文｜牛耕
特斯拉替代汽油车的美梦，或许现已近在咫尺了。
2月27日，特斯拉内部呈现了一个名为Roadrunner的隐秘项目，旨在以“制作机器的机器”（自己出产制作设备）战略大规模出产更廉价的电池。这一项目集特斯拉近年来电池研讨之大成。据电动车媒体electrek报导，其方针是将动力电池本钱降到100美元/kWh，低于美国汽油本钱。
“假如与批量出产相结合，这是电动轿车遍及的‘圣杯’。”美国媒体这样写到。有特斯拉电池制作工程师兴奋地说：“快来参加咱们，重塑锂离子电池制作技能！”
而特斯拉怎么完成这一豪举，将在4月20日的电池日上宣告。“无钴，不代表一定是磷酸铁锂。”特斯拉新近曾泄漏。有理由以为，这是一种选用高镍阴极+含硅阳极+干电池电极制备+超级电容动力收回的电池方案。
在2月3日，特斯拉则宣告与动力电池龙头宁德年代协作，在国产Model 3上运用廉价的磷酸铁锂电池。这为杀进退补后的我国市场打开了大门。
特斯拉的开展进程，几乎是在制作技能和电池技能上两条腿走路：从创始性地运用18650钴酸锂电池，到另辟蹊径喜爱NCA三元锂电池，为求降价运用磷酸铁锂电池，又探究高镍无钴的电池技能。
把四驱车电池装进跑车
1980年，古迪纳夫发明晰钴酸锂（LixCoO2）作为阴极的锂离子电池。这款电池发明后，不为工业界所认可，直到日本索尼自动伸出橄榄枝。1991年，索尼推出榜首块商用锂离子电池18650。
18650指的是电池标准：直径18mm，长65mm，0则代表圆柱形。而钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、NCA三元电池等叫法，都指的是阴极资料。
要了解它的创始性，首要要说一下电池的原理。在电池阴极，锂失掉电子，转变成更高价的锂离子，进入电解质，然后穿过隔阂，向阳极搬运。尽管锂离子能穿过电解质和隔阂，电子却不可，只能从外部的电路跑到阳极，并在外部做功。这便是电池的放电进程。
钴酸锂电池原理，来历：Visual Capitalist而锂的优越性在于它能供给更多的电子。因为只需原子外层电子能搬运，参加做功，原子量越小就从另一方面代表着能量密度越大。而锂作为3号元素，在自然界由两种同位素组成，相对原子量只需6.9。此外，锂离子的半径小，更简略在电解液中移动，使得充放电愈加快速和高效。
18650钴酸锂电池发明后，很快因细巧和高能量密度，被运用在电子科技类产品上。但它还有一个缺点：钴酸锂在电压高于4.6V时会发作相变，导致锂离子分散变慢，阴极资料呈现应力，晶体结构坍塌。
为此，1997年，古迪纳夫又发明晰磷酸铁锂电池，便是现在特斯拉与宁德年代协作出产的电池。这种电池更安稳，也不会在高电压下发热，不含有贵重的钴。但它能量密度更小、功率更低。选用这种电池其实是一种为本钱退而求其次的做法。
几种首要锂离子电池，除锂以外的金属成分及用处，来历：Visual Capitalist2003年秋天，埃隆·马斯克诞生了一个张狂的主意：把10000节18650钴酸锂电池串联起来，为一辆电动车供电。他遇到了电池专家，张狂崇拜马斯克的J. B.斯特劳贝尔。在他们想象里，这是一项预算2500万美元的简略项目：只需几个工程师，改装下汽油车就行。
2005年，榜首辆特斯拉Roadster原型车上路了。但他们很快遇到榜首个阻止。
2007年美国独立日，正沉湎于节日的特斯拉工程师为了狂欢，将20块绑在一同的电池点着。这些电池像火箭相同飞了出去。特斯拉职工冒出一身盗汗：Roadster是为有钱人打造的，假如有一位富豪坐在这辆车里葬身火海，会发作什么？
他们有必要找到一种全新的技能，操控电池的电压电流并更好地散热。
这时，特斯拉创始人之一的马克·塔彭宁派上了用场。他将办理网络服务器的办法用在操控特斯拉电池上，开宣告一套分层办理的方案：69个18650电池被并联封装成一个电池砖；9个电池砖串联成一个电池片；11个电池片组成一个电池包，总计6831节。
由单个单芯（Cell）组成电池模组（Module），再组成电池包（Pack），修理时能够方便地替换一部分。这三个层级也都有独立的电池监控体系，并设有保险丝，一旦电流过大或许电池过热就熔断，断开电力。
这套电池操控办理体系成为特斯拉的中心财物，据传刚推出时造价超越20000美金，遭到业内人士唱衰。但随同其他电动车雪佛兰Volt、Fisker Karma相继发作起火事端，特斯拉Roadster却证明晰自己的安全性，逐步为顾客承受。据Relecura计算，特斯拉的大部分专利都与Battery（电池）、Charging（充电）和Electric Motor（电机）有关。
特斯拉专利的散布计算，来历：Relecura在2007年，特斯拉公开了Roadster电池体系的技能细节，解说了为何喜爱18650：它满足小，因而发作毛病的影响要小于大尺度电池单元。它的表面积/体积也满足大，能确保很好的散热。最重要的是，它在消费市场广为运用，使得能量密度和功率上升的一同，本钱却在下降。
在尝试了500多家供货商后，特斯拉终究在Roadster上挑选了松下，出产18650钴酸锂电池。其时的电池本钱在600-800美元/kWh，大约是美国汽油的3-4倍。这对有钱人开的Roadster尚不是瓶颈，但对遍及电动车仍过于贵重。依照美国环保署数据，Roadster的NEDC续航路程为393公里，要抢占汽油车市场也仍需持续进步。
寻觅更贱价电池
在出产Model S时，特斯拉将目光投向了三元锂电池。这种电池在动力电池范畴一般有两种：NCA811（镍钴铝锂电池）或NCM811（镍钴锰锂电池），811代表三种资料的份额。特斯拉运用的是前者。
三元锂电池的优点在于，它的阴极由三种资料构成，能抵达比单一资料更高的能量密度。以NCA811电池来说，能量密度能抵达250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上运用的18650钴酸锂电池能量密度为211Wh/kg。
因为锂电池的阳极石墨的锂离子容量远超阴极，因而进步能量密度首要在阴极下功夫。在三元锂电池里，进步钴和镍的份额，都能进步热安稳性和能量密度。这也是全球改善电池的首要办法。据Visual Capitalist计算，在2020年全球约75%的电池都含有一定量的钴。
但钴的问题在于，它太贵了。镍在全球散布广泛，地壳含量仅次于氧硅铝铁镁。而钴的全球60%产值都来自刚果，这一区域深陷武装冲突、雇佣童工等问题，供给增速远低于需求增速。在2015年前的二十年里，钴的价格现已飙升6倍，从2万美元/吨翻到12万美元/吨。
钴的价格随年份飙升在NCA电池里，钴含量5%（NCM则为10%）。这使得Model S能持续下降电池本钱，大约为240美元/kWh。
当然，NCA电池的阴极比NCM更不安稳，在250-300摄氏度便会分化；而电动车收到碰击时，电池隔阂决裂形成短路，很简略能让电池温度超越300摄氏度。这对特斯拉的电池办理和散热提出了更高检测。但在占全车本钱40%的电池面前，价格才是首要问题。
与我国的宁德年代相同，松下乘上了特斯拉快车，产能也一路高歌猛进。2013年10月，松下与特斯拉签订协议，将为Model S在未来四年供给18亿颗电芯。2014年9月，两边宣告将在内华达州制作锂离子电池工厂Gigafactory 1。
松下履行副总裁山田佳彦曾表明，“今日的电池产能是曾经的三倍，为什么？这是特斯拉和松下职工一同作业的成果。”松下的客户结构极为单一，首要客户是特斯拉，其次是丰田，用山田佳彦的话说，两边联系是“亲近而共同的”。
但是松下的产能逐步开端连累特斯拉。2019年4月13日，马斯克发推文表明“超级工厂的电芯产能只需24GWh，从7月份开端一向约束Model 3的产能，在产能抵达35GWh之前，特斯拉不会再投钱进去。”
比照明显的是，松下为了跟上Model 3的量产脚步，一向在投入Gigafactory 1，在2018年末发布的半年报显现，电池事务现已呈现两个季度的亏本。2019年，日经又传出两边方案在2020年进步工厂产能从35GWh到54GWh的方案落空。
2019年8月，有媒体发现特斯拉方案与LG化学协作，收买更多电池用于在我国投产的电动车。2019年12月，我国工信部发布《新动力轿车推广运用引荐车型目录》，显现国产Model 3有两种类型电池，别离运用松下和LG化学的电芯，NEDC续航路程（挨近实践路况）别离为445公里和455公里，能量密度别离为145Wh/kg和153Wh/kg。
而在此前9月，松下社长津贺一宏刚向媒体吐过苦水：“埃隆屡次要求下降收买价格，有一次我回应他，假如再这样下去，咱们要考虑撤走超级工厂的悉数松下职工和设备。”被问及是否懊悔出资特斯拉超级工厂，他回答道“是的，当然”。
特斯拉的移情别恋还未完毕。2020年2月3日，宁德年代，作为我国动力电池装机量50%以上的龙头，宣告将向特斯拉供给锂离子电池。这是一种磷酸铁锂（LiFePO4）电池，尽管无钴但能量密度较低，依托CTP（Cell to Pack，指电芯直接整合进电池包）技能才干抵达160Wh/kg能量密度，并且在低温体现也逊于NCA。
但它的优点是廉价，据我国化学与物理电源职业协会数据，磷酸铁锂电池价格能下降到0.7元/Wh以下，而三元锂电池一般在0.9元/Wh。据东方证券剖析师表明，以50kWh车型为例，从三元锂电池改用磷酸铁锂电池，补助虽削减约2000元，但电池本钱可下降1.2万元。
值得注意的是，人们常说的“无钴电池”是指在三元锂电池中下降钴用量，而非运用能量密度更低的磷酸铁锂电池。在国产Model 3上运用磷酸铁锂电池，或许是特斯拉为下降价格所选用的权宜之计。
要做“自己命运的主人”
2月21日，特斯拉在官方帐号上表明：“无钴，不代表一定是磷酸铁锂。”并表明在四月将举办电池发布会。特斯拉很或许将宣告自己的无钴电池发展。
据安全证券估计，特斯拉有望选用高镍正极+硅碳负极（掺锂）+干电极+超级电容的技能组合。
这种判别非常契合职业认知。高镍正极能进步能量密度，但会下降热安稳性，而干电极能处理这一问题。掺硅的负极能进步锂离子容量，确保负极不成为瓶颈。超级电容则能收回车辆启停糟蹋的动力。
在曩昔几年里，特斯拉现已为这一刻做好了预备：
2019年收买超级电容出产商Maxwell，其间心技能是超级电容器和干电极
其间，超级电容器能够收回电动车加快、减速、启停糟蹋的动力，与作为自动力的锂电池调配运用。（假如类比数据存储，锂电池相当于硬盘，超级电容器相当于内存。）在2017年Maxwell现已申请了混合动力渠道的超级电容+锂电池的方案专利。
干电极技能是指，在制作电极时直接将粘合剂和正极粉末混合，揉捏成电极资料片，然后压到金属箔上。它能战胜三元锂电池的高镍电极热安稳性差等问题，使电池能量密度能大于300Wh/kg，并有完成500Wh/kg的可行途径。
2019年收买锂电池设备制作商Hibar。这是电池制作设备范畴名列前茅的公司，以精细计量泵、注液体系及电池制作体系而出名。
2020年，据Electrek报导，特斯拉正在弗里蒙特制作一条电池出产线试点，方案用自己的设备来出产电池。此前2019年6月，特斯拉在弗里蒙特的名为“Skunkworks Lab”的电池规划和出产实验室曝光。
2020年，有剖析者猜想特斯拉收买了SilLion。这家公司为商用圆柱形电池研制硅阳极、高镍NCM阴极和不易燃的离子电解质。这是为数不多能进步阳极功能的专利。比较石墨阳极每6个碳原子贮存1个锂离子，硅阳极每个硅原子能贮存4.4个锂离子。
值得一提的是，特斯拉或许在自研电池上探究NCM道路。2016年特斯拉从3M挖来电池研讨同伴Jeff Dahn，对方正是NCM电池专家，曾在2017年演示过一项技能：进步NCM电池的某种成分，能让电池在车辆行进48万公里后仍有出厂容量的95%。2019年9月，他在论文中描绘了一种电池，能在电动轿车上运用超越160万公里。特斯拉最近收买的SilLion，专利也在NCM范畴。最近国产Model 3更是用上了LG化学的NCM电池。
在2019年股东大会上，特斯拉元老J. B.斯特劳贝尔（曾担任特斯拉电池专家和CTO）说过：“咱们应该大规模的电池出产处理方案。”特斯拉技能副总裁德鲁·巴格利诺则弥补说：“期望特斯拉能在电池范畴成为‘自己命运的主人’（master of their own destiny）”。能够想见，特斯拉亲身杀进动力电池范畴现已不遥远了。
参考资料：
《特斯拉的动力电池梦》，安全研讨
《The Future of Battery Technology》，Jeff Desjardins
《特斯拉与松下的“战役”》，陆三金
《马斯克：下一步我干啥，你猜》，孙鸣远
《榜首个将钴酸锂电池运用于轿车，Tesla凭什么？》，任海宁
