1. # 特斯拉

换做别人,这能开 5 场发布会

这即革命

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美国时间 9 月 22 日,特斯拉在位于加州的 Fremont 工厂内召开了集团的首个电池日。在发布会的几个小时里,Elon Musk 郑重且略带自豪地向全世界展示了特斯拉在改进动力电池上取得的进展,屏幕前的我们从股东提议时的昏昏欲睡到最后电池部分结束的「高潮迭起」,期间是一次次的惊喜叠加,虽然本次的内容多为几年内的长期计划,但已足够振奋人心。

电池日信息汇总

电池日的开头,Elon 展示了一张动力电池成本随时间变化的 PPT,可以看出,随着电池成本越来越低,电池成本的下降的速率是逐渐放缓的,类似于充电快充满了,充电功率就下降了的感觉。

这个成本降低的趋势 Elon 觉得太慢了,于是开始铺垫

在电池日的下半场,特斯拉从 5 个点上介绍了自己在动力电池上做出的革新,无一不震撼人心,最后带来的结果如下:

在当前已经很低的动力电池成本下,特斯拉全方位的措施让其再获得了 56% 的整体动力电池成本降低,54% 的续航提升以及每投产 1GWh 电池花费上 69% 的减少

这样的效果带来的一个直接的节点就是含动力电池的电驱动力总成成本可以低于内燃机的动力总成成本。特斯拉在这一基础上也将推出一款 25000 美金的入门级产品,计划量产时间在预计在 3 年以后。

回到电池日的核心,关键的是特斯拉的实现上述结果的 5 个大改进,而这些内容就让我们从最重磅的开始。

集成式底盘:史无前例的车辆工程创新

特斯拉这次把电池包做成了底盘的核心,底盘和电池融为一体,既是电芯的容器,也是结构件。这里头,特斯拉还给电池包做了去模组化,没有模组中间件,电池包内只有电芯,包空间最大化利用。

更厉害的,是特斯拉这次将底盘分为了前、中、后三大块,电池只是中间的那块,车头和车尾是由合金铸造而成的两个巨大单体结构。

而这种由三个大型单体拼接而成底盘结构相比传统的汽车/电动车在强度上大幅提升,Elon 表示用这种结构做的敞篷车强度甚至会强于目前的硬顶车。

其中车头车尾的大型单体结构是由全球最大的铸造设备制成,在研发阶段还面临过一个问题:市面上没有任何一种合金材料可以完成这种级别的单体铸造要求。于是特斯拉自己开发了一种前所未有的合金配方实现了材料层面的需求。

结果:整体电池成本降低 7%,整体续航提升 14%,整体减重 10%,制造底盘所需零件减少 370 件。

形变了,芯也变了

看到上面底盘截面的那张图了吗,是不是觉得电芯长得不太一样了?没错,这是本次电池日的又一大核心重点内容——新的圆柱电芯。

新电芯名为 4680 电芯,直径 46mm,长度 80mm,外观上可以很直接的看出来电芯变大了,如 2170 之于 1865 那样,这次更大的单体同样起到了减少整体的电芯部分中间件的效果,减小这部分的中间件一来可以降低生产成本,二来可以带来续航提升。

但是增加圆柱体积其实也会增加散热上的难度,同样要考虑的还有安全,一味地增大电芯到了某一阶段甚至会给续航带来反作用。特斯拉经过研究发现电池直径在 46mm 的时候是一个成本和续航的最佳的平衡点,这也是「46」这一尺寸的来源。

4680 厉害之处不止更大,其电芯内部结构上用了无极耳电极的结构,在去掉极耳(图一电池两侧的条状物)后,电芯集流体与电芯盖板/外壳直接相连,两者接触面积更大的同时电流的传导距离也大幅变短,由此带来电芯内阻的大幅减小,电芯通电状态产热也更少。既解决了大电芯散热问题,又提升了电芯的最高电流输出。最终 4680 电芯相比 2170 电芯单体容量增加 5 倍,单电芯输出提升 6 倍(6/5 推算出输出功率密度提升 20%)。

结果:整体电池成本降低 14%,整体续航提升 16%。

无钴正极

如此前的传言所说,特斯拉在电芯的化学配方展示新了无钴配方。电芯的正极上特斯拉做到了 0 用钴,取而代之的是高镍配方。在电芯正极材料的选用上,可选项有钴、镍、铁,原材料价格上钴的单价最高,能量密度略逊于镍,镍的成本比钴低了 1/3 不止,密度还稍高,还有铁,最便宜但是密度几乎是前两者的一半左右。如果综合考虑成本和能量密度,镍是最优选择,可镍的化学性质活跃,高镍配方给热管理带来的挑战是巨大的。

为了解决这个问题,特斯拉为高镍正极包覆上了专门新型涂层并掺入了对应的添加剂,最后在无钴高镍配方之下做到了可接受的热管理。而前面无极耳电极的设计也为高镍电池的热管理做出了贡献。

不过除去高续航产品上会用高镍电池,特斯拉在自己的其他车型上还是会用常见的含钴电池与铁电池。

特斯拉的工程师研究电池的成本构成时还发现了一个问题,生产成本占据了电池正极成本的 35%,而他们进一步研究后还发现这个生产过程非常繁琐和耗时,包含 4 个大环节和大环节下各种棘手的小环节。

这时候特斯拉决定对生产下手,简化制造环节。

「Simple is hard」,想「偷懒」是要花功夫的。特斯拉在这个过程中做了大量的减法,把分离的制造环节尽量整合成一个,大幅降低了制造业中耗时的物料转移和上下料过程。其中正极硫酸盐的制造过程繁杂且会产生大量的污水,特斯拉用了一个无需硫酸盐化的过程直接跳过了这一步骤,配合其他的一系列优化,最终的制造优化成了总共只有 3 个大环节和 4 个小环节的过程,正极生产过程的成本降低 76%,建厂成本降低 66%。

结果:整体电池成本降低 15%,整体续航提升 4% ,配方无钴。

渗硅负极

电池日封面图形还有印象吧,那是电芯里渗硅负极的显微图像,Elon 穿着的 T 恤前面印的也是这个。Elon 说硅作为电池负极材料从性能上是非常好的选择,因为其能量密度极高,其可储存锂金属为石墨负极的 9 倍,同时地球上硅元素的含量还极高,仅次于氧元素,存量不用担心。

但用硅作为负极有一个致命缺陷,其膨胀可达自身体积的 4 倍,而这样的膨胀会造成负极结构上的破坏,对应的问题就是硅负极材料的电芯循环次数不行。

包括硅纳米线在内的多种硅负极结构都没法很好解决这一问题,但是既然特斯拉用了,肯定是问题搞定了才会采用。Elon 说为了改善膨胀带来的负面问题,特斯拉做了两个措施,先是降低了负极的硅含量(20%),另外还给负极的硅元素裹上了弹性的离子粘结物,减少其膨胀,增加了渗硅负极电芯的循环寿命。

结果:电池成本降低 5%(1.2 美金/kWh 的负极成本),20% 的续航提升。

生产,同样惊艳

上面的几部分都是「被生产物」,而工厂这个基础设备作为特斯拉的产品之一在这次的「电池大跃进中」也发挥了重要的作用。

纵观制造业,特斯拉发现打印行业和瓶装饮料行业的自动化程度异常突出,效率极高的同时成本也非常便宜。从中获得灵感的特斯拉决定在自己的生产中实现一体化。首先,特斯拉花了大量的经历去省掉「电解液制成溶剂」的环节,取而代之的之是固态的电极粉末直接压进电芯的卷膜,Elon 说这看似简单的步骤工艺上实现起来非常有挑战性,但一旦实现,带来的效果是这一生产环节上 10 倍的空间利用率和 1/10 的能源消耗,当前已经非常接近于量产。

组装环节,特斯拉打造了无停顿的组装产线,用 Elon 的话说,这就是制造环节的高速公路,没有红绿灯,一路通行。那么这样的组装线有怎么样的提升呢?1 条产线即可达成 20 GWh 的产能,产出效率为此前的 7 倍

诀窍?「Design the entire machine as one machine」。做到工厂层级的高度集成化,移除所有的非必须环节。

Elon 说,这方面特斯拉的目标是要做全球、所有行业中好的制造企业,长期来说,工厂层级的进步对于特斯拉是最重要的,也是实现可再生能源之路的关键一环。

如果这还不够,Elon 还补充了这么一句:工厂优势其他人难以复制。

结果:电整体池成本降低 18%,工厂的建设耗费减少 34%。

小结

车辆结构改进+电芯结构改进+正极改进+负极改进+工厂改进,特在这 5 个大环节的共同努力之下,特斯拉最后实现了这次在电池上成本降低 56%,续航提高 54% 的跨越级的进步,大幅偏离行业规律的成本曲线下特斯拉也凭一己之力告诉世人:电动车行业,我的趋势我自己来定

再看第一性原理

电池日的内容看完的头几十分钟里我满脑子都是「牛X」,可以说,特斯拉的 5 大电池改进环节中的每一个都可以拓展出巨量篇幅的话题,但我已经极度困倦,夹杂着发布会上的各种记忆碎片,我打了个盹。

睡醒之后,我又把整理的内容再看了一遍,不过这次,我带着几个问题:

特斯拉为什么要做这些,它是如何发现上述各种环节上的不足又是这么解决的,以及更高层次的,这对特斯拉的可持续能源实现有什么意义?

首先,比较直观和符合大众理解的层面,我觉得作为一家上市企业,特斯拉一定是追求利润的,而降本也成了理所应当的事情。不过这次的震撼在于特斯拉对电池的降本是直接腰斩 56%,在当前 Model 3 的成本控制就已经做得不错的前提下,这般「努力」多少显得不同寻常,总感觉特斯拉在和什么东西较劲。

再回顾一遍发布会,这张图片让我有了一点头绪。

很早之前,同事问了我一个问题:「你知道特斯拉为什么要从 Model S/X 开始做电动车吗?」

我当时的回答是,因为特斯拉想定位高端。

「那只是一方面,更重要的原因是当时的动力电池价格只有那种级别的车才能吃得下。」同事说到,「你可以思考一下,如果 Model 3 什么都不变,只是提前 5 年问世,特斯拉就不会有今天的景象了。」

其实现在回过头再来理解这番话,可以翻译为「那时的电动车成本比起燃油车没有优势,定位越低的车型受动力电池成本导致的价格劣势就越明显。」

或者可以翻译成一个结论:特斯拉品牌越往低端产品线下探越说明动力电池成本有竞争力

而当今天特斯拉宣布的 3 年后 25000 美金的紧凑型新车量产也说明了在保证利润率的前提下,紧凑型车这个象征着传统高端品牌底线的车型,特斯拉已经做得来了。

而经过前面 5 大环节长篇的铺垫,结合 56% 的电池成本降低,那句「EV 动力总成成本低于燃油车」看上去婉如一个总结。

然后是第二个问题,特斯拉是这么发现各种环节上的不足并解决的?

再来回顾一下特斯拉这次干了什么:

电池结构上增大电芯,减少电芯数,减少电芯内中间件;
电极上减少稀有金属的使用,增加高密度元素;
工厂上大幅去除不必要环节,无法减少的环节做集成整合,减少生产中转移和停顿;
底盘结构上结构「集成化」,电池包与底盘集成一体,车体用大部件单体代替大量的零件。
你可以看出,从小到到大,特斯拉所做的减法其实都是在「去中间」化,而特斯拉做的加法都是把无法剔除的环节集成化。

没错,熟悉的「第一性原理」。

这个特斯拉标签级的特性,不止一次被 Elon 提起,包括这次电池日。

要把车卖便宜,肯定要减少交易环节,所以特斯拉直营;因为电池原材料不贵,所以只要优化制造环节,电池的成本就可以持续接近原材料价格;零件多了装配就麻烦、结构强度也会降低,所以特斯拉把车身做成三个单体......

在行业的前辈们看来,执着于「第一性原理」的特斯拉很多时候是不可理喻的,巨大挑战面前特斯拉的简单构思显得有点幼稚和外行。但每当特斯拉完成一个又一个的不可能,驱使特斯发起挑战的「第一性原理」又总会显得格外耀眼。

「Simple is hard.」

Simple 不是简单,是极致。

那这和特斯拉的宗旨「推动全球向可持续能源转变」有何联系呢?特斯拉做的事情,直观上不都是让车更便宜更有竞争力吗?

是的,换个说法,直接效果都是为了卖更多的车。用更便宜,更极致的产品力来吸引全球消费者买更多的特斯拉。

然后呢?特斯拉期望的「更多」是多到足矣转变能源结构的「更多」,当电动车卖得足够多,动力电池产量就会更大,对应的会让动力电池的成本更便宜,然后又可以车辆降低成本卖更多的车。

而在这个过程中,电池成本的门槛被不断拉低,电池的性能不断提高。某一天,当电池的价格低到电池储能业务可以轻松盈利,当电池的产能已经远不只能满足造车,你可以想象一个这样的场景:满大街都是电动车,家家户户有储能电站,这些储能网点灵活得地与电网构成我们新的社会能源体系,一个靠电即可运行的能源体系。

而这个场景追溯下来,是像今天这样从一个电芯的结构优化开始的。

有人在看完电池日发表看法说:就这?我想说的是,是的就这。特斯拉每一步都踩在基础科学和工艺流程的优化改进上,从第一天开始践行第一性原理,推进电动车和燃油车的同价位高性能,推进可持续能源的发展。

就这,特斯拉一直都是那个特斯拉,从未改变。







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