特斯拉黑科技！电池成本减半，17万元的“新车”要来了！

 电子发烧友报道（文/周凯扬）在刚刚结束的电池日暨投资者大会上，特斯拉公布了自己在汽车电池上所做出的革新，并对特斯拉的成果和未来作了简要的总结，同时开启了高性能车型Model S Plaid的预定，这款新车型预计将于2021年年末交付。
 
特斯拉去年在上海建成了一家超级工厂，特斯拉中国也是国内首家新能源汽车外商独资企业，主要用于生产Model Y车型的二期超级工厂也于今年年初开始搭建。除了上海和美国本土的超级工厂计划外，特斯拉还打算在柏林开设新的超级工厂。

特斯拉近三年盈利情况 / 特斯拉

 
在销售上，特斯拉也在近四个季度连续盈利，尽管受到了一定疫情影响，特斯拉还是在今年Q2季度实现了3.27亿美元的营收，在过去一年内的全球汽车交付量的增长上更是远超其他公司。

业界近一年来的交付量增长 / 特斯拉

 
本次会议上，Elon Musk提到随着自动驾驶的要求不断提高，特斯拉目前的自动驾驶发展出现了瓶颈。于是特斯拉开发团队重写了整个自动驾驶功能的软件栈，采用全新的3D视频标注系统，与之前的单张2D图像标注存在很大差异。Musk补充道，该系统将会标注一整段视频，同时调用车身上的八个摄像头，大幅提高车辆神经网络的复杂度和整体逻辑。新版的自动驾驶软件将于一个月左右后开始封闭测试，未来将推送给广大车主。
 
然而，本次会议的重头戏还是特斯拉在新能源汽车电池上所做的创新。传统的汽车电源面临着两大挑战：1.受制于材料、生产和人力成本的限制，电源工厂难以迅速扩大规模；2.降低电池成本（$/kWh）困难。特斯拉高级副总裁Andrew Baglino表示，借助全新的电池方案，车辆续航里程将提高54%，电池成本降低56%，工厂投资成本降低69%。那么要如何实现这般可观的提升呢？特斯拉给出了5个办法。
 

全新的电池结构设计（续航提升16%，成本降低14%）

传统圆柱锂电池设计 / 特斯拉

 
从2008年的18650电池到2017年的21700电池，电池能量提升了50%。特斯拉在本次大会上公布了46mm x 80mm 规格的圆柱锂电池。传统圆柱锂电池内部一般由极耳（tab）和极柱（jellyroll）组成，而特斯拉的全新电池结构采用了tabless的无极耳设计。这是因为大体积的锂电池面临着充电时间长的挑战，而特斯拉的无极耳设计可以在保证大外径的情况下，做到稳定的充电时长。

无极耳锂电池结构示意图 / 特斯拉

 
新结构可以做到更简单的生产流程、更少的零件数和更短的路径，单节锂电池实现5倍的能量，6倍的功率，进而提高16%的续航里程数，这还只是结构上带来的提升。大会现场旁的费利蒙工厂已经在加速生产新型电池，未来的德国柏林工厂也将投入该电池的生产，但目前该电池工艺仍处于试验生产阶段。
 

电池工厂改良（成本降低18%）

电池的工序流程 / 特斯拉

 
一节圆柱锂电池的工序基本分为四步，从电极成型到卷绕，再到装配和化成。而特斯拉打算在工厂自动化和高速化上更进一步，所以做出了一些改良。首先是电极涂层的制作工艺，与目前常用的“湿法”工艺相比，特斯拉的“干法”工艺可以减少90%的生产空间和能耗成本，直接将混合后的粉末压制成薄膜，省掉溶剂回收的步骤，略去体积庞大的干燥炉。

“干法”涂层工艺 / 特斯拉

 
特斯拉也对装配线和化成进行了改良。利用全新的仪器实现高速连续运作的装配线后，一条装配线可以做到20GWh的产能输出，这是过去的7倍。传统电池工厂中，化成往往占据了1/4的投资成本，但对电池的充放电验证过程仍是单独进行的，而特斯拉打造的全新化成设备可以同时对上千电池进行充放电，降低了86%的成本投入，减少了75%的空间占用。这对特斯拉从150GWh的Giga工厂进化至1TWh的Tera工厂提供了相当大的助力，特斯拉也计划在2020实现100GWh的产能，在2030年实现3TWh的产能。
 

阳极材料（续航提升20%，成本降低5%）

硅材料处理 / 特斯拉

 
鉴于硅材料的低成本，以及与锂和石墨相比高出9倍的产量，特斯拉决定采用它作为阳极材料。但现有的硅技术都要求高度工程化的昂贵材料，比如氧化硅（6.6$/KWh）、石墨-硅（10.2$/KWh）和硅纳米线（>100$/KWh）等。而特斯拉则利用原始的硅材料，通过弹性导电的聚合物涂层来制作阳极材料。仅这项改动可再度提升20%的里程数，同时做到极低的材料成本（1.2$/KWh）。
 

负极材料（续航提升4%，成本降低12%）

 
特斯拉在描述负极材料时用了一个生动的比喻，如果说镍、钴、锰和铝等混合金属是书架的话，那么锂离子就是其中的书，而这个书架的容量和稳定性就是负极材料所需要考虑的因素。但对厂商和顾客来说，材料成本同样至关重要。如下图所示，从能量密度和成本上来看，镍是最为合适的负极材料，这也是特斯拉所设定的改良路线。

常用负极金属材料的能量密度和成本对比 / 特斯拉

 
特斯拉在新的电池负极材料中完全剔除了钴，将镍的占比最大化，并采用了新型涂层和掺杂剂，使得负极材料的成本降低了15%。但特斯拉也将针对不同的应用场景来定义负极材料的组成，铁作为中端应用，镍锰合金作为中高端应用，高镍占比的负极材料用于Cybertruck和Semi等长里程应用。这其中还运用了优化后的负极材料制造工序，通过减少原材料处理和多数制造步骤，特斯拉成功将成本降低66%，制造费用降低76%，同时实现零废水。而面对锂的高需求量，特斯拉也已在内华达中选址建立电池工厂，充分利用当地的锂资源。
 

电池与车辆集成（续航提升14%，成本减少7%）

 
特斯拉为了改善铸件工艺，在费利蒙市工厂建造了超大型铸造机器，在Model Y这款车型的生产上中，后底板成本节约了40%，每辆车减少了79个零件。

车身+电池结构化设计 / 特斯拉
 

在航天飞机中的动力系统中所做出的突破就是将燃料箱做成翼状，从而将燃料也作为一个结构整体，而不单单只是货物。特斯拉也采用了同样的思路，通过车身+电池结构进行工程化改造，结构化的电池不仅提升了电池密度，更是可以做到重量减少10%，零件数减少370件，同时提供了14%的续航提升空间。
 

小结

 
综上所述，不难看出特斯拉在电池方向上的战略就是低成本、高续航和可持续。通过一系列降低成本的举措，Elon Musk称特斯拉有信心在三年内推出25000美元价位的新能源纯电动车。

业界与特斯拉的电池成本预测曲线 / 特斯拉

 
这套全新的电池方案虽然优势满满，但目前仍在试验试产阶段，特斯拉高级副总裁Andrew Baglino认为充分利用这些优势大概需要三年时间。尽管特斯拉开始加大自研自产的汽车电池比例，但这对宁德时代等电池供应商来说也是一个机会。Elon Musk于电池日前一天在推特上提到，为了使电池供应速度达到最快，特斯拉会加大从松下、LG和宁德时代等电池供应商的购买量，但仍预见2022及之后会出现电池缺货的情况，所以他们才打算自己投入电池的生产。从这些年汽车行业的发展来看，特斯拉也许不会一直保持性能、续航和自动驾驶等参数上的霸主地位，但它一直都充当着行业推动者的角色，此番在汽车电池技术上的突破，势必会加速新能源汽车的价格下调。

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