难产的 4680马斯克的心头病
日期:2024-07-01 发布者: 乐鱼最新首页登录
       

  从造电动车,到发射火箭,再到全身不锈钢的 Cybertruck,不管你该不会是马斯克的拥趸,都不得不承认这一点。但是,在 4680 电池上,马斯克的「不败金身」恐怕要被打破了。

  最近有消息称,特斯拉可能考虑放弃 4680 电池生产,转向外部供应商采购。

  原计划 2022 年产能达到 100GWh,截至今年一季度,4680 今年的年产能约 7GWh;

  原计划,4680 能在传统电池基础上降本 50%,到今年一季度,特斯拉在每周成本持续下降的情况下,给出的目标是「年底前击败镍基电池的供应商成本」。

  随着特斯拉准备外部采购 4680 消息的传出,连这个目标可能也有点渺茫了。

  产能爬坡没有到达预期,成本优化降不下来,一向在创新技术上有点「魔力」的特斯拉,怎么在 4680 电池上屡屡受挫?是什么让 4680 卡住了马斯克的「脖子」呢?

  先回到梦开始的地方,4680 第一次出现在大众视野里,还是 2020 年的特斯拉电池日:把圆柱电池的尺寸从直径 21 毫米、长 70 毫米提升至直径 46 毫米、长 80 毫米,这种由特斯拉提出的大圆柱电池缩写成「4680」。

  之所以要从「2170」小圆柱电池改成「4680」,简单来说是为了「皮薄馅儿大」,单个电池中的能量物质占比提高了,电池间排列的间隙少了,单位体积内的包含的能量也就提高了。当然尺寸越大,对制造工艺、安全性的要求越高,单位体积内的包含的能量的提升反而放缓,所以直径 46mm 就成了主流的选择,比如特斯拉的 4680 电池,宝马的大圆柱电池 4695 等。

  4680 电池在当年看来绝对算是「电池革命」,不仅尺寸更大,也用了不少特斯拉的创新技术,比如:

  大圆柱的尺寸,单体容量高,电池排列缝隙小,空间利用率高,单位体积内的包含的能量自然更高。

  无极耳(全极耳)设计,降低了电池内阻,电池充放电倍率高、散热性好;跟 2170 电池的单极耳设计相比,电阻从 23mΩ降低到 2mΩ,电芯内部消耗从 2W 降低到 0.2W。

  干法电极工艺,简化工艺,降低生产所带来的成本,制造成本降低 20%,设备投资降低 35%,占地面积减少 70%。

  这一系列创新技术综合起来,当时 4680 电池展示出的效果是:相比于 2170 电池,单位体积内的包含的能量提升 5 倍,续航历程提升 16%,整体生产所带来的成本降低 56%。

  这一系列性能优势,对于锂电价格处于高位的 2020~2021 年来看就是一场电池革命;但相应地,4680 用到的一系列创新技术,大圆柱电池、无极耳、硅电极、干法电极等,也都没什么成熟的经验可以直接拿来用。

  所以,从 2020 年至今这四年里,特斯拉就被困在了如何把逆天的 4680 从理论走到落地,再从实验室走到大规模量产。

  4680 电池的创新技术中,最被关注、也对电池生产线改动最大的就是干法电极技术。

  目前市场主流采用湿法电极:把湿的电极浆料涂在电机薄膜上,干燥、压制、分切成电极,最后再真空干燥;

  特斯拉的设想是:既然湿的电极浆料还要干燥,那就直接用干的电极材料涂抹,这样不仅能减少干燥和真空干燥的步骤,也减少了这两道最占地方的工序;简化工艺,降低生产升本,还能降低生产线成本。

  但问题是:湿润的膏体涂抹起来可以又快又均匀,让干燥的电机材料附着在电极薄膜上就难了,附着力弱,目前市场上常用的粘合剂颗粒太大,导致电机材料分布不均匀。

  从特斯拉申请的专利上能看到,特斯拉在电极粘合剂材料上下了不少功夫,比如发明了一种 PTFE 粘合剂,在压力下能从粒子变成纤维把电极材料粘住,但是粘附性的效果不理想;为了达到理想的效果,可能还要提前加一道底漆涂层工艺。原本干式电极是为了简化工艺,反而要增加工艺,这显然有点违背老马的「第一性原理」。

  除了材料问题,在生产的基本工艺上问题也不少。未解决干式电极的问题,在 4680 电池发布前,特斯拉专门收购了一个企业 Maxwell Technologies,为了就是能把它们的干电极制程(DBE)技术用在 4680 电池上。

  在双方的合作下,选择了轧辊铣的干涂层工艺,使用两个轧辊轧机制造独立电极薄膜,以节省成本的电极生产。但是,这种工艺力的设定对粘结剂颗粒尺度很敏感,有可能会出现薄膜破裂、膨胀和边缘变形。

  从材料到生产线,全套流程下来的结果是;目前为止生产的 4680 电池上,还没有用上干式电极;在 2019 年被特斯拉收购的 Maxwell Technologies,也在 2021 年被出售了。要知道干式电极工艺是 4680 的降本法宝:能降低 20%制造成本,减少 70%的生产线占地面积。如今这项工艺没投产,4680 的成本优势就被砍掉了一大半。

  除了干式电极,早期宣传的硅电极工艺目前也没有用在量产的 4680 上。相比于目前主流的石墨负极,硅基负极的理论容量高,能提升电池的单位体积内的包含的能量。不过,根据德国慕尼黑工业大学 Manuel Ank 等人对第一批生产的 4680 电池的拆解:正极采用了 NMC(镍锰钴)作为活性物质,跟目前主流的三元锂电池一致;负极材料则为纯石墨。

  这也间接导致,目前德州产的 4680 电池理论单位体积内的包含的能量 300Wh/kg,但标称单位体积内的包含的能量只有 244Wh/kg;要知道目前上海特斯拉上海超级工厂用的 LG 生产的 2170 电池,标称单位体积内的包含的能量 252Wh/kg。

  而就算暂时放弃了干式电极和硅基电极,目前特斯拉得州工厂电池生产线的挑战也并不少。据了解,2024 年初,特斯拉生产 4680 的良品率为 95%,相比之下,早已大规模量产的 2170 电池良品率是 99%。受良品率和生产效率的限制,目前 4680 的产能和成本优化都有限。

  一直以来,特斯拉有个魔力,就是能带动新技术的趋势:比如智能驾驶中的 BEV、OCC,比如汽车制造中的大型一体压铸技术,4680 大圆柱电池也不例外。

  自从特斯拉在 2020 年亮相 4680 电池以来,大圆柱电池也成了行业里的新趋势。比如,在特斯拉 4680 亮相 2 个月后,松下就传出过在特斯拉「强烈要求下」研发 4680 电池的消息;去年在美国堪萨斯州新建的电池工厂中,也被传增加 4680 生产线。

  这次特斯拉传出转向供应商采购 4680 电池,跟这个传闻最接近的则是 LG 新能源。预计今年 8 月 LG 新能源就可以在韩国奥昌工厂大规模生产 4680 电池,这样看来 LG 新能源生产的供应商版 4680 很快就能面世了。

  除了 LG 和松下,国内电池供应商们也将在未来 1~2 年内迎来自己的大圆柱电池。

  比如,宝马在 2025 年亮相的新世代车型上就将采用大圆柱电池(4695),将由宁德时代、亿纬锂能等生产。宁德时代将在中国和德国两座工厂为宝马生产大圆柱电池,每座工厂年产能 20GWh。亿纬锂能之前展示过 4695 电芯,能量型 4695 的电芯单位体积内的包含的能量 280Wh/kg,功率型 260Wh/kg。

  从这些电池供应商的动作来看,尽管特斯拉目前被 4680 卡脖子了,不过电池制造商们的步伐还挺快。不过, 特斯拉的前车之鉴也告诉我们,4680 落地的过程可能还将遇到不少难题。

  在过去的几年里,4680 一度被看作特斯拉提高毛利率的大杀器:对于占了电动车成本三成以上的动力电池来说,能把成本降 50%,无疑是降本利器。

  不过,从目前来看,不论是特斯拉继续自己钻研,还是转投供应商,4680 电池短期内能带来的降本空间和性能提升似乎并没那么大。更关键的是,在经历了被 4680 困住的四年后,如今的特斯拉需要更能刺激市场和长期资金市场的产品,比如新车型、FSD、AI。

  这样来看,转向供应商采购 4680,也许能帮特斯拉释放出更多乘胜追击的经历。



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