高舉“無鈷”大旗，馬斯克進軍電池界

“‘低鈷’和‘無鈷’是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢?！?談及電池產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院助理教授、電池安全實驗室主任馮旭寧指出。對此，中國科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師、天目湖先進儲能技術(shù)研究院首席科學(xué)家吳凡也表達了相同的觀點：“對鋰離子電池正極材料而言，‘高鎳低鈷’或‘無鈷’化是大勢所趨。”

在過去 20 年里，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展一路突飛猛進，如 CPU 工藝技術(shù)一直遵循摩爾定律，性能每隔兩年就能翻一倍。

然而，電池技術(shù)卻沒有取得太大突破，縱然每年都會有各種 “XX 新型電池” 的新聞沖上熱搜，但最終還是淪為 “PPT 電池”：或是因為技術(shù)工藝，或是因為成本造價，或是因為安全性等各種因素，始終走不出實驗室，難以大規(guī)模量產(chǎn)和普及。

就現(xiàn)階段而言，不管新能源行業(yè)怎么 “大放豪言”，電池一直都是擋在電動汽車發(fā)展道路上的絆腳石。

高舉 “無鈷” 大旗，馬斯克進軍電池界

隨著 2020 年特斯拉 “電池日” 上 4680 電池的正式亮相，電池界又多了一位 “新玩家”，更確切地說應(yīng)該是 “攪局者”。按照馬斯克以往的 “風(fēng)格”，他每進入到一個行業(yè)必定會掀起一場腥風(fēng)血雨。

電池占據(jù)整車成本的大頭，那接下來特斯拉造電池的成本如何控制呢？這就不得不提到電池中的重要成分 —— 鈷。這種原子序數(shù)為 27，在化學(xué)元素周期表中位于第 4 周期、第 Ⅷ 族的金屬，是電池制造中必不可少的正極原材料（至少現(xiàn)階段依然不可或缺）。

圖 | 鈷在元素周期表中的位置（來源：網(wǎng)絡(luò)）

“電池行業(yè)對鈷的消費量最大，占比超 50%。鈷是活性物質(zhì)，既能穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，又能減小陽離子混排，便于材料深度放電，從而提高材料的放電容量、循環(huán)性和倍率性能；鎳可以提高材料活性，提高能量密度。” 吳凡表示。

在自然界礦石中，鈷和鎳是共生的關(guān)系，其占比為 1:10，即從礦石里面提純一份的鈷，同時能得到十份的鎳?！暗掃@種元素存在兩個缺點。第一，鈷具有一定的毒性；第二，鈷的提純比較困難?！?馮旭寧說道。

另外，鈷資源的缺乏也是不利因素?！澳壳叭蛞烟矫麝懙剽捹Y源量約 2500 萬噸，儲量 720 萬噸，主要集中在剛果（金）、澳大利亞和古巴，三國儲量之和占全球總儲量的 68%。剛果（金）儲量居世界首位，達 340 萬噸?！?吳凡指出，“鈷由于其稀缺性已成為戰(zhàn)略性稀有金屬資源，同時其供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)集中化、不穩(wěn)定，已成為新能源汽車發(fā)展的掣肘?！?/p>

產(chǎn)量少 + 提純難造成了鈷的價格不斷攀升，也就造成了電池的成本居高不下。

那電池能不能 “無鈷” 呢？答案是可以的。

“低鈷” 乃至 “無鈷” 既是特斯拉接下來要走的路線，也是需要克服的難題，這一點馬斯克在 2020 年 “電池日” 上也已經(jīng)明確表態(tài)。據(jù)了解，早在 2019 年 1 月，Jeff Dahn（現(xiàn)為特斯拉首席科學(xué)家）曾發(fā)表過一篇論文指出鋰電池正極材料 “無鈷高鎳” 的可行性，畢竟鎳在自然界比鈷多得多，提純也相對容易一些。無疑，正是 Jeff Dahn 的觀點極大地堅定了馬斯克要造 “無鈷電池” 的信心。

談及 Jeff Dahn，馮旭寧告訴 DeepTech：“關(guān)于鋰電池材料尤其是無鈷材料，Dahn 先生課題組很早就開展研究了。Jeff Dahn 先生是少數(shù)經(jīng)歷過鋰電技術(shù)全程研發(fā)且仍在技術(shù)一線的科學(xué)家之一?！?/p>

對于電池 “無鈷” 化，馮旭寧表示：“‘低鈷’和‘無鈷’是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢。但在電池‘無鈷’化的同時需要添加其他的離子來替代鈷在電池充放電過程中的作用?！?/p>

盡管特斯拉現(xiàn)階段的電池還離不開鈷，但縱觀過往其歷代電池，其鈷含量正在不斷降低，最終實現(xiàn)電池 “無鈷” 化指日可待。

被逼無奈，特斯拉走向自研自產(chǎn)電池之路

作為新能源汽車領(lǐng)域的 “大哥”，特斯拉知曉固態(tài)電池和石墨烯電池的優(yōu)勢，但未來幾年特斯拉之所以不打算做固態(tài)和石墨烯，而是繼續(xù) “深耕” 鋰離子電池，原因主要歸結(jié)為兩點。

第一，受制于供應(yīng)商的電池技術(shù)。

在電池供應(yīng)方面，特斯拉和松下、LG 化學(xué)、寧德時代都有合作，特斯拉汽車所使用的 1865 電池和 2170 電池皆由他們提供，但受制于性能、安全、規(guī)模、價格等綜合因素的權(quán)衡，圓柱形鋰離子電池是目前供應(yīng)商能給特斯拉的最好電池。

顯然，這離特斯拉心目中的 “理想電池” 還有一些差距。既然自己想要的電池供應(yīng)商給不了，于是特斯拉便走向了 “自研 + 自產(chǎn)” 電池的道路。

所謂 “術(shù)業(yè)有專攻”，特斯拉在電池領(lǐng)域的積累顯然不如松下等老牌供應(yīng)商，故此其花重金請來鋰離子電池界的祖師級人物 ——Jeff Dahn 親自掛帥擔任特斯拉首席科學(xué)家，開發(fā) “不可能三角” 電池，這是一種能量密度更高、充電速度更快、制造成本更低的鋰離子電池。

Jeff Dahn 也不辱使命，時隔一年便交上一份讓馬斯克滿意的答卷，盡管 4680 電池還存在些許不足，但它的綜合性能很好地提振了行業(yè)信心。

從第三方采購、到合資建廠、再到自研自產(chǎn)，特斯拉在電池道路上儼然走出了自己的步伐?？梢灶A(yù)見，未來幾年內(nèi)特斯拉將繼續(xù)沿著現(xiàn)有成熟路線使用圓柱形電池的多并聯(lián)方案、繼續(xù)開發(fā)大容量鋰離子電池。

第二，特斯拉的商業(yè)策略。

特斯拉歸根結(jié)底是一家車企，是企業(yè)就要盈利，想盈利就要控制成本。固態(tài)電池雖然無比優(yōu)越，但現(xiàn)階段不論是技術(shù)還是工藝都存在瓶頸，完全不具備規(guī)?；慨a(chǎn)的可能，而且成本高高在上，沒有商業(yè)化的實用價值。在特斯拉看來，使用成熟的鋰離子電池是當下更優(yōu)的解決方案。

特斯拉之所以如此關(guān)注電池，是因為除了影響整車的性能表現(xiàn)之外，電池在整車成本占比高達 40%，只有電池成本降下來，整車成本才能降下來。這也正是為什么 2020 年 “電池日” 上馬斯克宣稱要在三年內(nèi)推出一款 2.5 萬美元（約合 16 萬人民幣）的電動汽車，其底氣正是來自 4680 電池的成本已降低 56%。

特斯拉的商業(yè)策略是 “低價搶市場” ，以加速全球市場拓展。隨著蘋果等互聯(lián)網(wǎng)大廠也宣布要造車，現(xiàn)階段特斯拉要做的是盡快搶占市場，靠的就是低價。對廣大消費者而言，價格依然還是眾多因素中最優(yōu)先考慮的，比如之前特斯拉宣布降價時，官網(wǎng)一度癱瘓、線下門店擠得水泄不通。

和國內(nèi)一些新能源車企不惜代價大搞 “千公里續(xù)航” 不同，特斯拉更看重電池的成本。前有電池技術(shù)瓶頸的掣肘，后有來自互聯(lián)網(wǎng)大廠的圍攻，該公司現(xiàn)在最想做的是盡快降低電動汽車價格，以更低的價格占領(lǐng)市場，讓市場快速達到飽和。

業(yè)內(nèi)人士：4680 電池并沒有達到預(yù)期

對于特斯拉 4680 電池，吳凡表達了自己的看法：“特斯拉主要通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)件、簡化電池生產(chǎn)工藝流程等，提升電池標準化生產(chǎn)能力，達到降低電池成本的目的。這種通過增加單塊電池體積來增加電池包能量密度的技術(shù)路線或思路在本質(zhì)上與比亞迪的刀片電池、還有寧德時代的 CTP 技術(shù)是一致的?！?/p>

電池并聯(lián)太多會導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)熱、效率低等不良影響，大容量電池可以有效減少并聯(lián)數(shù)，系統(tǒng)管理層面也變得更加簡單。“大容量化是整個新能源汽車電池行業(yè)的趨勢?！?馮旭寧表示。

單看特斯拉的 PPT 介紹，4680 電池的性能表現(xiàn)著實令人贊嘆，仿佛再次讓業(yè)界看到了希望。然而在業(yè)內(nèi)人士看來，這種電池并沒有達到預(yù)期。

“特斯拉在電動汽車領(lǐng)域?qū)儆跇藯U型企業(yè)，它對于電池的理解也會更加深刻，由于關(guān)注度過高的原因，大眾對它可以說是‘寄予厚望’，業(yè)內(nèi)人士覺得 4680 電池并沒有達到預(yù)期?！?馮旭寧說?！安豢煞裾J的是，特斯拉 4680 電池的綜合性能依然位列國際第一梯隊，但前面要加一個定語 —— 在圓柱形鋰離子電池范疇里。” 他隨后補充道。

嚴格意義來講，特斯拉 4680 電池更像是一次 “優(yōu)化升級”，而非 “革命”。

另外，特斯拉的這種圓柱形鋰電池容量也有 “天花板”。“主要是因為圓柱形鋰電池需要卷芯，外圍部分性能較好，但越靠近核心位置曲率越大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，造成活性物質(zhì)不可用，進而形成浪費。所以這種電池容量是有上限的，沒辦法做得特別大?！?馮旭寧表示。未來，轉(zhuǎn)向其他電池，比如業(yè)界普遍看好的固態(tài)電池或許是更好的出路。

目前的固態(tài)電池和石墨烯電池其實正處于過渡階段，即固態(tài)電解質(zhì)和石墨烯還只是屬于 “添加劑” 性質(zhì)?！氨热缭阡囯x子電池中添加固體電解質(zhì)以增加能量密度、提升安全性；在負極添加石墨烯以增強導(dǎo)電性、提高充電速度。兩者添加得越多，性能就越好，但相應(yīng)的工藝難度和制造成本也就越高?！?馮旭寧說道。

顯然，不論是固態(tài)電池還是石墨烯電池，現(xiàn)階段都不具備量產(chǎn)的可能性。

特斯拉的鐵人三項：做電池、搞快充、建電樁

電池直接關(guān)系到汽車整體性能表現(xiàn)，而日常駕駛讓車主感到焦慮的，除了續(xù)航里程，再就是充電速度。

“續(xù)航里程對應(yīng)的是電池的能量密度，充電速度對應(yīng)的是電池的功率密度。” 馮旭寧說，“想提高能量密度可以電極做得厚一些，想提高功率密度可以電極做得薄一些，但這兩者是矛盾的，這就需要電池廠商在設(shè)計電池的過程中去綜合考量，進行權(quán)衡和取舍。” 他補充道。

“快充技術(shù)，電池廠商和車企各負責一半?！?馮旭寧表示。電池廠商能做的是 “電池先天的” 導(dǎo)電能力強，比如添加導(dǎo)電劑，控制電芯預(yù)緊力，將電極做成梯度電極或薄電極等；車企能做的是 “電池后天的” 充電過程中對電流進行控制，讓電池充電過程中不過熱，不損壞電極材料?！澳壳?，行業(yè)的目標是充電 5 分鐘能跑 200 公里?！?他說。

特斯拉的快充技術(shù)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，其采用 “高功率直流電” 模式，充電功率達 40kW 以上，比如特斯拉超級充電站可以實現(xiàn) 30 分鐘充一半，80 分鐘完全充滿。在充電站 / 樁建設(shè)方面，特斯拉更是走在世界前列。據(jù)統(tǒng)計，特斯拉在全球范圍擁有超過 2 萬個超級充電樁。在中國大陸擁有 750 余個超級充電站、6000 余個超級充電樁，覆蓋 300 個以上的城市。

關(guān)于電動汽車淘汰下來的廢舊電池污染問題。馮旭寧表示，“廢舊電池是污染源主要指的是重金屬污染，比如鉛酸電池里的鉛，鎳鎘電池里的鎘，而鋰離子電池內(nèi)部的原料毒性較低（鋰離子電池中鈷的占比大約為 1-3%，），一般不會對土壤造成重金屬殘留?！?/p>

馬斯克在 2020 年 “電池日” 上也曾公開表示：“廢舊電池可以進行收回利用，用于低配車型或者太陽能等有儲能需求的領(lǐng)域，這樣也能進一步降低電池的使用成本?！?/p>

對此，馮旭寧說：“電池回收一般分兩類，一類是在高負荷下用完之后，到低負荷下繼續(xù)使用，比如一些 5G 通信基站可以利用電動汽車淘汰下來的舊電池；另一類就是直接報廢，通過物理法破碎成原材料，分離出電池中的有用金屬，比如銅、鋁、鈷、鎳等，再重新送回電池廠加工成電池，這方面回收效率非常高，接近 100%?！?/p>

與此同時，吳凡也指出了現(xiàn)階段電池回收產(chǎn)業(yè)存在的一些問題：“第一，電池廠商多且使用很分散，廢電池收集缺乏有效渠道；第二，電池剩余壽命以及回收價格評估難；第三，電池拆解難度大，且存在一定安全隱患；第四，電池回收涉及行業(yè)眾多，商業(yè)模式需要進一步探索和完善?！?/p>

從硬件研發(fā)到軟件布局，特斯拉在下一盤大棋

以往，人們對于傳統(tǒng)燃油汽車的認知僅僅停留在 “硬件” 層面，認為汽車只是一個代步工具而已。到了如今的新能源汽車時代，人們發(fā)現(xiàn)原來汽車也是可以搭載操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)智能化的。

在電動汽車的硬件中，電池無疑是最為核心的部分；而在軟件中，全自動駕駛是核心，比如特斯拉的 FSD（Full Self-Driving）在業(yè)內(nèi)就像標桿一般的存在，且收費不菲。據(jù)了解，目前特斯拉 FSD 套件在中國的售價高達 6.4 萬元?！疤厮估臉I(yè)務(wù)布局將會變得和蘋果越來越像，未來，特斯拉可能會變成一個服務(wù)商，不單靠賣汽車硬件，更多的是通過軟件服務(wù)實現(xiàn)盈利?！?一位業(yè)內(nèi)資深人士告訴 DeepTech。

從電動汽車硬件到車載系統(tǒng)軟件，從電池技術(shù)、整車組裝，到 FSD 以及軟件生態(tài)，不難看出，特斯拉正在下一盤大棋。

原文標題：如何造出一輛16萬元的特斯拉？馬斯克押注“無鈷高鎳”電池，專家：無鈷是發(fā)展趨勢

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責任編輯：haq