池包里有16个模组。最初的设计动机是，如果某个模组故障，特斯拉可以轻松地用另一个模组替换。

 

       The reason therewere cells, modules, and packs goes back to the original Roadster days,The original reason why the Roadster pack had like 16 modules was that if one ofthem didn’t work, you could pull it out and put another one in.

 

       简单来说，彼时特斯拉的工程技术能力并不成熟，从故障率和易于维修的角度出发，特斯拉采用了模组设计。

 

       Model S/X延续了这一设计，但来到Model3时代，特斯拉用4条两米长的大模组取代了之前的十几个模组，并将电池包与车身底盘高度集成。

 

       这是汽车行业第一个将动力电池去模组化，直接由电芯集成到电池包的尝试，也是某种程度上宁德时代CTP技术的雏形。

 

       Elon评论Model 3电池包表示，虽然事实意义上Model 3存在4个大模组，但Model3的模组实际上是无法更换的，电池故障只能整包更换。换句话说，这里的模组是无意义的存在。

 

       而谈到下一步规划时，Elon表示You don’t really need modules in my view. Just take cells and put them in a pack.（在我看来模组没有意义，直接将电芯集成到电池包即可）。

 

       7月11日，一位网友询问特斯拉会坚持模组设计还是直接电芯集成到电池包，Elon没有正面回答。但根据他之前的表态，答案是显而易见的。

 

       另外一个小彩蛋是，2006年，特斯拉曾开创了使用超声焊（wire bonding）技术将电芯连接成电池包的技术路线，简化了生产工艺，提升了制造效率；在2020年自研的电池包上，特斯拉将用激光焊接（laser-welded）取代超声焊，进一步提升加工精度，提高制造效率。

 

       那么在化学领域，特斯拉又做了哪些改进呢？

 

       在特斯拉Q1的财报会议上，Elon是这么回答的：

 

       We don't want topre-empt Battery Day. We want to leave the exciting news for that day, butthere will be a lot of exciting news to tell. And I think it would be one ofthe most exciting days in Tesla's history.

 

       我们不想剧透电池日，我们希望将振奋人心的消息留到那天。我们有很多振奋人心的消息要分享。我认为那将是特斯拉历史上最激动人心的一天。

 

       在电池日的信息方面，Elon表现得很反常。在此之前，无论是Model3发布会还是自动驾驶日，Elon都会忍不住提前剧透。但来到电池日，特斯拉首席大嘴巴居然守口如瓶。

 

       不过，我们还是可以捕捉到一些未经证实的细节，特斯拉的自研电池离不开两大关联方：与特斯拉合作电化学研究五年的加拿大达尔豪斯大学教授JeffDahn及其团队、特斯拉收购的干电极制造公司Maxwell。

 

       与之对应，特斯拉自研电池的内部项目指标是：全生命周期循环寿命超过160万公里、单位电池成本降至100美金/KWh以下。

 

       至于更具体的信息，也许我们真的要等到9月22日电池日当天了。

 

       Where-在哪儿做？

 

       文章开头有一个问题没解释：特斯拉原计划Q2初召开的电池日，为什么一路推迟到了Q3末？

 

       答案是疫情。

 

       可苹果的WWDC都线上召开了，特斯拉电池日不能线上开吗？

 

       Elon Musk说：真不行。

 

       电池日还会有电芯生产系统的参观环节，这是线上直播做不到的，而线下的大型集会与疫情的控制是强相关的。

 

       从这个角度说，9月22日这个时间也只是暂定。不过，有一点是100%确定的：地点在加州Fremont市。

 

       可特斯拉加州的Fremont工厂此前已经N次扩建，为了Model Y的产线布置还合并了Model S/X的总装线。这个工厂还能布置下特斯拉自研的电池产线吗？

 

       6月24日，Fremont市政府官网刊发了一个名为特斯拉项目扩建的环评清单，文件中提到该项目代号为Project Roadrunner，又被叫做Tera。

 

       特斯拉自研电池的项目内部代号正是Roadrunner。在今年Q1的财报会议上，Elon曾经提到今后特斯拉超级工厂Gigafactory将以Terafactory取代。因此可以确定，该项目正是特斯拉自研电池产线所在工厂。

 

       （Gigafactory中的Giga来自电功单位GWh（GigaWatt-hours），指以100万kWh为产能单位的超级电池工厂。Terafactory中的Tera，来自电功单位TWh（TeraWatt-hour），指以10亿kWh为产能单位的超级电池工厂。）

 

       从谷歌地图上查看，特斯拉自研电池工厂所在地距离特斯拉汽车工厂只有2.5英里，不到十分钟车程。

 

       特斯拉在文件中披露了更多信息：

 

       工厂扩建后面积将达到156,057平方英尺（约1.5万平米）

 

       工厂完成扩建后运营耗电量将达到92800MWh/年

 

       工厂按照7×24小时，共470名员工参与

 

       工厂扩建预计在3个月内完成

 

       最后这个完成时间很关键：6月底开始扩建，特斯拉的电池日在9月下旬，到时候到场股东有机会见到特斯拉刚刚建设完毕，新鲜出炉的自研电芯生产系统。

 

       Why–为什么这样做？

 

       一个汽车制造商为什么要进入电池电芯的研发与制造，这是一个重要的问题。

 

       2020年的疫情掩盖了电动汽车行业本身的矛盾：

 

       1月23日，奔驰EQC的产能规划从60,000辆/年削减至30,000辆/年

 

       2月10日，捷豹奥地利格拉茨工厂的I-PACE产线停产

 

       2月21日，奥迪比利时布鲁塞尔工厂e-tron产线停产

 

       2月26日，起亚Niro纯电动车生产进入限制状态

 

       是这些纯电动车市场需求不振吗？实际情况比需求不振还要更糟糕：电池供应短缺。

 

       上述纯电动车型分别代表了各大跨国车企电动化转型的先锋产品，却在短短一个月内先后遇上了电池供应短缺的问题。

 

       如果对比特斯拉，矛盾更加凸显：整个2019年，捷豹I-PACE销量为1.7万辆，奥迪e-tron为1.9万辆，奔驰EQC为0.04万辆，起亚Niro为0.6万辆；而特斯拉，2019年一年卖掉了36.7万辆。

 

       事实上，自2018年Q3起，特斯拉超级工厂的电池供应就时不时会成为特斯拉产能限制的核心因素之一。

 

       在2019年的特斯拉年度股东大会上，Elon承认电池产能是限制特斯拉产品上市的主要因素。而这里的背景是，特斯拉纯电动半挂Semi Truck已经发布整整两年，一直处在无米下锅的窘境。