更深刻理解汽车产业变革
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出品：电动星球 News
作者：Maximilian Holland
编译：毓肥
编者按：
当地时间 9 月 22 号，可能是特斯拉本年度，甚至是汽车世界本年度最重要的一场发布会——battery day，就将开幕。
动力电池能否在 2020 年达到 100 美元/kWh 的成本甜点？电动汽车的实际续航能否完全媲美汽油车？大家都将希望放在了 4 天之后的加州 Fremont 工厂。
前两天，cleantechnica.com 的作者 Maximilian Holland 写了一篇「剧透」，预测了特斯拉电池日的几大技术看点，以及背后的商业逻辑。
我们今天将文章翻译成中文分享给大家，文章在不影响原意的基础上略有删减，大家 enjoy，周末愉快。
《马斯克已经泄露了扩大电动革命规模的电池技术吗？》
距离特斯拉电池日还有不到一周。在我看来，对于电池日当天到底会发布什么，有关评论依然在忽略已经发生的事实。
那肯定会是一场激动人心的技术发布会，还会有很多「one more thing」时刻。马斯克也可能早已透露那些扩大特斯拉「推动世界加速向可持续能源转型」能力的电池技术。
马斯克说了什么？
我们从头开始。以下是马斯克在二季度财报会议上说过的话：
「真正限制特斯拉成长的，是以实惠的价格生产电池，这是真实存在的限制。所以我们会在电池日着重去聊这方面，因为这是最基础的规模制约。」
「主要的锂电池有两种，磷酸铁和镍。镍锂电池拥有更高的能量密度，所以长续航应用，比如说 SEMI 卡车，自然需要用到它们。因为每一个你加在电池包的单元重量，你都会在载货能力里失去它。所以重量效率和长续航电池很重要。」
「然而，我们能看到我们乘用车的能量效率已经做得足够好，所以我们完全可以在中国产的 Model 3（参数丨图片） 上用磷酸铁锂电池，今年晚些时候就将大规模量产。我们计算了动力总成和总体的效率之后，认为锂电池可以将续航里程提升至接近 300 英里（480 公里）。」
磷酸铁锂当然没有很高的能量密度，但磷酸铁锂的低成本和大规模生产潜力却正是电动革命需要的。在可以预见的未来，磷酸铁锂依然比镍锂电池每 kWh 成本低了 20%。
想要征服主流市场，电动车不需要超长里程
2012 款特斯拉 Model S 已经拥有了 265 英里（426 公里）的 EPA 续航，充电 35 分钟就可以跑一段不短的路程。2017 年的特斯拉 Model 3 续航已经来到了 300 英里（480 公里），跑同样的路只需要充电 20 分钟。
这些车辆已经具有足够的技术，可以代替一部用户的燃油车，但由于其价格，而无法满足真正的大众市场需求。
电动汽车已拥有更多人接受的能力，但要占领市场主导地位，价格要比目前为止的电动汽车还低。电池组是电动汽车中成本最高的单个组件，因此降低电池成本是关键。
过去三年来，欧洲销量最高的车型是大众高尔夫（德国价格 19,881 欧元起，含税），雷诺 Clio（13,540 欧元）和大众 Polo（15,138 欧元）。平均约为 16,200 欧元（12.96 万元），这是欧洲「主流市场」的价格。
至于美国，最畅销的是丰田 RAV4（税前起价 25,850 美元），日产 Rogue（25,200 美元）和本田 CR-V（25,000 美元），平均约为 25,350 美元（17.13 万元）。
当然，有小部分聪明人的人知道，25 万公里的寿命中，EV 可以为他们节省至少 25,000 欧元的燃料成本。但是大多数消费者依然考虑一次性支出的成本，而不是随时间推移的增量。
尽管省钱存在于整个生命周期，但电动汽车的前期标价，仍然需要降低至接近上述价格点，才能获得更高的大众市场吸引力。LFP （LiFePO4，磷酸锂）是迄今为止最具成本效益的 EV 电池技术，是降低 EV 价格的最直接方法。
LFP 成本优势的背后是什么？
尽管这不是主要成本构成，但镍电池需要的氢氧化锂，其实也比 LFP 电池需要的磷酸锂更昂贵。镍锂动力电池已经消耗了世界上目前大部分的钴供应，除非开采的矿物质量能够快速变化，否则一旦电动汽车接近全球汽车市场份额的 20％ 至 25％，它们会占用大部分 1 类镍。
而仅仅今年，电动汽车消耗的 1 类镍在欧洲的市场份额，已经达到 10％ 左右。
LFP 则避免了所有这些限制，因为当前开采的构成矿物相对丰富（铁，磷酸盐、锰），因此矿物价格低廉。（据路透社的报道，LFP 的装机水平已经达到了 80 美元/千瓦时）
随着时间的推移，它仍有进一步下降的潜力，因为 LFP 远未达到矿产成本底线。LFP 的矿物质成分如此丰富，以至于即使售出的几乎所有车辆都是电动汽车，也将有足够的矿物质来提供所需的电池。
镍钴电池依然是特斯拉的「光环」
镍钴电池在成本上并不具有竞争力，但是与 LFP 电池相比，具有明显能量密度优势，并且它们的能量密度在将来依然有可观的成长空间。
不过，对于已经有能力满足需求的主流市场电动汽车，不应该再严格要求更高的能量密度。而且就这类汽车来说，它（用镍锂电池）在成本方面难以与 LFP 竞争。
所以，镍锂电池的能量密度优势，更多与长续航电动汽车（比如 480-640 公里 EPA 续航），或者需要轻量化优势的电动汽车密切相关。比如特斯拉的 SEMI 卡车，就像马斯克说过的，卡车的重量和货物负载成反比。
特斯拉的 Roadrunner 项目
2020 年 3 月，一份有关特斯拉新型电池项目的环境研究文件浮出水面。该文件描述了特斯拉在 Fremont Kato 地区新设的拟议建筑工程，「以容纳新的电池制造设备和研发空间（命名为 ROADRUNNER）」。
特斯拉尚未公开谈论该项目，但几乎可以肯定，Roadrunner 将成为电池日的重要角色。研究文件揭示了以下细节：
在加藤道路大楼建设 29,475 平方英尺（2738 平方米）的制造和研发空间，并在相邻的 Page 大楼增加一些现有空间。
至少增加 400 名生产员工，并在任何时候至少安排每班 100 名员工。
每天需要额外增加 200 MWh 的电力来支持该项目：对于传统的电池生产方法而言，这可以满足每天约 3,000 kWh 的电池生产量（相当于每年 11,000 个 100 kWh 电池组）。
但是，Roadrunner 的重点是达到更高效的电池制造，例如高能效干电极生产工艺，该工艺不需要溶剂干燥箱。新工艺或将大大加速特斯拉的电池生产速度，每年或将增加 20,000 个 100 kWh 的电池包产能。
泄露的文件同时提到镍钴铝和镍钴锰材料，这表明特斯拉现有的所有镍钴负极方案都将生产。另外，泄露的材料并未提及 Roadrunner 涉及任何 LFP 电池的方案。
截至一个月前，Roadrunner 的主要建设工作已接近完成（根据Gabeincal YouTube 频道航拍）。而根据 Cleantechnica 的其他报道，Roadrunner 可能会采用大量从未公开的新技术，包括：
Hibar 公司的电解液填充技术。2019 年 10 月，特斯拉秘密收购了加拿大电池制造设备生产商 Hibar。Hibar 成立于 2003 年，总部位于加拿大安大略省，在德国、中国宁波、佛山均有工厂，主要以精密计量泵、注液系统及电池制造系统而著名。
Maxwell 公司的干电极技术。Maxwell 自 2011 年 10 月起，与美国动力电池企业 A123 及美国能源部联合研发干电极技术。干电极技术极大简化了传统湿电极制作流程，同时可以提升电池能量密度。
以及特斯拉自研的无极耳技术。2020 年 5 月特斯拉一项专利被披露，其中显示了将传统圆柱电芯的极耳结构取消，降低内阻，从而减少发热量，延长电池寿命，并提高充放电峰值功率。
除了以上所有，特斯拉还可能在我们尚不了解的环节，采用其他电池技术和制造创新。比如最近的消息表明，Roadrunner 电芯的直径可能为 2170 电芯的两倍。如果这样的话，这将从电芯维度增加能量密度，并简化电池组的内部结构和组装，降低封装成本。
Roadrunner 的应用
由于 Roadrunner 电池很可能会达到特斯拉历史最高能量密度，因此它几乎肯定会用在最新的产品上。从逻辑上讲，它们会是 Semi Truck 和Roadster，以及即将推出的特斯拉 Model S/X Plaid。
我认为特斯拉将在电池日发布 Plaid 车型，因为保时捷最近对 2021 Taycan 进行了升级，而 Lucid Motors 也宣布将于明年春季推出高性能挑战者。
为了迎战 Lucid 的旗舰车型 Air Grand Touring/Air Dream Edition，特斯拉还有可能发布超长续航版 Model S，配备大约 130 kWh 的 Roadrunner电池，有可能达到 525 英里以上的 EPA 续航（840 公里）。
多样性、灵活性，以及战略地位
即使能量密度一般的 LFP 电池，也可以为明星车型提供动力。而特斯拉也许还可以在与 CATL 合作之外，自己将其一些电池技术引入 LFP 电池。
同时，特斯拉还可以利用其他密度更高的电池，比如里程和性能俱佳的松下 NCA 电池，以及为特斯拉的长续航 Model 3 和不久之后的中国产 Model Y 提供动力的 LG NCM 电池。
由于特斯拉大规模量产的型号兼容性极高，它们可以利用任何供应商提供的电池。而特斯拉也可以随意选择供应商，以确保能得到最具竞争力的报价。这使特斯拉与最供应商谈判时永远处于最佳位置。
将自研的 Roadrunner 电池添加到产品线中，可以确保特斯拉不依赖其他任何人的技术，来维持其在电动汽车顶尖应用（例如长续航 Semi Truck）的最前沿声誉，以及保证特斯拉的有利地位。
这种灵活的策略，利用各种类型电池，使特斯拉能够对冲矿物供应和成本波动（尤其是镍和钴的波动）。而拥有稳定稳定的低价技术（如LFP），则意味着特斯拉生产和销售越来越多的电动汽车、电池能源产品，也不会受这些波动和潜在产能瓶颈的影响。
特斯拉长期以来，一直都采用这种灵活多样的电池供应方案。正如现任 CTO Drew Baglino 在 2019 年特斯拉股东大会上说的那样「We are not sitting idly by, we’re taking all the moves to be masters of our own destiny here, technologically （我们并没有袖手旁观，我们正在采取一切行动，在技术上成为我们自己命运的主人）。」
百万英里电池
起码从 2015 年开始，马斯克就提到了特斯拉计划实现「一百万英里」（使用寿命的电动汽车动力总成。显然，这取决于电池单个充电续航多少英里，以及电池在明显衰减之前可以完成的充电周期数。
如果电动汽车拥有 400 英里续航，则一百万英里需要 2500 次循环， 300 英里需要 3,333 个循环，依此类推。定义「严重衰减」的临界点，则通常是电池组仅保持其原始能量容量的 70％。
而即使低于70％，电池及其电池单元仍可用于能量密度需求较小的用途（例如储能应用）。
2017 年与特斯拉开始合作的 Jeff Dahn 锂电池专家团队，使用单晶阴极颗粒和定制的电解质，已经在实验室中，将镍基电池的寿命提高到 4,000 至 6,000 个周期。
而即使商业生产版本，因为不得不在循环寿命与其他特性之间取得平衡，但仍应达到 2500 至 3,000 个循环，以满足「一百万英里」的目标。
另外，Maxwell 的报告表示，其干电极制造技术也可以延长电池的循环寿命。
在少数场景，百万英里显然是有用的，比如特斯拉的 SEMI 卡车和 ROBOTAXI。
然而，大多数乘用车几乎永远不会形式超过 30 万英里（48 万公里）——而特斯拉已经可以实现这一寿命——这需要 20 多年的行驶积累（美国司机每年平均 13,500 英里）。即使 20 年前的乘用车动力总成处于理想状态，其安全技术（及其他功能）也早已远远落后。
上文提到，LFP 不适用于特斯拉 Semi 等对重量敏感的应用。因此尽管有些 LFP 已经可以充放 2500 次，但 Semi 几乎确定将使用镍基「百万英里电池」。但需要注意的是，特斯拉现有的 LFP 合作伙伴 CATL，已经宣布了自己的「百万英里电池」计划。
如何扩大电池生产规模？
Kato Road 的扩建，预计最多只能提供 2GWh 的电池组。如果仅提供 Plaid 版 Model S 和 X（或者超长续航 Model S 和 X），以及 SEMI 卡车的早期订单，那么短期来看是可以的。
但是，每辆 SEMI 会使用 800-1000 kWh 的电池。因此，当这些车辆每年扩展到数百辆的时候，Roadrunner 就必须扩大规模,甚至还没有考虑 Cybertruck 和 Roadster。
不过，规模生产也可以发生在特斯拉的新超级工厂（上海，柏林和奥斯丁）。
但 Roadrunner 可能不是唯一在超级工厂生产的电池类型。松下的经典 NCA 电池将继续在内华达州的 Gigafactory 1 生产。而根据已经和特斯拉谈判的供应商关系，特斯拉也许还会有自己的 LFP 电池生产线，或与 CATL 合作的生产线？
自研与供应商之间的关系很难预测，因为特斯拉只有通过恰到好处的内部电池生产、灵活的电池需求以及外部供应商的协商，才能实现强大的战略谈判地位。。
但是，如果特斯拉的 Roadrunner 电池，真的同时具有成本效益和高性能，那么特斯拉肯定会继续提高自产能力，因为它们是最具成本竞争力的镍电池。
其他电池日的预测？
还有什么关于电池日的想法吗？
一个猜测是，将 50 公斤（约 1kWh）的 Maxwell 超级电容器放到 Plaid 车型（或者 Roadster）中，从而在赛道环境中获得电池/电机冷却的好处。
为什么？反复的极端加速和动能回收，会大量增加电池组和电动机热量。赛道上性能 EV 的限制因素不是功率或性能，而是热量积累和热节流。
一个小型的超级电容可以减少数百次加速/动能回收任务中电池负载的 50％，这将对电池温度产生巨大的影响，并省下更多冷却资源用于电机和逆变器。
另外，SEMI 应该仍未宣布正式量产，但我们也许能看到更正式的声明，如果基于 Roadrunner新电池，EPA 续航里程可能会达到 600 英里（960 公里）。
考虑到此前谍照中 Model S/X 更大的扩散器，新款 Plaid 车型外形应该会迎来更新。
至于将来会出现的，更小巧实惠的特斯拉，我认为未来一年内都不会有任何消息。
电动星球注：马斯克 9 月 17 号在推特上点评了这篇文章。他表示「没有剧透，但你们提到了一些很好的点。需要重点提到的是，铁锂电池的成本优势被增加了的电池重量部分抵消了。即便如此，铁锂电池也还是缓解了量产问题。」
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