三代特斯拉不斷變動(dòng)電池方案 磷酸鐵鋰和三元電池持續(xù)升級(jí)

自2009年開始特斯拉和松下合作生產(chǎn)高密度汽車電池，以減輕成本、技術(shù)壓力。在擁有業(yè)界最先進(jìn)的電機(jī)、電控技術(shù)，需求不斷飆升的背景下，特斯拉加大了全球化步伐，并擁有了更多電池供應(yīng)鏈伙伴。

不久前路透社報(bào)道特斯拉將采購寧德時(shí)代的（無鈷電池）磷酸鐵鋰電池，預(yù)計(jì)應(yīng)用于低配版國產(chǎn)特斯拉車型，標(biāo)準(zhǔn)版和長(zhǎng)續(xù)航版依舊使用 LG 化學(xué)的 NCM811 電池。

之后特斯拉將自建電池生產(chǎn)線，盡管電池自主才是特斯拉未來降低成本的終極方案，但是在此之前，仍然會(huì)有大批產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)受益。

被電池供應(yīng)鏈扼住咽喉，三代特斯拉不斷變動(dòng)電池方案

新能源汽車電池使用的是鋰電池，而鋰電池的差異性，是它們的正、負(fù)極和電解液使用材料除鋰以外組合的不同決定的。電池的正極組合在發(fā)展過程中變化是比較大的，但是負(fù)極組合就一直比較穩(wěn)定。

鋰電池負(fù)極材料一般被劃分為兩個(gè)類別，一類是碳材料例如天然石墨，一類是非碳負(fù)極材料例如硅基材料。因?yàn)樗麄兊幕瘜W(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定。

不同的地方在于，硅的能量容量是碳的10倍，但是從空載到完全充電，石墨體積膨脹7％－10％，硅膨脹300％－400％。顯然硅在儲(chǔ)能上更有潛力，但是過度的收縮也會(huì)影響電池壽命，因此特斯拉鋰電池的負(fù)極采用的是石墨和硅的氧化物。

這也就不難理解，為什么2008年到2012年，特斯拉開始在Roodster和Model車型上使用寬18mm、高65mm的18650型號(hào)的小單元組電池。因?yàn)樾卧M給到了膨脹空隙，并且不用一整塊電池一起充放電，通過動(dòng)力管理軟件可以實(shí)現(xiàn)單一管理，合理的充放電減輕每個(gè)單元的壓力，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。

特斯拉的核心技術(shù)壁壘正是管理這幾千個(gè)圓柱形小電池的電池管理系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)。

特斯拉電池管理系統(tǒng)能準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的電池剩余電量，并在充放電過程中，實(shí)時(shí)采集電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止過充過放。同時(shí)能夠及時(shí)給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池可靠高效運(yùn)行。

特斯拉的電池冷卻系統(tǒng)，是一套專門的液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)，“冷卻液”由 50％的水和 50％的乙二醇混合而成，從進(jìn)水口進(jìn)入冷卻液扁管，在管路圍繞每一節(jié)單體電池流動(dòng)，從出水管流出帶走熱量，熱量最終會(huì)在車輛頭部熱交換器散發(fā)出去完成循環(huán)。

從正極材料來看，特斯拉18650型號(hào)的電池屬于三元鋰電池，也就是使用了三種元素組合的鋰電池，這三種材料為鎳、鈷、錳／鋁，也就是主流的鎳鈷錳（NCM）和鎳鈷鋁（NCA）兩種組合。

2016到2018年期間， 特斯拉Model S和Model X同樣也是使用松下18650型號(hào)電池，但是其中鈷的含量從11kg每車下降到7kg每車。

2018年開始，Model 3的電池有了較大突破，從18650電池升級(jí)成了21700電池，能量密度達(dá) 260－280Wh／kg，而鈷含量下降到4．5kg左右。除此之外，還在電池模組上提升了電池的集成度和空間利用率，還進(jìn)行了灌膠處理。將鋁合金的模組結(jié)構(gòu)變成了塑料件，在保證承重的前提下，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

特斯拉歷代車型采用的鋰離子電池一直在向低鈷化發(fā)展。2012 年，特斯拉在 Model S上，鈷的使用量是 11 千克／輛車；2018 年，特斯拉在 Model 3 上，鈷的使用量為 4．5 千克／輛車，消耗量?jī)H為 2．8％。同年，馬斯克在推特上表示：“下一代電池含鈷量要為零?！?/p>

確定去鈷趨勢(shì)背景下，磷酸鐵鋰和三元電池的持續(xù)升級(jí)

電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池部分一般占到了整車成本的40％以上。而鋰電池使用的稀有金屬材料的價(jià)格又決定了動(dòng)力電池的成本。據(jù)知識(shí)流了解，正極材料中鎳、鈷、錳三種原材料在今年二月份的價(jià)格分別為 10．3萬元／噸、27．6 萬元／噸、1．3 萬元／噸。

目前鈷的價(jià)格就遠(yuǎn)高于鎳和錳，但是未來鈷的價(jià)格還有持續(xù)上漲的需求。一方面，根據(jù)CRU的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鈷的全球供應(yīng)量中約有10％－15％源自手抓礦，下游廠商不得不加強(qiáng)對(duì)供應(yīng)鏈的管理，盡量避免涉及人權(quán)問題來源的鈷原料。另外一方面，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，智能終端對(duì)于鈷的需求量也會(huì)更加旺盛。

為了降低成本，近年來各大電池廠都致力研發(fā)鈷含量更低的電池，三元電池從 523 到 622 再到 811，鈷的含量一步步降低。我國車企和電池廠商致力發(fā)展的方向也是完全不含有鈷的磷酸鐵鋰電池。

根據(jù)高工鋰電，從2019年動(dòng)力電池裝機(jī)量看，三元電池裝機(jī)量約38．39GWh，同比增長(zhǎng)25％，占比約61．5％，占比提升7．7％，磷磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量約為19．98GWh，同比下滑7％，占比32％，占比下滑5．8％，錳酸鋰電池裝機(jī)電量約0．51 GWh，同比下滑54％；鈦酸鋰電池裝機(jī)電量約0．38 GWh，同比下滑23％。

在動(dòng)力電池領(lǐng)域，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是兩大主流，而三元鋰和磷酸鐵鋰的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯并且互補(bǔ)。三元鋰電池能量密度高、抗低溫效果好，碳酸鋰電池成本低、安全性能更高。

三元鋰電池能量密度基本能達(dá)到240Wh／kg，幾乎是磷酸鐵鋰電池140Wh／kg的1．7倍。燃油車和電動(dòng)車相比燃油能產(chǎn)生多余熱量，但是電動(dòng)力卻需要嚴(yán)格控制電池發(fā)熱，所以在低溫情況下電動(dòng)車要用更多額外的能量提供室內(nèi)供暖，這就會(huì)影響到低溫情況下的續(xù)航表現(xiàn)。三元鋰電池低溫使用下限值為零下 30 度比碳酸鐵鋰更低，同時(shí)在相同低溫條件下，磷酸鐵鋰電池衰減是三元鋰電池的兩倍。

盡管大部分主流車企主流車型會(huì)首選三元電池，并且裝機(jī)量呈上升趨勢(shì)，更看重的是續(xù)航能力。但是我們也能看到，目前特斯拉國產(chǎn)Model3長(zhǎng)續(xù)航版確認(rèn)三元電池方案，而低配版國產(chǎn)特斯拉車型將采購寧德時(shí)代的磷酸鐵鋰電池。

一方面可以說是特斯拉要下沉搶占市場(chǎng)，但是另外一方面，也要看到磷酸鐵鋰電池在技術(shù)上對(duì)自身缺陷的彌補(bǔ)。特斯拉采購寧德時(shí)代的碳酸鐵鋰電池也是建立在磷酸鐵鋰電池通過CTP技術(shù)彌補(bǔ)了部分短板的基礎(chǔ)上的。

CTP 技術(shù)是在磷酸鐵鋰原有基礎(chǔ)上，加強(qiáng)集成來提升能量密度。簡(jiǎn)而言之就是簡(jiǎn)化模組結(jié)構(gòu)，取消頂板、側(cè)板等零部件優(yōu)化排列。寧德時(shí)代數(shù)據(jù)顯示，使用CTP技術(shù)后，電池包零部件數(shù)量減少40％，同時(shí)省去了組裝環(huán)節(jié)，降低了電池成本。但是利用率提高了15％－20％，生產(chǎn)效率提升了50％，能量密度提升了10％－15％，可達(dá)到200Wh／kg以上。

除此之外比亞迪也發(fā)布了“刀片電池”為磷酸鐵鋰電池提升能量密度提出解決方案。比亞迪方案則是把電芯寬度拉長(zhǎng)厚度做薄，做成900mm甚至快1m的超長(zhǎng)電芯?？梢曰诓煌枨蠖ㄖ瞥叽纭Ｆ潆娦境鰳O耳方式類似于軟包兩端出極耳和方鋁殼的綜合。官方稱價(jià)格將比三元電池便宜 20％。

干電池技術(shù)和超級(jí)電容，特斯拉自研電池的未來猜想

隨著2020年奔馳、寶馬、大眾等一線品牌集中推出電動(dòng)汽車新車型，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，同時(shí)補(bǔ)貼退坡使得成本壓力增大。特斯拉選擇使用磷酸鐵鋰電池，降低成本，若2020年底特斯拉實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)低配版降至 20 萬元，特斯拉或許能通過下沉產(chǎn)品定位以及超高性價(jià)比，繼續(xù)支撐起起強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

未來特斯拉仍然將自建電池生產(chǎn)線，因此購買寧德時(shí)代的磷酸鐵鋰電池只是商業(yè)策略上階段性的選擇，而特斯拉自研的“無鈷電池”將具體采用什么材料組合目前還沒有公布。

但是我們知道，2019 年5月特斯拉在財(cái)務(wù)虧損的情況下仍然以2．18億美元溢價(jià)55％收購?fù)瑯犹幱谔潛p狀態(tài)的Maxwell。10月電池制造設(shè)備公司Hibar出現(xiàn)在了特斯拉的子公司名單上。

特斯拉自研電池技術(shù)也將是建立在Maxwel1超級(jí)電容和干電池技術(shù)基礎(chǔ)上的。目前干電池的能量密度為300Wh／kg，比特斯拉電池高出20％－40％，并且具備500Wh／kg的實(shí)現(xiàn)路徑。

主流離子電池采用的都是濕電極工藝，在制造過程中，正極或者負(fù)極材料首先會(huì)和溶劑混合，然后涂覆到電極片上。技術(shù)成熟穩(wěn)定，但是涂覆方式使能量密度受到了限制。與濕法工藝相比，理論上干電池成本大概能降低10％－20％，但是產(chǎn)能密度卻能增加1倍，電池壽命還能延長(zhǎng)，有革命性的優(yōu)勢(shì)。

超級(jí)電容的出現(xiàn)也能解決新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的另外一個(gè)缺陷。在車輛經(jīng)歷反復(fù)性啟停、加速等高倍率放電，會(huì)影響鋰電池的循環(huán)效率。在進(jìn)行動(dòng)能回收時(shí)，相比通過功率轉(zhuǎn)換單元存儲(chǔ)至電池組中，把電能存入超級(jí)電容的損耗更低。在車輛急加速過程中，相比傳統(tǒng)鋰離子電池組，超級(jí)電容也能夠以更大的功率放電，從而提升驅(qū)動(dòng)性能同時(shí)避免傳統(tǒng)鋰離子電池組大功率放電時(shí)產(chǎn)生鋰晶枝?？勺鳛閱⑼！⒛芰炕厥?、加速和充電的倍率電源。

特斯拉的自研電池可能是采用干電池技術(shù)綜合改進(jìn)鎳鈷錳三元鋰離子電池，再配合超級(jí)電容，可以在不同的工況下充分發(fā)揮兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)，提升電池放電功率和放電能力。可在容量以及循環(huán)壽命上得到顯著提升。

短時(shí)間內(nèi)三元電池仍然是主流地位，畢竟特斯拉自研電池短時(shí)間內(nèi)難以量產(chǎn)，而碳酸鐵鋰電池也在相關(guān)廠商努力下有一定突破。但是長(zhǎng)期來看，我們可以期待特斯拉干電池和超級(jí)電容技術(shù)帶來的新一輪技術(shù)革新。
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