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马斯克:下一步我干啥,你猜

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作者 | 孙鸣远

2月19日,路透社和几家外媒发布了一条关于特斯拉与宁德时代合作的新消息,让业内人士和特斯拉粉丝们争论不休。多家媒体据所谓“内部人员消息”得知,特斯拉将采用宁德时代“无钴”锂离子电池(下文统一用“锂电池”代替),但没有进一步的任何细节消息。

之后特斯拉对此并未作任何回应,而宁德时代对此的回应是:“一切以公告为准。”

依据“无钴”锂离子电池的线索,人们联想到了宁德时代量产的LFP锂电池(LiFePO4,磷酸铁锂电池),又因为LFP锂电池较低的能量密度,继而想到了去年9月宁德时代在2019德国法兰克福车展上展出的CTP(Cell to Pack,电芯直接整合进电池包)技术,并以此猜测特斯拉将会采用宁德时代的LFP锂电池以及CTP技术,甚至是宁德时代超级快充(8%~80%仅用15分钟)等技术。

一时间,关于LFP电池和CTP技术的各种猜测不绝于耳,但抛去无聊的争论之外,其实最核心的问题就一个:“特斯拉真的会采用LFP电池么,如果采用LFP电池是否导致特斯拉续航退步?”

要解释清楚这个问题,得从电动车续航开始讲起。

续航之王

特斯拉之所以能在电动汽车领域站稳脚步,除了自动驾驶、操纵性等一些优点之外,最关键的就是其续航一直领先于其他对手。早在2012年特斯拉发布的初代Model S,其续航甚至比现在几家豪华车企的电动车还要优秀,不仅如此,特斯拉随后在更新换代以及不断升级后,Model S的续航更加夸张。

马斯克近期在推特发布了一条信息称:“特斯拉Model S的EPA续航已经升级至390英里(630公里),近几个月生产的特斯拉Model S/X续航都已经超过了EPA测试的标称续航,同时将会通过OTA升级给现有用户升级,提高续航。”

官网Model 3续航数据已经从此前的373英里(600公里)改为了390英里(630公里),Model X续航数据从此前的328英里(528公里)改为了351英里(565公里)。且根据马斯克所说,该数据依然是保守估计,如果更换轮胎续航能超过400英里(644公里)。

此处不多解释为什么不同测试工况下的续航不同,只需要记住续航最接近真实情况的是EPA工况,其次是WLTP工况(目前国内采用的国标综合工况法就是这种),最后是NEDC工况。根据大量数据的对比,可以大致算出国标工况续航/EPA续航约等于1.14,也就是说在中国标称的续航数,除以1.14后基本就是美国市场EPA续航数值。拿两边市场相同硬件的Model 3长续航版本举例,国内标注的续航为590公里,美国标注的续航为322英里(518公里),比值为1.138,而早期国内采用的NEDC则要除以1.43才约等于EPA续航。

回到主题,特斯拉能够称霸电动车续航多年,并非只是电池技术的优秀所能达到的,是电机、BMS(Battery Management System,电池管理系统)、温度管理系统、风阻系数等多方面技术综合的结果。举个简单的例子,市面上拥有比特斯拉电池包更大容量的电动车,其续航却不如特斯拉的比比皆是。

那么既然续航如此之好,为何要换电池呢?

三元锂电池的优劣

市面上由于特斯拉的影响以及电动车发展的必要,对电池的能量密度要求越来越高,原因很简单,能量密度决定着在有限空间和重量范围内,能够加装多大的电池,从而影响续航能力。而三元锂电池(镍盐、钴盐、锰盐、三种复合正极材料被称之为三元)由于其优秀的能量密度,所以认定为是最合适的方案。

NCA也好,NCM也好,根据其不同材料的占比,被称之为811、622等多个名称。下文皆以行业普遍采用的811结构为标准。

基于三元锂电池的工作原理(电池知识参考笔者另一篇文章:200电池进化史),要实现较好的能量密度,钴元素不可缺少,钴能够为化学结构带来热稳定性(安全性)和高能量密度,而镍元素比例的提高也可以提高能量密度。但由于钴的价格非常昂贵,所以电池产业逐渐增加镍的比例,同时配合其他元素去稳定化学结构,以保证安全性,比如锰和铝,这也是为什么行业中主流方案皆是NCM(镍钴锰酸)和NCA(镍钴铝酸)三元锂电池。

但问题来了,首先是三元锂电池中,镍、钴、锰元素皆为有毒元素,所以发生意外时,其元素的释放可能导致安全问题;其次,镍元素在地壳含量排名24位,锰在地壳含量排名12位,虽然钴也不算稀有,排在31位,但其资源绝大多数储存在刚果,由于政治动乱、童工使用、暴动等各种原因,加上产业寡头的控制,钴的开采不仅存在“血钻”的影响,价格还在连年攀升,2018年时,每磅镍为4美元,每磅锰为0.93美元,而钴则是40美元每磅,且数字还在上升。

并且不仅钴的开采和价格有问题,镍的开采同样存在危机。虽然全球镍资源储量丰富,但由于镍矿资源以硫化镍矿和红土镍矿为主,而硫化镍经过长期开采面临枯竭,导致红土镍矿需求增高。然而红土镍矿的主要产地印尼在2019年10月曾发布禁令,禁止红土镍矿对外出口,从而导致镍的价格也进而上涨。

由于上述多种原因,其实行业内多家企业都在寻求答案,即便暂时找不到替代品,也想方设法减少钴的使用。例如特斯拉历代采用的锂离子电池,其实一直在减少钴的使用。

根据2018年马斯克在推特的消息,特斯拉所采用的电池,其钴的使用已经低至3%,并且称下一代电池产品将会杜绝钴的使用。

此外,特斯拉在去年收购超级电容&固态电池公司Maxwell、爆出100万英里寿命的电池配方专利,和前一阵收购初创电池公司SilLion、特斯拉在弗里蒙特建造电池生产线,都在显示特斯拉一直在寻求新电池技术。

(专利中100万英里寿命的新电池配方名字)

那么LFP电池的争议点在哪呢?

特斯拉目前采用的是松下提供的NCA(镍钴铝酸)三元锂电池,其单电芯能量密度目前在250Wh/kg左右,而LFP单电芯能量密度最高仅有190Wh/kg,所以根据“数值大”获胜原则,推导出如果特斯拉采用LFP锂电池则会导致续航下降。

但实际情况并非如此,仅计算单电芯能量密度是不够的,电动车所搭载的“能量来源”是电池包,而非单个电芯,电芯需要加入安全系统、温度管理系统、BMS等诸多硬件之后,整合为电池包,才能被电动车所使用。

虽然特斯拉所采用的NCA锂电池的确由于配方和技术优势,达到了较高的能量密度,但是由于要保证温控及安全性,特斯拉整个电池包的能量密度差不多在170Wh/kg左右。而宁德时代目前已经搭载于量产车的LFP锂电池虽然单体能量密度仅有175Wh/kg左右,但采用了CTP技术其系统的能量密度已经能够做到160Wh/kg。

(资料来源:CIAPS,GGII,松下财报,特斯拉财报,中金公司研究部)

此外更重要的是,从Model S到Model 3的电池包变化就能看出,特斯拉也在采用类CTP技术。需要说明的是,几乎所有电动车所采用的电池包,无论是圆柱形电池,还是方型电池和软包电池,全部都是由单个单芯(Cell)组成电池模组(Module),再整合入电池包(Pack),这种方式具有维修时可以单独换某一个模组、便于工厂生产等优点,但缺点也很明显,由于模组的存在,所以会导致更多的结构增加重量和占用体积,由此导致整个系统的能量密度下降。所以特斯拉在后来设计Model 3时,就简化了模组的存在,由原来Model S的15个模组(另一个版本16个模组),简化为了Model 3仅有的4个模组,由此大大提高了整套系统的能量密度。

马斯克在今年1月参加Third Row Tesla的播客节目时,曾提到设计Model S时考虑了维修便捷以及更换电池包等因素,所以将电池包设计为多模组,而现在Model 3不能便捷更换电池包,加之整个电池和电池系统技术逐渐成熟,未来将会考虑CTP技术,将电芯直接装入电池包进行统一管理,从而进一步提升系统能量密度。

这种趋势是全行业的,比如宁德时代在2019法兰克福车展展出的CTP技术,比亚迪在去年年末展出的“刀片”电池技术,全部都是从电池包角度入手,在电池技术本身没有突破性进展时,通过结构设计入手,在保证安全、性能的同时,通过提高电池包中电芯的占用率,从而提高整套系统的能量密度。

根据宁德时代的说法,采用CTP技术后,其电池包的零部件数将减40%,系统能量密度未来将会提升到200Wh/kg左右,按照特斯拉目前Model 3的75kW·h(实际容量在80kW·h左右)电池包,同样重量(477.3kg),如果搭载宁德时代CTP电池包后,其总能量将提升至95kW·h左右(实际容量)。

此外LFP锂电池中,不仅几种元素都非常丰富,且相比于三元锂电池,毒性低很多。最重要的是LFP锂电池价格相对较低,因为近几年三元锂电池的需求暴增,和沃特玛的暴雷,导致库存量激增,从而使得LFP锂电池的价格陡降。

根据GGII数据,三元与铁锂PACK的不含税价格为0.83、0.75元/Wh,而到2020年,根据CIAPS数据,三元与铁锂PACK的不含税价格已下降至0.77、0.64元/Wh,而三元与铁锂电芯的价格已下降至0.64、0.51元/Wh。铁锂当前单位价格低于三元15%以上。根据中金公司研究部对宁德时代成本的测算,材料价格导致的正极成本下降与更简单的热管理、BMS导致的电池包环节成本的下降使得宁德时代当前三元成本较铁锂低20%以上。

不仅如此,LFP锂电池还有一个重大优势,那就是LFP锂电池安全性和寿命要高于三元锂电池。

三元锂电池中,之所以特斯拉采用NCA锂电池,是因为虽然相较于NCM锂电池来说,安全性稍差一些,但其优点也很明显,能量密度高、寿命长、充放电性能好(动力、快充等方面);而LFP虽然能量密度不如三元锂电池,但寿命较长,一般的三元锂电池充放电寿命在1500~2000次之间,而LFP锂电池则能做到4000次左右的循环寿命;另外电池安全中最关键的热失控问题,在三元锂电池中一般为200~300度,而LFP锂电池则为350~500度。

毫无缺点的LFP锂电池?

如果对锂电池稍作了解,或者看过笔者那篇2019年诺贝尔化学奖文章(200年电池进化史)的,就会发现对锂电池做出巨大贡献的约翰·B·古迪纳夫(John B.Goodenough),不仅极大推动了锂化合物在锂电池中的发展,他还在锂电池方面做出了更多的贡献。

1997年,一方面由于钴酸锂结构在长时间使用后会发生“崩塌”,造成性能下降,另一方面钴矿石非常昂贵,导致其成本太高。75岁的古迪纳夫又发明出了LFP锂电池,震惊了世界,而当古迪纳夫90岁之时,他又做出了另一个决定,研究全固态电池技术……

或许从上文分析中你会觉得LFP电池好像除了单体电芯能量密度稍低之外,似乎一切都很完美,那么从1997年就研发成功的LFP电池,为何迟迟没能被电动车采用呢?

LFP电池并非没有被采用,而是因为其安全性和寿命长,被广泛用于公共交通序列的电动车,但也因为其能量密度差的原因,迟迟不被家用车所青睐,只能用于固定线路的大巴等车辆。

上文说系统能量密度似乎已经不弱了,但是未考虑振实密度问题,也就是单位体积下的能量数,特斯拉Model 3所采用21700三元锂电池(NCA)其单体单芯振实密度能达到773Wh/L,即便是一般的三元锂电池单体单芯也能做到500Wh/L左右,而LFP锂电池单体单芯则平均在210Wh/L左右。

(一般情况下,LFP、NMC、NCA锂电池能量密度、振实密度和标称电压)

从而导致的问题是,在有限的电动车空间中,如果采用LFP锂电池,要么牺牲空间,要么牺牲总能量,由此也不难发现,市面上采用LFP锂电池的车辆几乎无一例外车内空间十分局促。此外,LFP锂电池还存在几个问题。首先是在制备过程中,氧化铁在高温环境下肯能被还成称单质铁,从而可能导致电池的微短路,导致危险产生;其次是制造成本相对较高,虽然其材料成本并不高,但由于生产工艺问题,LFP锂电池成品率较低,导致产品一致性差。

此外最重要的,根据笔者近期体验的Model 3长续航版本以及数据来看,特斯拉所采用NCA锂电池受温度影响不严重,0度左右“损耗”大约在10%左右,-10度左右在15%左右;而LFP锂电池则在低温下表现非常差,0度左右“损耗”就高达30%~40%左右。

那么特斯拉会采用LFP锂电池么?

其实从透漏消息的来源来看,由于没有任何细节信息,结合前一阵宁德时代发布的合作公告,特斯拉并未明确说明与宁德时代的合作方式。

宁德时代在中国的确是锂电池行业的巨头,其LFP锂电池市场占有率和三元锂电池市场占有率皆超过的一半,但并不代表特斯拉将大量转型将LFP锂电池应用于国产版Model 3或者Model Y身上,这一切不过是有些人的臆想罢了。

不过根据马斯克在播客的所谈CTP技术应用,以及前一阵宣布将在中国建立设计和研发中心等消息来看,很有可能特斯拉只是与宁德时代进行技术合作,展开前瞻性的准备性研发 ,从而为风云突变的电池市场做准备。

1月19日,特斯拉宣布计划在中国建立设计工作室和研发中心,且公布了新的设计图纸。特斯拉还发布了招聘启事,将招募设计师和其他工作人员。同时,特斯拉还广泛征集富含中国元素的特斯拉设计图纸,征集截止日期为2020年2月1日。

特斯拉与松下之间的关系可谓是错综复杂,一方面马斯克强压松下电池降低生产成本,另一方面内华达超级工厂由双方出资;表面看上去松下电池因为特斯拉的快速发展,会过得非常好,实际上松下电池直到2019年Q4季度也才实现盈利。反过来,特斯拉也受制于松下的供货量,从而导致能源产品和产量受限。

所以松下和特斯拉都需要新的盟友来保证自身的利益,松下前一阵与丰田签订合同成立电池工作,而特斯拉则在中国建厂后分别向LG和宁德时代投出了橄榄枝。这其实都无可厚非,毕竟作为企业,生存下去才是王道。

其实对于特斯拉来说,电池是谁家的并不重要,关键是产品要足够好,成本足够低,剩下的难题对于马斯克来说,“不可能”向来都不是问题。

马斯克曾在无数次采访中被问及如何成功的秘诀,他无一例外都会提到一个看似简单却很难做到的原则——第一性原则。两千多年前,亚里士多德对该原则的解释是:“在每一个系统的探索中,存在第一原则,是一个最基本的命题或假设,不能被省略或删除,也不能被违反。”

简单理解就是把事情或问题拆分开为最基本的组成,从源头解决问题。平时人们总会以“模仿”的思维模式“学习”别人,虽然有利于站在巨人的肩膀上获得便利和节省时间,但如果你身边站着的都是“错误”的巨人呢?第一性原则所指的就是跳出惯性思维,打破可参考的经验,回归事物本身,想方设法达到目的。

举个简单的例子,你要吃一个美食,发现店铺卖的太贵了,你最终放弃了,因为按照惯性思维,价格超出了自己能接受的范围,所以不了了之。而使用第一性原则的思维则是,既然你要吃一个美食,关键是如何得到这个美食,既然买不到,那么查一下这道美食的材料价格是多少,发现能够接受,所以为了吃到这个美食,你完全可以通过自己购买材料,然后借助菜谱动手制作,最终享用到这个美食。整个事情的关键在于你对目标有多坚定,以及跳出“多数人”的惯性思维,回归解决问题的本质,然后想尽一切办法尝试去实现。

特斯拉曾在2007年公开过初代产品Roadster电池系统的技术细节,解释了为何当初选用松下18650圆柱形锂离子电池。其中最为关键的三点分别是:安全、性能、成本,作为一家致力于将电动车推向全世界的车企,安全是底线,性能是招牌,而成本则是命脉。松下的18650锂电池是特斯拉工程师在尝试了500多家供应商之后,能够保证成本基础上,做到安全和性能兼并的唯一选择。

马斯克此时所要达到的目的是“让更多的人了解和购买特斯拉电动车”,那么就必须要“保证公司活下去”,而活下去的基础是“产品足够好且能盈利”,那么无论后面通过什么方式去实现,都必须建立在这一级基础上,所以要实现盈利势必意味着成本控制,否则既不能满足“性价比高”也不能满足“盈利”。

所以选用NCA锂电池是当时市场最优选择,而为了应对其可能存在的安全问题,特斯拉在安全性上大费周章。基于松下18650锂电池已经是确定方向后,要解决的就是庞大的BMS电池系统管理问题,以及被动安全和主动安全问题。

根据Munro Association公司拆解特斯拉Model 3的研究报告,特斯拉的BMS系统无论是硬件高集成度和效率,还是电路板的软硬件控制系统,都属于业界佼佼者;而热管理系统更是令人震撼,通过胶质材料填充进不同圆形锂电池之间,加上波浪形的液冷管道,特斯拉热管理系统在相对严苛环境下,将电池单体之间温差控制在8度之内,并保证不同模块之间温差在9度之内。

同样的,仍然基于上述原则,由于电池的能量密度对比汽油来说要差很多,50kWh的电池也仅仅抵得上22.7升汽油,所以任何不必要的能源浪费对电动车来说都是“灾难”。

所以为了解决空调的耗电以及热能源浪费,特斯拉团队还为此研发了一套集合电机、电路板、空调、电池热管理于一体的系统,并仅用一个水壶大小的水箱,就能高效完成所有系统之间的温度管理。

绕了一大圈,其想表达的核心意思是,对于特斯拉来说,采用哪种产品或者技术,本质上只用看它是否符合特斯拉的“目标”。如果符合,那么即便有困难,也会有一群工程师想办法攻克,只要是有益于特斯拉对产品的愿景以及成本的控制。

但显然,LFP锂电池除了寿命之外,并未填补多少特斯拉的痛点。因为LFP另一个优点安全性,特斯拉通过软硬件配合已经做到相当优秀了,目前特斯拉电池包防护结构能支撑外部温度800度左右的高温考验,而特斯拉之前失火事件只存在于2016年前Model S车型中第一代未升级的电池包,随后升级过的Model 3在全球累计几十万销量情况下,仅有几例醉驾后发生严重事故,导致电池包严重受损失火的,关键的是这几例事故中乘客都安全离开了车辆。

仅剩的最大优势就是成本降低,然而由于产能和技术革新,三元锂电池的价格整体也都在不断降低。

所以依照上述所有的分析,以及马斯克一贯的做事风格,此次特斯拉与宁德时代的“无钴电池合作”消息,笔者猜测只会有二种可能性:一是根据马斯克前一阵在推特发布“将在中国快速推进太阳能屋顶以及能源系统”的消息,其LFP锂电池可能应用于特斯拉能源系统,而非Model 3国产版;二是根据LFP目前在量产车应用情况,和特斯拉在电池领域的一系列动作来看,特斯拉很可能与宁德时代在“无钴”电池领域展开深度技术合作,为将来的电池供应商做提前准备,而非现阶段大批量使用。

因为,仅仅依靠结构的变化获得的系统能量密度提升,还远不足以颠覆电池行业或电动车领域。而特斯拉将在4月“电池及动力总成大会”或许才会真正公布颠覆行业的内容。

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