电动汽车动力电池用纸
文字？|?熊
导语:随着电动汽车产业的浪潮，动力电池行业迅速崛起，全球形成了中日韩企业争霸的行业格局，松下、LG、当代Amperex科技有限公司等巨头相互竞争。
表面平静的背后，新一轮巨变正在酝酿——固态电池即将掀起新一轮技术变革浪潮，日韩企业在动力电池白名单下架后重返中国市场，全球车企和零部件巨头也纷纷涉足电池行业，一场大变革即将上演。
为此，车东熙推出“动力电池巨变”系列报道，详细解读全球动力电池行业的变化。本文是系列报道之一。
特斯拉自产动力电池终于来了，马斯克的野心从电动车行业涌向动力电池行业，新的血雨腥风即将拉开序幕。
今天，据外媒electrek报道，特斯拉“Roadrunner”动力电池自产计划正式启动，一条属于特斯拉的动力电池生产线正在位于美国弗里蒙特沙漠的工厂中成型。
整个事件最值得关注的焦点是，特斯拉动力电池量产后每千瓦时仅需100美元(约合人民币701元，指的是每千瓦时容量的电池价格)，而根据投资机构瑞银(UBS)公布的数据，松下目前每千瓦时的动力电池成本约为11美元(约合人民币772元)
特斯拉进入动力电池行业做的第一件事就是打掉了动力电池行业的价格“底裤”。
▲外媒报道称，特斯拉正在弗里蒙特工厂建设电池生产线。
但除此之外，马斯克的动力电池“闪电战”也会在汽车行业和动力电池行业都掀起一股浪潮。在特斯拉的号召下，更多有资金有技术的车企将涌入动力电池市场，冲击当前动力电池行业格局。
在这样一个关键节点，我们有必要找出特斯拉是如何突破动力电池行业技术壁垒，一步步解决电池研发，最终拥有电池产能的秘密。
车东熙通过梳理特斯拉五年来的投资布局、技术研发、产业链布局找到了答案。
第一，用了五年？三元锂电池之父帮特斯拉发电？
2020年2月12日，外媒electrek披露，特斯拉正在美国弗里蒙特建设动力电池生产线。一时间，特斯拉自己生产动力电池的消息公之于众，引发业内震动。
但如果不是这次媒体曝光，恐怕没人会想到特斯拉自产动力电池这么快。
究其原因，与其他车企大张旗鼓进入动力电池行业不同，特斯拉在这一领域的布局可谓低调。
自2015以来，特斯拉只进行过三次与动力电池相关的投资，分别是对达尔豪西大学杰夫戴恩研究小组(Jeff？Dahn？研究？集团五年赞助计划，收购电池技术公司Maxwell，收购电池制造设备公司Hibar。
三笔投资中，特斯拉只披露了收购Maxwell的金额-2654.38+08万美元(约合654.38+0.527亿元人民币)，另外两笔投资的金额和具体细节并未公布。
但正是这三项投资汇集了特斯拉自产电池所需的关键技术——动力电池的电极、电解液、隔膜、电池外壳和电池制造工艺。
特斯拉在动力电池领域的布局始于2015。
基于行业领先的三电技术的特斯拉，在动力电池领域也不甘于受制于松下。更何况当时松下动力电池的爬坡速度远不及特斯拉的汽车生产线。
马斯克预见到松下可能成为特斯拉年产一百万辆电动汽车的最大障碍(不出所料，2018松下的动力电池产能限制了特斯拉车型？3量产速度)。
于是，马斯克打起了自产动力电池的主意。
2015年，马斯克找到了专注于锂电池技术产业化的杰夫·戴恩团队，希望为他提供“五年相当可观的研究经费”(the？实质性的？5年？资助？包)，让它为特斯拉开发寿命更长、成本更低、能量密度更高的锂离子电池。
▲杰夫·戴恩研究小组
杰夫·戴恩的团队是加拿大顶尖大学达尔豪西大学专门从事锂离子电池技术研究的团队。从2008年开始，一直在研究锂电池产业化项目。据其官网介绍，该团队目前规模约30人，已发表论文600余篇，分别发表在重量级期刊《JES》和《JPS》上。
据外媒评价，这个团队是锂电池领域最强的研究团队之一。
杰夫·戴恩本人通过精确限定镍钴锰材料中镍的含量，成功实现了三元复合正极材料的商业化，成为业界公认的三元材料技术的真正开创者和发明者。
▲杰夫·戴恩
一边是急于研发自己动力电池的特斯拉，一边是希望并擅长技术产业化的杰夫·戴恩团队，一拍即合。
同年6月16日，杰夫·戴恩团队所在的达尔豪西大学和特斯拉* * *宣布，杰夫·戴恩研究团队的合作伙伴将于2065年6月438+06日从3M。加拿大转战特斯拉，与特斯拉达成独家合作协议。
合作协议达成后，老头杰夫·戴恩(Jeff Dane)沉入特斯拉的后备箱，伸出两个大拇指。他的兴奋难以言表。
▲杰夫·戴恩
之后，Jeff Dane团队在新型锂离子电极材料、锂离子电池故障机理诊断、电解液添加剂、钠离子和锂离子电池安全性基础研究、电池研究理论/建模等方面不断取得突破。
去年年底，Jeff Dane团队的一篇论文显示，其新开发的动力电池循环周期可达5000次左右，对应电动汽车行驶寿命超过654.38+0万英里(约654.38+0.6万公里)。这项专利现在归特斯拉所有。
近日，外媒electrek透露，Jeff Dane团队的研究成果将使特斯拉的动力电池成本达到100美元/千瓦时(约合人民币701元/千瓦时)。对比瑞银给出的数据，松下动力电池的成本约为111美元/千瓦时(约771元/千瓦时)，当代安培科技有限公司的成本约为150美元/千瓦时(约1042元/千瓦时)。特斯拉现在的电池。
据了解，杰夫·戴恩的团队仍在帮助特斯拉完成能量密度为500Wh/kg的高镍三元锂电池的研发，并已取得初步成果。
可以说，从2016开始，Jeff Dane的团队为特斯拉的自产电池项目贡献了很多底层的技术专利和经验积累，完善了特斯拉从电极、电解液到电池外壳的大部分技术链条。在过去的五年里，杰夫·戴恩的团队确实兑现了签约时对特斯拉做出的承诺——帮助特斯拉提高动力电池的循环次数，降低动力电池的成本，开发高能量密度的动力电池。
这笔投资对于特斯拉来说是物有所值的。
二、收购麦斯威尔？利用干电极技术提高动力电池的能量密度
2016之后，马斯克转身一头扎进了特斯拉模式？3生产力地狱，没空顾及动力电池行业的布局，以至于特斯拉在2017和2018这两年都没有在动力电池行业有大动作。
但时间到了2019，有一件事给马斯克敲响了警钟。
2019年2月，在特斯拉2018财报发布的电话会议上，马斯克指出超级工厂电池产能不足是为了限制特斯拉模式。3生产力的最大桎梏。
2019年4月，马斯克再次表示，“超级工厂电池容量只有24GWh，7月份开始限制型号？3产能，在产能达到35GWh之前，特斯拉不会再投入任何资金。”
来自松下的产能限制让马斯克再次意识到动力电池的重要性，他开始加速特斯拉在动力电池领域的布局。
2065438+2009年5月，特斯拉以218万美元(约合人民币1527万元)的价格收购电池技术公司Maxwell，溢价55%。
特斯拉之所以这么急于拿下这家公司，是因为特斯拉看中了麦克斯韦的干电极技术和超级电容技术。
▲Maxwell干电极技术介绍
传统的电极制备工艺属于湿法电极工艺。在制造过程中，需要将阳极和阴极材料加入到溶剂中以涂覆电极片材料。
这种制造工艺的优点是生产工艺验证时间长，电极质量稳定，但溶剂的特性决定了这种电极涂覆法生产的电极较薄，能量密度有限。
同时，生产过程中需要蒸发掉溶剂，这部分生产过程会产生一定程度的环境污染。
无溶剂干法电极生产工艺是将活性正负极材料与粘性物质混合，使正负极材料本身“原纤化”，形成自支撑膜，牢固地附着在电极片上(原理类似于口香糖牢固地粘在脚底)。
这种生产工艺可以制备更厚的电极，大大提高电池的能量密度。目前用该工艺制作的三元锂电池电芯能量密度在300Wh/kg以上，最高可达500Wh/kg，同时可以获得较大的放电倍率。
同时，干电极的另一个很大的优点是在电池使用后可以不断补充金属锂，弥补电池的容量衰减；而湿电极法制备的电极，补充金属锂和掺入金属锂的碳，相互之间不能很好的结合，通常会伴随有冒烟、火焰、噪音等强烈反应。
另外，干电极的制造过程不需要溶剂干燥，降低了生产成本和时间成本，也减少了环境污染。
另一种超级电容器技术可以在能量回收过程中作为快速储能装置，其能耗远小于将回收的动能恢复到电池中。
而超级电容器在快速加速过程中，可以实现大功率放电，避免了动力电池直接大功率放电产生的锂枝晶，对电池结构造成不可逆的损伤。
超级电容器技术的另一个巨大优势是其宽的工作温度范围。大多数电池需要维持在20℃-40℃之间的工作温度，对外界环境温度的要求比较苛刻。超级电容器的工作温度在-40℃至80℃之间，可用于冬季启动车辆和加热动力电池。
干电极技术提高了特斯拉自产电池的能量密度，而超级电容器技术可以在特定场景下为电池提供辅助功能。两者结合可能是特斯拉未来将采用的“混动”方案。
三、收购电池生产设备制造商Hibar？为自产电池铺路
投资Jeff Dane团队，收购Maxwell，都是为了掌握最新的电池技术。掌握技术后的关键是量产。
2019 10，有媒体发现，加拿大精密设备公司Hibar突然出现在特斯拉旗下，成为特斯拉的控股子公司。
特斯拉收购Hibar是一个秘密项目，收购日期、金额、合作细节都没有透露，但很显然，收购Hibar意味着特斯拉的自产电池项目只有一尺之遥。
希巴尔以生产高精度定量注液泵、注液生产系统、自动化电池制造和工艺设备而闻名，产品线覆盖完整的电池生产流程。
▲Hibar产品清单
在过去的40年里，希巴尔已经成为电池行业一次电池和二次电池生产线的首选供应商。
投资杰夫·戴恩团队，让特斯拉拥有了自研动力电池的技术人才。收购Maxwell使特斯拉掌握了动力电池领域最前沿的技术，收购Hibar是特斯拉自产动力电池项目的最后一环。至此，特斯拉已经形成了从技术研发、样车验证到量产的全面布局。
4.自产电池寿命将达到654.38+0万英里？最大能量密度可达500Wh/kg。
虽然特斯拉已经具备了电池研发、验证和量产的能力，但是实际产品会达到什么样的效果呢？
目前其电池生产线还没有投入实际使用，从产品上分析不太现实。换个角度，我们可以从特斯拉目前的技术实力来推断其自产电池的技术指标。
1，电极
从电极来看，特斯拉自产电池很可能采用麦克斯韦干电极技术，在三元锂电池领域可以实现300Wh/kg的单电池能量密度，最高可达500Wh/kg。
现阶段，业内只有松下的NCA？811三元锂电池和NCM来自当代安培科技有限公司？811三元锂电池能量密度可达300Wh/kg。
同时，如上所述，干电极技术可以向负极补充锂金属，避免放电过程中负极和电解液中锂离子的消耗。
此前，麦克斯韦有一项正在申请中的专利，将锂离子补充到电池的负极。这项专利技术将有效缓解电池在使用过程中的容量衰减。随着特斯拉完成了对麦克斯韦的收购，这项专利技术自然转移到了特斯拉的名下。
▲麦克斯韦正在申请专利
成本方面，由于省略了干燥步骤，整个电芯生产环节的成本可降低约10%-20%。
2.电解质
在电解质方面，由特斯拉资助的杰夫·戴恩团队最近在知名期刊《JES》上发表了两篇论文，描述了他们在电解质方面的进展。
其中一个叫“二氧环己酮和亚硝酸盐作为锂离子电池电解液添加剂”。
论文中提到，Jeff Dane的团队对新研发的新型电解液添加剂MDO和另外两种添加剂PDO和BS进行了高温高压和长期循环性能测试，载体为NCM523三元锂电池。
为了进行这项测试，团队分别添加了三种添加剂并混合，在不同的温度和电压下测试了不同的实验组合，得到了不同的循环性能。
实验结果表明，添加MDO和PDO电解液添加剂的电池均在石墨负极表面形成SEI层(保护负极)，而添加BS电解液添加剂的电池不形成SEI层。
通过长期电池循环性能测试，在所有实验电解液添加剂中，2%PDO+1%硫酸乙烯酯和2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液添加剂组合效果最佳。在800次放电循环后，电解液中的添加剂浓度仍然大于90%。
▲实验结果表明，(b)和(c)中两个最高分布点分别是2%PDO+1%硫酸乙烯酯和2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解质组合。
在这一研究成果的基础上，杰夫·戴恩(Jeff Dane)的团队于去年6月发布了一篇名为《锂离子电池优异化学性质的广泛测试结果，可作为新型电池技术的基准》的论文。
本实验还测试了NCM523三元锂电池的不同电解液添加剂。
实验结果表明，在电解液中加入2%碳酸乙烯酯+1%硫酸乙烯酯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂和1%二氟磷酸锂，可以有效延长电池的循环寿命。
▲实验结果:紫、绿、红线为测试结果，另外两条线为对照组。
其中，添加了三种电解质添加剂组合的电池，一般在3000次充放电循环后仍能保持85%以上的电池容量，有一组甚至在5000次充放电循环后仍能保持90%以上的电池容量。
但经过约1000次充放电循环后，其他两个对照组的电池容量分别下降至50%左右。
如果以5000次充放电循环作为电池的平均循环寿命，特斯拉型号？3?EPA的续航里程是322英里作为单轮充放电的续航里程，那么在电池组的有效寿命内，一辆特斯拉车型？3的行驶里程将超过654.38+0.6万英里(约257万公里)。
但根据特斯拉公布的专利，目前他们保守估计电池的使用寿命为654.38+0万英里(约654.38+0.6万公里)，一般纯电动汽车装配的三元锂电池理论使用寿命只有40-50万公里。特斯拉新电池的使用寿命大约是目前三元锂电池的3-4倍。
值得注意的是，杰夫·戴恩的团队为特斯拉进行的研究是基于NCM三元锂电池。所以从电解液添加剂及其适配电极来看，未来特斯拉自产的电池很有可能是NCM三元锂电池，而不是NCA三元锂电池。电池的最大循环次数可能接近5000次，相应车辆的里程可能达到654.38+0万英里(约654.38+0.6万公里)。
3.超级电容器
除了动力电池本身，收购Maxwell还为特斯拉带来了超级电容技术。
马斯克曾在接受媒体采访时透露，在大学期间，他对超级电容器技术很感兴趣，一度想进行研究。现在，这个超级电容粉丝终于可以如愿以偿了。
超级电容本质上是不同于动力电池的另一套储能方案。与动力电池相比，它们的缺点是储能性能有限。
但是，它的优势也是非常明显的。超级电容器的充放电功率很大，能量损耗小。既能高效回收动能，又能在车辆急速加速时瞬间释放大功率电流，减轻动力电池的工作压力。
同时，超级电容器的工作温度范围为-40℃-80℃，能够适应普通电池难以适应的极端环境。
可以说超级电容有潜力补充动力电池。当车辆正常行驶时，动力电池提供主要动力，当车辆需要快速加速、回收动能、寒冷地区起步时，超级电容为车辆提供动力。
当自产电池项目落地后，特斯拉可能会同步为车辆配备超级电容，形成一个全新的动力电池和超级电容的“混合系统”。
综合以上三个方面，特斯拉自产的动力电池很有可能是NCM三元锂电池。第一代电池产品的能量密度可能在300Wh/kg左右，之后会逐渐攀升到500Wh/kg。
电解质添加剂可以是2%碳酸亚乙酯+1%硫酸亚乙酯、2%氟代碳酸亚乙酯+1%二氟磷酸锂和1%二氟磷酸锂的组合中的一种。得益于出色的电解液性能，电池的循环寿命将达到1万英里(约65438)。
而且超级电容技术也可能被特斯拉应用为动力电池的辅助能源。
5.从供应商变更历史记录？特斯拉自产电池的六大意义
特斯拉首条动力电池生产线的建设，意味着这家车企在动力电池供应链上迈出了新的一步。
自特斯拉推出其首款跑车模型以来，这艘战舰就一直与全球锂电池巨头松下紧密相连。据了解，特斯拉首批100跑车全部采用了松下的18650圆柱形电池。
车型，首款面向大众的量产车型？这使得特斯拉和松下开启了长达七年的独家供应关系。
在此期间，双方在美国佛罗里达州的沙漠中建造了一座产能为35GWh的动力电池工厂，这也是当今世界上最大的动力电池工厂。
▲特斯拉Gigafactory？1
在马斯克的愿景中，该工厂最终将能够实现50GWh的年产能，支持特斯拉每年生产一百万辆电动汽车的宏伟愿景。
但事与愿违，一方面是产能疯狂攀升，电池需求快速上升的特斯拉；另一边是松下，即使出现亏损，它仍在扩大生产线，招聘更多员工。
双方没有达成供需同步上升的微妙平衡，特斯拉的电池需求缺口越来越大。最后在2018财报电话会议上，双方矛盾爆发。
马斯克指责松下的动力电池产能跟不上，限制了特斯拉车型？3.如果松下未能按照约定将合资工厂的电池产能提高至35GWh，特斯拉将停止对合资工厂的投资。
2019第三季度，虽然双方合资工厂的动力电池产能达到35GWh，但松下也冻结了合资工厂产能进一步提升至50GWh的计划。
自2013合作以来，特斯拉和松下的关系第一次接近“冰点”。
此事之后，虽然特斯拉和松下仍然保持着动力电池的供应关系，但特斯拉也开始寻找新的动力电池供应商。以特斯拉上海工厂投产为契机，LG和当代安培科技有限公司被列入特斯拉的供应商名单。
65438 2020年10月30日，特斯拉官方宣布与LG化学和当代安培科技有限公司达成动力电池供应协议。
此外，路透社还报道称，特斯拉正在与当代安培科技有限公司(Contemporary Amperex Technology co .，Limited)就“无钴”电池进行进一步会谈，特斯拉未来很可能会使用当代安培科技有限公司制造的“无钴”电池。
▲路透社报道称，特斯拉正在讨论与当代安培科技有限公司(Contemporary Amperex Technology co .，Limited)就无钴电池进行合作。
到目前为止，特斯拉的动力电池供应链已经从松下独家供应变为由LG化学、当代安培科技有限公司和松下同时供应。特斯拉自有动力电池供应完成后，这条供应链也将被纳入特斯拉的动力电池清单。
特斯拉正式从松下独家供应动力电池的“单极时代”走向多家供应商供应动力电池的“多元化时代”。最终可能形成以自产电池为主，外购电池为辅的动力电池供应链。
对于特斯拉来说，这个时代的到来有三大意义:
1.动力电池会降低成本，提高效率。拥有众多动力电池供应商的特斯拉，在供应商方面将拥有更强的话语权，势必加大动力电池的降价力度。
同时，自产动力电池生产线投产后，特斯拉的动力电池成本将低至100美元(约合人民币701元)，比松下的动力电池低10%。特斯拉的成本优势更加明显，旗下车型将进一步降价，销量将更大规模扩大。如果将干电极技术用于动力电池生产，特斯拉动力电池的生产效率也会略有提高。
2.推动产能增长。到目前为止，特斯拉* * *拥有两家整车生产工厂，一家位于美国加州弗里蒙特，目前正在满负荷运转；另一个位于上海临港，目前产能654.38+0.5万辆/年，目标产能50万辆/年，还有较大的产能爬坡空间；在德国柏林也有一个计划中的工厂，目前正在建设中。
就目前的情况来看，特斯拉和松下的合资电池工厂已经供不应求，而中国工厂和未来的德国工厂势必需要新的动力电池供应商来提供动力电池。只有供应商充足的动力电池供应，才能推动特斯拉产能的增长，最终实现2022年年产654.38+0万特斯拉的目标。
3.为了满足数百万辆Robotaxis的需求，马斯克曾吹嘘2020年将有6.5438+0万辆特斯拉汽车上路成为Robotaxis。暂且不论自动驾驶技术是否可行，以目前的电池技术，这个目标很难实现。
目前动力电池的循环次数大多在1000次左右，对应的使用寿命在20万英里(约32万公里)左右。这个寿命对于普通家庭来说完全够用，但是对于需要24小时不间断运行的Robotaxi来说，就显得捉襟见肘了。
特斯拉自产的动力电池正是为了解决这个问题。如上所述，特斯拉的最新专利显示，他们已经完成了续航654.38+0万英里(约654.38+0.6万公里)的电池研发，续航时间长的动力电池将能够满足特斯拉Robotaxi的要求。
对于整个动力电池行业来说，特斯拉自产的动力电池也有着深远的意义:
1，特斯拉作为电动车龙头企业，进入动力电池行业，会带来模仿效应。未来可能会有更多的大型车企在转型和电动化的过程中，考虑生产自己的动力电池来满足自己的需求。对于车企来说，电动时代的核心——三电技术，必须握在手心里。
2.车企进入动力电池，意味着动力电池供应商原有客户的流失，动力电池供应商的利润空间被压缩。在与车企的博弈中，动力电池供应商会想尽办法降低动力电池的成本，提高性能。
3.新能源供应链的结构可能会改变。在车企自行生产动力电池的过程中，原本与动力电池供应商分离的材料供应商将可以直接与车企接触。产业链的减少意味着产业结构的进一步优化。
结论:特斯拉掌握电池后会更厉害。
特斯拉弗里蒙特工厂首条动力电池生产线正在建设中，投产指日可待。马斯克酝酿了五年的自产动力电池计划终于进入出成果阶段。
掌握动力电池后，特斯拉从各个角度看都会变得更加强大。
供应链方面，一旦追求降低成本的特斯拉实现了自己生产动力电池的目标，那么从其他供应商采购动力电池的需求势必会相应减少。特斯拉的动力电池供应商将展开价格战，而在这场价格战中，特斯拉将享有绝对的主导权。
在电动车产品的末端，特斯拉自产的动力电池很可能比目前市面上的大部分动力电池性能更好，使用寿命更长，容量衰减更小，从而大大提高特斯拉车型的保值率。
但对于特斯拉来说，量产只是自产动力电池伟大愿景的第一步，后续的动力电池产能建设才是对其真正的挑战。
在中国，动力电池产能的建设成本大约在4-6亿元1GWh，而在美国，这个成本只会更高。如果特斯拉真要建设大规模的动力电池生产线，至少需要投资数百亿元的动力电池项目。对于特斯拉这种刚刚盈利，现金流极其宝贵的公司来说，这笔投资会造成很大的压力。自产动力电池对特斯拉来说还有很长的路要走。
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