電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
特斯拉取代汽油車的美夢，可能已經近在咫尺了。
二月二十七日，特斯拉內部出現了一個名為Roadrunner的秘密項目，旨在以“制造機器的機器”（自己加工制造設備）策略大規模加工更便宜的電池。這一項目集特斯拉近年來電池研究之大成。據電動車媒體electrek報道，其目標是將動力鋰電池成本降到100美元/kWh，低于美國汽油成本。
“倘若與批量加工相結合，這是電動車普及的‘圣杯’。”美國媒體這樣寫到。有特斯拉電池制造工程師興奮地說：“快來加入我們，重塑鋰電池制造技術！”
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而特斯拉要怎么樣實現這一壯舉，將在四月二十日的電池日上宣布。“無鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰。”特斯拉早先曾透露。有理由認為，這是一種采用高鎳陰極+含硅陽極+干電池電極制備+超級電容動力回收的電池方案。
在二月三日，特斯拉則宣布與動力鋰電池龍頭寧德時代合作，在國產Model3上使用便宜的磷酸鐵鋰電池。這為殺進退補后的我國市場打開了大門。
特斯拉的發展歷程，幾乎是在制造技術和電池技術上兩條腿走路：從開創性地使用18650鈷酸鋰電池，到另辟蹊徑酷愛NCA三元鋰電池，為求降價使用磷酸鐵鋰電池，又探索高鎳無鈷的電池技術。
把四驅車電池裝進跑車
1980年，古迪納夫發明了鈷酸鋰（LixCoO2）作為陰極的鋰電池。這款電池發明后，不為工業界所認可，直到日本索尼主動伸出橄欖枝。1991年，索尼推出第一塊商用鋰電池18650。
18650指的是電池規格：直徑18mm，長65mm，0則代表圓柱形。而鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、NCA三元電池等叫法，都指的是陰極材料。
要理解它的開創性，首先要說一下電池的原理。在電池陰極，鋰失去電子，轉變成更高價的鋰離子，進入電解質，然后穿過隔膜，向陽極轉移。雖然鋰離子能穿過電解質和隔膜，電子卻不行，只能從外部的電路跑到陽極，并在外部做功。這就是電池的放電過程。
鈷酸鋰電池原理，來源：VisualCapitalist
而鋰的優越性在于它能供應更多的電子。由于惟有原子外層電子能轉移，參與做功，原子量越小就意味著能量密度越大。而鋰作為3號元素，在自然界由兩種同位素組成，相對原子量惟有6.9。此外，鋰離子的半徑小，更容易在電解液中移動，使得充放電更加快速和高效。
18650鈷酸鋰電池發明后，很快因小巧和高能量密度，被使用在電子產品上。但它還有一個缺陷：鈷酸鋰在電壓高于4.6V時會發生相變，導致鋰離子擴散變慢，陰極材料出現應力，晶體結構崩塌。
為此，1997年，古迪納夫又發明了磷酸鐵鋰電池，就是如今特斯拉與寧德時代合作加工的電池。這種電池更穩定，也不會在高電壓下發熱，不含有昂貴的鈷。但它能量密度更小、功率更低。采用這種電池其實是一種為成本退而求其次的做法。
幾種緊要鋰電池，除鋰以外的金屬成分及用途，來源：VisualCapitalist
2003年秋天，埃隆·馬斯克誕生了一個瘋狂的想法：把10000節18650鈷酸鋰電池串聯起來，為一輛電動車供電。他遇到了電池專家，瘋狂崇拜馬斯克的J.B.斯特勞貝爾。在他們設想里，這是一項預算2500萬美元的簡單項目：只要幾個工程師，改裝下汽油車就行。
2005年，第一輛特斯拉Roadster原型車上路了。但他們很快遇到第一個妨礙。
2007年美國獨立日，正沉湎于節日的特斯拉工程師為了狂歡，將20塊綁在一起的電池點燃。這些電池像火箭相同飛了出去。特斯拉員工冒出一身冷汗：Roadster是為富人打造的，倘若有一位富豪坐在這輛車里葬身火海，會發生什么？
他們非得找到一種全新的技術，控制電池的電壓電流并更好地散熱。
這時，特斯拉創始人之一的馬克·塔彭寧派上了用場。他將管理網絡服務器的辦法用在控制特斯拉電池上，開發出一套分層管理的方案：69個18650電池被并聯封裝成一個電池磚；9個電池磚串聯成一個電池片；11個電池片組成一個電池組，總計6831節。
由單個單芯（Cell）組成電池模組（Module），再組成電池組（Pack），維修時可以方便地替換一部分。這三個層級也都有獨立的電池監控系統，并設有保險絲，一旦電流過大或者電池過熱就熔斷，斷開電力。
這套電池控制系統成為特斯拉的核心資產，據傳剛推出時造價超過20000美金，遭到業內人士唱衰。但伴隨其他電動車雪佛蘭Volt、FiskerKarma相繼發生起火事故，特斯拉Roadster卻證明了自己的安全性，逐漸為消費者接受。據Relecura統計，特斯拉的大部分專利都與Battery（電池）、Charging（充電）和ElectricMotor（電機）有關。
特斯拉專利的分布統計，來源：Relecura
在2007年，特斯拉公開了Roadster電池系統的技術細節，解釋了為甚么酷愛18650：它足夠小，因此發生故障的影響要小于大尺寸電池單元。它的表面積/體積也足夠大，能保障很好的散熱。最緊要的是，它在消費市場廣為使用，使得能量密度和功率上升的同時，成本卻在下降。
在嘗試了500多家供應商后，特斯拉最終在Roadster上選擇了松下，加工18650鈷酸鋰電池。當時的電池成本在600-800美元/kWh，約莫是美國汽油的3-4倍。這對富人開的Roadster尚不是瓶頸，但對普及電動車仍過于昂貴。按照美國環保署數據，Roadster的NEDC續航里程為393公里，要搶占汽油車市場也仍需持續提高。
尋找更低價電池
在加工ModelS時，特斯拉將目光投向了三元鋰電池。這種電池在動力鋰電池范疇通常有兩種：NCA811（鎳鈷鋁鋰電池）或NCM811（鎳鈷錳鋰電池），811代表三種材料的比例。特斯拉使用的是前者。
三元鋰電池的好處在于，它的陰極由三種材料構成，能達到比單一材料更高的能量密度。以NCA811電池來說，能量密度能達到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650鈷酸鋰電池能量密度為211Wh/kg。
由于鋰電池的陽極石墨的鋰離子容量遠超陰極，因此提升能量密度緊要在陰極下功夫。在三元鋰電池里，提升鈷和鎳的比例，都能提高熱穩定性和能量密度。這也是全球改進電池的緊要辦法。據VisualCapitalist統計，在2020年全球約75%的電池都含有一定量的鈷。
但鈷的問題在于，它太貴了。鎳在全球分布廣泛，地殼含量僅次于氧硅鋁鐵鎂。而鈷的全球60%產量都來自剛果，這一地區深陷武裝沖突、雇傭童工等問題，供給增速遠低于需求增速。在2015年前的二十年里，鈷的價格已經飆升6倍，從2萬美元/噸翻到12萬美元/噸。
鈷的價格隨年份飆升
在NCA電池里，鈷含量5%（NCM則為10%）。這使得ModelS能持續降低電池成本，約莫為240美元/kWh。
當然，NCA電池的陰極比NCM更不穩定，在250-300攝氏度便會分析；而電動車收到撞擊時，電池隔膜破碎造成短路，很容易能讓電池溫度超過300攝氏度。這對特斯拉的電池管理和散熱提出了更高考驗。但在占全車成本40%的電池面前，價格才是首要問題。
與我國的寧德時代相同，松下乘上了特斯拉快車，產量也一路高歌猛進。2013年十月，松下與特斯拉簽訂協議，將為ModelS在將來四年供應18億顆電芯。2014年九月，雙方宣布將在內華達州建設鋰電池廠Gigafactory1。
松下執行副總裁山田佳彥曾表示，“今天的電池產量是往日的三倍，為甚么？這是特斯拉和松下員工一起工作的結果。”松下的客戶結構極為單一，緊要客戶是特斯拉，其次是豐田，用山田佳彥的話說，雙方關系是“密切而神奇的”。
然而松下的產量逐漸開始拖累特斯拉。2019年四月十三日，馬斯克發推文表示“超級廠的電芯產量惟有24GWh，從七月份開始一直限制Model3的產量，在產量到達35GWh之前，特斯拉不會再投錢進去。”
比較鮮明的是，松下為了跟上Model3的量產步伐，一直在投入Gigafactory1，在2018年底公布的半年報顯示，電池業務已經出現兩個季度的虧損。2019年，日經又傳出雙方計劃在2020年提升廠產量從35GWh到54GWh的計劃泡湯。
2019年八月，有媒體發現特斯拉打算與LG化學合作，采購更多電池用于在我國投產的電動車。2019年十二月，我國工信部公布《新能源汽車推廣使用推薦車型目錄》，顯示國產Model3有兩種型號電池，分別使用松下和LG化學的電芯，NEDC續航里程（接近實際路況）分別為445公里和455公里，能量密度分別為145Wh/kg和153Wh/kg。
而在此前九月，松下社長津賀一宏剛向媒體吐過苦水：“埃隆多次要求降低采購價格，有一次我回應他，倘若再這樣下去，我們要考慮撤走超級廠的全部松下員工和設備。”被問及是不是后悔投資特斯拉超級廠，他回答道“是的，當然”。
特斯拉的移情別戀還未結束。2020年二月三日，寧德時代，作為我國動力鋰電池裝機量50%以上的龍頭，宣布將向特斯拉供應鋰電池。這是一種磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，雖然無鈷但能量密度較低，依賴CTP（CelltoPack，指電芯筆直整合進電池組）技術才能達到160Wh/kg能量密度，并且在低溫表現也遜于NCA。
但它的好處是便宜，據我國化學與物理電源行業協會數據，磷酸鐵鋰電池價格能降低到0.7元/Wh以下，而三元鋰電池通常在0.9元/Wh。據東方證券分解師表示，以50kWh車型為例，從三元鋰電池改用磷酸鐵鋰電池，補貼雖減少約2000元，但電池成本可降低1.2萬元。
值得留意的是，人們常說的“無鈷電池”是指在三元鋰電池中降低鈷用量，而非使用能量密度更低的磷酸鐵鋰電池。在國產Model3上使用磷酸鐵鋰電池，可能是特斯拉為降低售價所采用的權宜之計。
要做“自己命運的主人”
二月二十一日，特斯拉在官方帳號上表示：“無鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰。”并表示在四月將舉辦電池公布會。特斯拉很可能將宣布自己的無鈷電池進展。
據平安證券預計，特斯拉有望采用高鎳正極+硅碳負極（摻鋰）+干電極+超級電容的技術組合。
這種判斷十分符合行業認知。高鎳正極能提高能量密度，但會降低熱穩定性，而干電極能處理這一問題。摻硅的負極能提高鋰離子容量，保證負極不成為瓶頸。超級電容則能回收車輛啟停浪費的能源。
在過去幾年里，特斯拉已經為這一刻做好了準備：
2019年收購超級電容加工商Maxwell，其核心技術是超級電容器和干電極。其中，超級電容器可以回收電動車加速、減速、啟停浪費的能源，與作為主動力的鋰電池搭配使用。（倘若類比數據存儲，鋰電池相當于硬盤，超級電容器相當于內存。）在2017年Maxwell已經申請了混合動力平臺的超級電容+鋰電池的方案專利。干電極技術是指，在制作電極時筆直將粘合劑和正極粉末混合，擠壓成電極材料片，然后壓到金屬箔上。它能克服三元鋰電池的高鎳電極熱穩定性差等問題，使電池能量密度能大于300Wh/kg，并有實現500Wh/kg的可行路徑。
2019年收購鋰電池設備制造商Hibar。這是電池制造設備范疇首屈一指的公司，以精密計量泵、注液系統及電池制造系統而聞名。
2020年，據Electrek報道，特斯拉正在弗里蒙特建造一條電池加工線試點，計劃用自己的設備來加工電池。此前2019年六月，特斯拉在弗里蒙特的名為“SkunkworksLab”的電池設計和加工試驗室曝光。
2020年，有分解者推測特斯拉收購了SilLion。這家公司為商用圓柱形電池研發硅陽極、高鎳NCM陰極和不易燃的離子電解質。這是為數不多能提高陽極性能的專利。相比石墨陽極每6個碳原子儲存1個鋰離子，硅陽極每個硅原子能儲存4.4個鋰離子。
值得一提的是，特斯拉可能在自研電池上探索NCM路線。2016年特斯拉從3M挖來電池研究伙伴JeffDahn，對方正是NCM電池專家，曾在2017年演示過一項技術：提高NCM電池的某種成分，能讓電池在車輛行駛48萬公里后仍有出廠容量的95%。2019年九月，他在論文中描述了一種電池，能在電動車上使用超過160萬公里。特斯拉最近收購的SilLion，專利也在NCM范疇。最近國產Model3更是用上了LG化學的NCM電池。
在2019年股東大會上，特斯拉元老J.B.斯特勞貝爾（曾擔任特斯拉電池專家和CTO）說過：“我們要大規模的電池加工處理方案。”特斯拉技術副總裁德魯·巴格利諾則補充說：“希望特斯拉能在電池范疇成為‘自己命運的主人’（masteroftheirowndestiny）”。可以想見，特斯拉親自殺進動力鋰電池范疇已經不遙遠了。
參考資料：
《特斯拉的動力鋰電池夢》，平安研究
《TheFutureofBatteryTechnology》，JeffDesjardins
《特斯拉與松下的“戰爭”》，陸三金
《馬斯克：下一步我干啥，你猜》，孫鳴遠
《第一個將鈷酸鋰電池使用于汽車，Tesla憑什么？》，任海寧
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