來源丨ArsTechnica

作者丨SCOTT K. JOHNSON

編譯丨科技行者

在近期的“電池日（battery day）”活動上，特斯拉公司終於透露了其長期保密專案的一系列驚人訊息——討論了特斯拉為自家電池組做出的全方位升級與改進，並宣稱有望在未來三年內生產出25000美元價位的特斯拉汽車。但由於沒有任何具體時間表，我們無從得知哪些改進正在進行，哪些屬於計劃內專案，而哪些還要等上幾年才能真正走向現實。

為了彌補缺少數字及細節的遺憾，我們打算將公告內容與行業趨勢進行比較，藉助已經發布的研究成果，逆推特斯拉的工作進度。

罐裝電池

我們不妨先從特斯拉宣稱已經投入生產階段的兩項成果說起：新的電池設計，以及部分製造工藝層面的改進。

特斯拉目前使用的是最常見的圓柱形18650鋰離子電池，但其他大多數電動汽車更傾向於使用專門的扁平或稜柱形電池（更像是手機和膝上型電腦中使用的電池形態）。在這種圓柱形電池中，細長條狀的陽極、隔板與陰極被夾在電池芯內，然後層層捲起，並封裝成圓柱形。其中正極板與負極板之間由細長的“接線片”實現兩個端子間的連線。

提高電池能量密度的最佳方法之一，就是儘量縮小封裝部分所佔據的空間。只要將隔板做得儘可能輕薄，並不斷減少外部容器及電池元件的體積，就能讓每公斤重量儲存更多的電力。但是，這方面能夠擠出的空間明顯有限，因此另一種方法就是增加電池體積與封裝面積之間的比值——換言之，把小圓柱做成大罐子。

特斯拉在最初公佈Model 3車型與Powerwall 2170電池時，就已經實現了這一目標。這種電池的尺寸為21毫米乘以70毫米，高於18650電池的18毫米乘以65毫米。但是，電池體積的增加也給特斯拉帶來新的挑戰，因為體積越大周長越長，而周長越長意味著陽極與陰極之間用於連線電池端子的接片就得隨之延長。電子傳輸的路徑每增加一點，就會產生更多熱量，而這種難以及時散逸的熱量又成為威脅安全快速充電的隱患。

特斯拉針對這個問題推出了體積更大的4680電池。這是一種新的無極耳設計，觸頭沿著陽極與陰極板進行外沿，並在進行卷封包裝時在電池末端形成玫瑰狀的凸起結構作為接觸點。這種設計在本質上就是將導電層與電池外殼直接接觸，相較於有極耳，電流在電池中的移動距離會大幅縮短。

特斯拉公司的Drew Baglino表示，“有時候，越是簡單而優雅的東西，就越難以實現。我們嘗試了很多次，好在最終結果還算令人滿意。”

馬斯克本人則補充道，“有些人可能覺得這事沒什麼大不了，但真正瞭解電池技術的人們都能意識到，這代表著一項巨大的突破。”

圖：馬斯克與Drew Baglino展示特斯拉的全新無極耳電池設計方案。

由於具體設計屬於商業機密，我們很難把特斯拉電池與其他電動汽車中的電池進行直接比較。但以上設計思路推衍過程，也許能夠釐清特斯拉保留圓柱形電池的原因。

除了新的設計之外，還要配合製造流水線，才能把新電池真正變為成品。而特斯顯然已經找到了能夠極大提升電池各元件產量的方法。無極耳設計實際上也有助於提高產能，因為電極片能夠在電池柱體表面持續分佈。配合後文將要詳細介紹的其他調整，新款電池有望在產能增長的同時，減少工廠佔地面積與能源消耗總量，最終幫助特斯拉實現降低成本、提升產能的目標。

外卷加內卷

電動汽車可不是靠一塊電池執行的，驅動這輛龐然大物需要一整塊塞滿電池的電池組。電池組中還包含大量其他部件，包括充電管理、冷卻以及燃燒後的安全保護機制等。這一切，都讓電池封裝的工程技術與車輛容納空間成為限制整體能量密度的決定性因素，並最終影響到車輛的續航能力。

特斯拉此次也介紹了一種新的電池組設計，其中減少了部分結構性支撐，因此能夠在更小的體積中容納更多電池。另外，隨著封裝盒體的重新設計，其本身也可以同時作為汽車的車身結構，額外帶來一定程度的成本優勢。

不過特斯拉方面並沒有透露這種全新封裝方案會具體使用在哪款車型中。可能會出現在現有車型中，也可能只限於Cybertruck、特斯拉Semi甚至是馬斯克提到的“未來計劃推出的25000美元新車型”身上。究竟如何，目前尚無定論。

但馬斯克倒是著重講述了新型電池內部的化學成分。通過新的化學構成，陽極與陰極都將迎來完全不同的實現方式，翻開電池結構的新篇章。

現代鋰離子電池中的陽極主要使用石墨材料。石墨的固有結構，使其能夠容納在充電過程中不斷向陽極移動的鋰原子，但就僅此而已，再無其他作用。換言之，電池體積及重量中的相當一部分並不能直接用於儲存能量，而僅僅只是在維持電池的正常工作。如果能從這裡擠出一些體積和重量空間，那麼電池的能量密度也將有所提升。

特斯拉及其他一些製造商目前正嘗試向石墨內部新增一些矽材料，保證在相同體積的陽極中容納更多鋰原子。在這方面，純矽可能是個更好也更便宜的選項。但與石墨優異的形態穩定性不同，矽材料在吸納大量鋰原子後存在一種令人頭痛的特性——體積膨脹。這不僅可能導致矽結構內部發生故障，也會隨時間推移引發效能下降，甚至增加電池容器的使用風險。

關於陽極替代方面的研究方案不少，但還沒有任何真正投放市場的完善成果。特斯拉則宣稱，他們已設計出一種新的陽極，在導電的彈性聚合物中摻雜微小的矽顆粒以構成「生矽材料（即矽奈米線）」。該公司表示，這種新設計，能夠有效提升矽陽級電池的使用壽命與安全度。

據稱，這種電池的製造成本能夠將「石墨+矽」電池的每千瓦時約10美元下降至「純矽方案」的每千瓦時約1美元。在車輛續航里程方面，特斯拉表示提升約為20%。但本次演講並未公佈其他特性（例如是否擁有超越現有方案的陽極使用壽命），因此還不清楚特斯拉會不會在後續電池設計中實際採用這種方案。值得一提的是，負極材料供應商Sila Nano也採取了類似的設計思路，並計劃在今年年內開始推出供電子裝置使用的電池產品。

至於陰極側的化學材料設計，特斯拉也有自己的想法。根據計劃，他們打算推出三種不同型別的鋰離子電池，涵蓋從經濟型到超高效能型的多種使用場景。

圖：特斯拉公佈新計劃，將使用三種不同的陰極設計方案為多種不同使用場景提供電池方案。

特斯拉目前使用的電池仍包含「NCA物質（即鋰、鎳、鈷、鋁）」，其他電動汽車廠商則主要使用鋰鎳錳鈷的所謂「NMC材料組合」。無論哪種組合，「鈷」都是其中最昂貴的元素，且大部分產自剛果民主共和國。考慮到當地糟糕的工作條件與對童工的殘酷剝削，電動汽車行業一直在努力減少對鈷材料的使用。

特斯拉方面表示，其已經開發出兩種新的「無鈷電池方案」。第一種是「高鎳陰極電池方案」，依靠“新型塗層與摻雜劑”替代穩定的鈷元素。儘管演講中未做具體說明，但Baglino曾經將其稱為“100%鎳”配方。這套方案的能量密度最高，但成本也相當驚人，因此大概率會被應用於強調電力儲備的Cybertruck與特斯拉Semi當中。

另一種成本相對低廉的方案則採用新的「鎳錳陰極」，二者的混合比例為2:1。但馬斯克只是暗示其中不含鈷，而未做明確的說明。這套方案會在一定程度上降低能量密度，但電池成本也將大大降低。NMC陰極目前也衍生出了比例為8:1:1的無鈷配方，不知道其實現難度會不會比前面提到的“100%純鎳”配方低一些。

（這裡多提一句，任何採礦活動都會對環境造成破壞，鎳開採也不例外。）

特斯拉的第三種方案則是對傳統配方「磷酸鐵鋰（LFP）」的優化。這也是三種電池中成本最低、但能量密度也最差的方案。為了支援特斯拉在中國的運營，他們與LFP電池製造商寧德時代達成一項新的電池供應協議。今年年初，雙方協議已經獲得政府批准，可以在中國使用這種配方為本地生產的Model 3車型供能。

相較於之前提到的種種複雜、艱難的新電池設計方案，特斯拉似乎非常欣賞這套雖然陳舊但卻相當成熟的電池選項，特別是其中寬鬆的電池組體積限制。值得注意的是，電網規模的Powerpack電池儲存裝置以及未來25000美元售價的新車型也被納入這一組別當中，也許暗示著超低價位車型能否實現，就看LFP電池的成本壓縮空間了。

但這仍是一項艱鉅的任務

在成本方面，新型陽極與陰極製造工藝也將成為決定產品命運的重要因素。鋰離子電池製造商一般使用“溼法”工藝將原料混合並沉積到薄膜之上，由此製成陽極或陰極片。具體來講，生產線會將粉末狀的材料與水或其他溶劑進行混合，而後塗抹在薄膜上，並放置於大烤箱內進行乾燥。

這些乾燥爐所消耗的電力，也成為電池生產中的主要能耗來源。另外，這類工藝在工廠車間內需要佔用巨大的空間。從這兩個角度來看，新的替代方案似乎更有優勢。

正因為如此，特斯拉方面於2019年收購了一家名為Maxwell Technologies的企業。此後，就有傳聞稱“該工廠處於超負荷運轉狀態”，也有好奇之人猜測“特斯拉可能想要打造出屬於自己的超級電容”。但從根本角度出發，特斯拉想要的其實很簡單——乾式陽極與陰極製造工藝。

馬斯克提到，自收購以來，Maxwell的製造工藝已經完成了幾輪迭代。視訊中還播放了一段巨大輥子碾壓黑色粉末的鏡頭，不過這除了讓人想起擀麵條以外，似乎也沒有什麼特別的啟發性。

馬斯克還表示，新工藝還沒有做好正式投產的準備。“確切地講，我現在還不能保證新工藝的可行性。雖然能夠起效，但產物收率仍然達不到要求。”

不過可觀的回報將支援特斯拉繼續探索，因為一旦成功，乾式工藝所需要的耗電量與佔地面積僅相當於溼式工藝的十分之一，這將極大降低生產成本。正如Drew Baglino所言，單就這一點，足以讓人們假設其中的技術難關“有解”。

最後特斯拉公司希望，原材料供應商調整材料的供應形式。例如，他們目前從某家鎳供應商處得到的是硫酸鎳，還需要經過一系列化學處理才能將鎳與硫酸鹽分離，之後還得單獨處理這些硫酸鹽產物。

馬斯克宣佈，以硫酸鹽的形式供應金屬材料是一種早已過時的“陳舊方法”，應該摒棄。未來，供應商將向特斯拉提供無需額外預處理的純鎳。這裡還有一些技術空白需要填補，但特斯拉明顯是將其視為降低成本的手段之一，也表現出瞭解決問題的決心。

用錢說話

特斯拉的總體目標，是讓電池每千瓦時電量的生產成本降低56%，並讓車輛的續航里程再提高54%（按每千克電池組計算）。彭博社曾對2019年的市場價進行過估算，指出當時電池每千瓦時電量的生產成本為156美元，由此得出特斯拉將率先將這一水平拉低到100美元以內。通用汽車在今年3月的投資者日活動中，宣佈計劃在其全新電動汽車電池“平臺生命週期早期”，實現100美元以下的每千瓦時生產成本。特斯拉的時間表似乎還要更快一些。

馬斯克強調，“在實現這些優勢，大概需要12個月-18個月的時間。而在全面普及這些提升，大概還需要3年左右。”

圖：特斯拉計劃在未來幾年內實現的各項改進目標。

特斯拉能在3年之內兌現這麼多承諾嗎？這可不是他們第一次放出缺乏根據的豪言了。會不會某些技術在真正面世的時候，與現在的宣傳會出現很大差距？

但無論如何，特斯拉確實給電池技術設定了野心勃勃的發展目標——到2030年，全球電池的年度總儲電量將提高100倍以上。除了擴大現有生產設施以外，新的電池設計方案與新的生產體系規劃也將非常重要。而這一切，都將取決於特斯拉此次公佈的各項階段性發展目標能否按期完成、順利實現。

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