【疯狂猜图电池】材质|省会电池霸岛电池，特斯拉终于受不了了。

特斯拉取代汽油车的梦想似乎已经近在咫尺。

2月27日，特斯拉内部出现了一个名为Roadrunner的秘密项目，旨在用“制造机器的机器”(自主制造设备)战略大量生产更便宜的电池。这个项目由特斯拉编写了近年来电池研究的大成。电动车媒体electrek称，将电力电池成本降低到100美元/千瓦时是低于美国汽油成本的目标。

"如果与大规模生产相结合，这是电动汽车推广的“圣杯”。"美国媒体这样写道。特斯拉电池制造工程师激动地说。“快来重新创造锂离子电池制造技术！”

和特斯拉是如何实现这一壮举的，将于4月20日电池日公布。"没有钴不一定会成为磷酸铁锂."特斯拉之前曝光过。有理由认为，这是在高镍阴极上使用硅阳极电池电极准备超容量动力回收的电池方案。

2月3日，特斯拉宣布与电力电池领先的宁德市时代合作，在国产型号3中使用便宜的磷酸锂电池。这为杀死进退两难的中国市场打开了大门。

特斯拉的发展过程在制造技术和电池技术上几乎走了两条腿。从18650钴酸锂电池的突破性使用到NCA三元锂电池的另一种流行，为了降低磷酸铁锂电池的价格，正在探索无镍钴电池技术。(威廉莎士比亚，《北方专家》)。

把四驱车电池装进跑车

1980年，古迪纳夫发明了钴酸锂(LixCoO2)作为阴极的锂离子电池。这种电池发明后没有得到工业界的认可，日本索尼主动伸出橄榄枝。1991年，索尼推出了第一款商用锂离子电池18650。

18650代表电池规格。直径18毫米，长度65毫米，0表示圆柱形。钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、NCA三元电池等名称都是指负极材料。

要理解它的创造性，首先要说电池的原理。在电池负极中，锂失去电子，转换成更贵的锂离子，进入电解质，然后通过隔膜移动到正极。锂离子可以通过电解质和隔膜，但电子不行，只能从外部电路跑到两极，在外部工作。这就是电池的放电过程。

钴酸锂电池原理，资料来源：Visual Capitalist

锂的优点是可以提供更多的电子。因为只有原子外层电子才能转移，所以参与工作意味着原子量越小，能量密度越高。(威廉莎士比亚，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)锂是3号元素，由自然界中的两个同位素组成，相对原子量只有6.9。另外，锂离子半径小，容易在电解质中移动，充电放电快，效率高。

18650钴酸锂电池发明后，很快以小而高的能量密度应用于电子产品。但是还有一个缺陷。钴酸锂在电压高于4.6V时相变，导致锂离子扩散缓慢，阴极材料产生应力，晶体结构崩溃。

为此，1997年，古迪纳夫又发明了磷酸铁锂电池，就是今天特斯拉与宁德市时代合作生产的电池。这种电池更稳定，在高电压下不发热，不含昂贵的钴。但是能量密度低，功率低。采用这种电池其实是退还费用的第二种方法。

几种主要锂离子电池，除锂以外的金属成分和用途，资料来源：Visual Capitalist

2003年秋天，ELON MUSK(ELON)产生了连接10000节18650钴酸锂电池为电动车供电的疯狂想法。他遇到了电池专家、疯狂崇拜马斯克J.B .斯特罗贝尔。在他们的愿景中，这是一个预算为2500万美元的简单项目：几名工程师改装汽油车就可以了。

2005年，第一辆特斯拉rodster原型车出发了。但是他们很快面临第一个障碍。

2007年美国独立日，沉溺于节日的特斯拉工程师们为了狂欢，点燃了20块绑在一起的电池。这些电池像火箭一样飞走了。特斯拉员工流着冷汗：Roadster是为富人打造的，如果富人坐在这辆车上葬身火海会怎么样？

他们需要找到控制电池电压电流、更好地散热的新技术。

这时特斯拉创始人之一马克塔彭宁帮了忙。他开发了一个分层管理方案，使用管理网络服务器的方法来控制特斯拉电池，将69块18650电池并行封装成电池砖。9块电池砖用一个电池片连接在一起。11个电池片是一个电池组，共6831个部分。

由电池模块(Module)和电池组(Pack)组成的单芯(Cell)使您能够在维修时轻松更换部件。这三个水平也有单独的电池监测系统和保险丝，如果电流过大或电池过热，就会融化断电。

据说，该电池控制系统已成为特斯拉的核心资产，并在首次上市时定价。

超过20000美金，遭到业内人士唱衰。但伴随其他电动车雪佛兰Volt、Fisker Karma相继发生起火事故，特斯拉Roadster却证明了自己的安全性，逐渐为消费者接受。据Relecura统计，特斯拉的大部分专利都与Battery（电池）、Charging（充电）和Electric Motor（电机）有关。

特斯拉专利的分布统计，来源：Relecura

在2007年，特斯拉公开了Roadster电池系统的技术细节，解释了为何青睐18650：它足够小，因此发生故障的影响要小于大尺寸电池单元。它的表面积/体积也足够大，能保障很好的散热。最重要的是，它在消费市场广为应用，使得能量密度和功率上升的同时，成本却在下降。

在尝试了500多家供应商后，特斯拉最终在Roadster上选择了松下，生产18650钴酸锂电池。当时的电池成本在600-800美元/kWh，大约是美国汽油的3-4倍。这对富人开的Roadster尚不是瓶颈，但对普及电动车仍过于昂贵。按照美国环保署数据，Roadster的NEDC续航里程为393公里，要抢占汽油车市场也仍需继续提高。

寻找更低价电池

在生产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领域通常有两种：NCA811（镍钴铝锂电池）或NCM811（镍钴锰锂电池），811代表三种材料的比例。特斯拉使用的是前者。

三元锂电池的好处在于，它的阴极由三种材料构成，能达到比单一材料更高的能量密度。以NCA811电池来说，能量密度能达到250Wh/kg。而特斯拉在Roadster上使用的18650钴酸锂电池能量密度为211Wh/kg。

由于锂电池的阳极石墨的锂离子容量远超阴极，因此提升能量密度主要在阴极下功夫。在三元锂电池里，提升钴和镍的比例，都能提高热稳定性和能量密度。这也是全球改进电池的主要方法。据Visual Capitalist统计，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。镍在全球分布广泛，地壳含量仅次于氧硅铝铁镁。而钴的全球60%产量都来自刚果，这一地区深陷武装冲突、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，钴的价格已经飙升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能继续降低电池成本，大约为240美元/kWh。

当然，NCA电池的阴极比NCM更不稳定，在250-300摄氏度便会分解；而电动车收到撞击时，电池隔膜破裂造成短路，很容易能让电池温度超过300摄氏度。这对特斯拉的电池管理和散热提出了更高考验。但在占全车成本40%的电池面前，价格才是首要问题。

与中国的宁德时代一样，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在未来四年供应18亿颗电芯。2014年9月，双方宣布将在内华达州建设锂离子电池工厂Gigafactory 1。

松下执行副总裁山田佳彦曾表示，“今天的电池产能是以前的三倍，为什么？这是特斯拉和松下员工一起工作的结果。”松下的客户结构极为单一，主要客户是特斯拉，其次是丰田，用山田佳彦的话说，双方关系是“密切而独特的”。

然而松下的产能逐渐开始拖累特斯拉。2019年4月13日，马斯克发推文表示“超级工厂的电芯产能只有24GWh，从7月份开始一直限制Model 3的产能，在产能到达35GWh之前，特斯拉不会再投钱进去。”

对比鲜明的是，松下为了跟上Model 3的量产步伐，一直在投入Gigafactory 1，在2018年底发布的半年报显示，电池业务已经出现两个季度的亏损。2019年，日经又传出双方计划在2020年提升工厂产能从35GWh到54GWh的计划泡汤。

2019年8月，有媒体发现特斯拉打算与LG化学合作，采购更多电池用于在中国投产的电动车。2019年12月，中国工信部发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》，显示国产Model 3有两种型号电池，分别使用松下和LG化学的电芯，NEDC续航里程（接近实际路况）分别为445公里和455公里，能量密度分别为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：“埃隆多次要求降低采购价格，有一次我回应他，如果再这样下去，我们要考虑撤走超级工厂的全部松下员工和设备。”被问及是否后悔投资特斯拉超级工厂，他回答道“是的，当然”。

特斯拉的移情别恋还未结束。2020年2月3日，宁德时代，作为中国动力电池装机量50%以上的龙头，宣布将向特斯拉提供锂离子电池。这是一种磷酸铁锂（LiFePO4）电池，虽然无钴但能量密度较低，依靠CTP（Cell to Pack，指电芯直接整合进电池包）技术才能达到160Wh/kg能量密度，并且在低温表现也逊于NCA。

但它的好处是便宜，据中国化学与物理电源行业协会数据，磷酸铁锂电池价格能降低到0.7元/Wh以下，而三元锂电池通常在0.9元/Wh。据东方证券分析师表示，以50kWh车型为例，从三元锂电池改用磷酸铁锂电池，补贴虽减少约2000元，但电池成本可降低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降低钴用量，而非使用能量密度更低的磷酸铁锂电池。在国产Model 3上使用磷酸铁锂电池，可能是特斯拉为降低售价所采用的权宜之计。

要做“自己命运的主人”

2月21日，特斯拉在官方帐号上表示：“无钴，不代表一定是磷酸铁锂。”并表示在四月将举行电池发布会。特斯拉很可能将宣布自己的无钴电池进展。

据平安证券预计，特斯拉有望采用高镍正极+硅碳负极（掺锂）+干电极+超级电容的技术组合。

这种判断十分符合行业认知。高镍正极能提高能量密度，但会降低热稳定性，而干电极能解决这一问题。掺硅的负极能提高锂离子容量，保证负极不成为瓶颈。超级电容则能回收车辆启停浪费的能源。

在过去几年里，特斯拉已经为这一刻做好了准备：

• 2019年收购超级电容生产商Maxwell，其核心技术是超级电容器和干电极。

  其中，超级电容器可以回收电动车加速、减速、启停浪费的能源，与作为主动力的锂电池搭配使用。（如果类比数据存储，锂电池相当于硬盘，超级电容器相当于内存。）在2017年Maxwell已经申请了混合动力平台的超级电容+锂电池的方案专利。

  干电极技术是指，在制作电极时直接将粘合剂和正极粉末混合，挤压成电极材料片，然后压到金属箔上。它能克服三元锂电池的高镍电极热稳定性差等问题，使电池能量密度能大于300Wh/kg，并有实现500Wh/kg的可行路径。

• 2019年收购锂电池设备制造商Hibar。这是电池制造设备领域首屈一指的公司，以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而闻名。

• 2020年，据Electrek报道，特斯拉正在弗里蒙特建造一条电池生产线试点，计划用自己的设备来生产电池。此前2019年6月，特斯拉在弗里蒙特的名为“Skunkworks Lab”的电池设计和生产实验室曝光。

• 2020年，有分析者猜测特斯拉收购了SilLion。这家公司为商用圆柱形电池研发硅阳极、高镍NCM阴极和不易燃的离子电解质。这是为数不多能提高阳极性能的专利。相比石墨阳极每6个碳原子储存1个锂离子，硅阳极每个硅原子能储存4.4个锂离子。

值得一提的是，特斯拉可能在自研电池上探索NCM路线。2016年特斯拉从3M挖来电池研究伙伴Jeff Dahn，对方正是NCM电池专家，曾在2017年演示过一项技术：提高NCM电池的某种成分，能让电池在车辆行驶48万公里后仍有出厂容量的95%。2019年9月，他在论文中描述了一种电池，能在电动汽车上使用超过160万公里。特斯拉最近收购的SilLion，专利也在NCM领域。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：“我们需要大规模的电池生产解决方案。”特斯拉技术副总裁德鲁·巴格利诺则补充说：“希望特斯拉能在电池领域成为‘自己命运的主人’（master of their own destiny）”。可以想见，特斯拉亲自杀进动力电池领域已经不遥远了。

参考资料：

《特斯拉的动力电池梦》，平安研究

《The Future of Battery Technology》，Jeff Desjardins

《特斯拉与松下的“战争”》，陆三金

《马斯克：下一步我干啥，你猜》，孙鸣远

《第一个将钴酸锂电池应用于汽车，Tesla凭什么？》，任海宁