马斯克在4680电池上减减减,他到底在赌什么?

作者 | 悟能 2022-05-03

「核心提示」

特斯拉4680电池开始量产,马斯克在这款电池上做了很多减法:

取消极耳;放弃“烤箱”,跳过溶剂,直接涂层;电芯直接集成于底盘。

“减法原则”至上的马斯克,他的终极目标是什么?他想通过4680电池实现什么目的?

作者 |悟能

编辑 |李鑫

1、得州竞技秀:4680像腊肠一样悬挂

美国时间4月7日,约有15,000人观看特斯拉赛博牛仔竞技秀(Cyber Rodeo),这项庆祝活动在美国奥斯汀附近的得州超级工厂开幕。

活动中展示了不少新玩意,关注动力电池的观众,将眼光投向4680电池。

特斯拉把4680电池像腊肠一样吊起,一组两排69个电池,分12列悬挂,共828个电池,中间是散热的水冷板。

69条涂装好的极片,两头固定,悬挂而下,反映出电芯的制造效果。

4680电池结构,直接与整车结合,电池被更强的铸铝结构化车体包围,这样与高压铸铝下壳体整合在一起。

被悬挂着的4680电池

4680电芯研发试制在福林蒙特,生产在奥斯汀,而电芯4月份已经开始量产,产能在今年第二季度才能放量。

特斯拉得州新工厂,采用直线式组装生产线,所有工序都集中在狭长的厂房里。

在电芯直装底盘(Cell to chassis,CTC)时代,特斯拉整个工厂更高效,电芯工厂是拼图的一块。

从曝光的得州工厂布局看,比CTC更重要的是,特斯拉已经完全重构了传统汽车制造流程。

得州工厂内部示意图

传统汽车是冲压到焊接到涂装,然后总装的串行逻辑,而得州工厂基于前后铸造和CTC电池系统,整车生产变为并行和模块化拼装环节。

这个改变带来的不仅是生产节奏和成本降低,更是新能源汽车制造逻辑的革命:分模块迭代,异平台融合。

整个产业链上所有环节,都被纳入马斯克重新思考的范围。

在马斯克面前,传统只是被改变的对象,就像4680电池出诞生一样,一切都是“第一性原理”的体现,都是“减法原则”的体现。

2、规模效应起来了,但品牌还没起来

4680的名字,就是一个简化版。

动力电池从形状上分,主要有3类:圆柱、方形和软包。其中,4680与18650和21700电池一样,是圆柱电池。

18650和21700,18(毫米)和21(毫米)代表电池直径,65(毫米)和70(毫米)代表高,最后那个0代表圆柱。

4680也是按照这种方法命名的。46(毫米)是电池直径,80(毫米)是高,0代表的圆柱,被业内人士习惯性省略,因此简称4680。

明白了这一点,就知道4680比18650和21700个头大。

单个18650电芯,体积是16541立方毫米;21700体积为24245立方毫米,4680体积为132960立方毫米。

因此,4680相当于8个18650大,相当于5.5个21700大。

杭州伯坦科技工程有限公司总工程师王锋指出,4680在圆柱类产品里体积能量密度有优势,但跟刀片等方形电池比,没有优势。

“方形可以把盒子全塞满,而4680不行。”王锋告诉《超源力》,“你拿4个圆杯子挤在一块,你看一下中间的空隙,就明白了。”

王锋告诉《超源力》,4680已经到了极限,“我估计马斯克不会再去扩大它的体积了,因为没办法扩大。”

虽然圆柱电池中,4680是个大个,但与方形电池相比,仍是小不点,具有常被忽视的优势。

王锋以瓷砖为例说明4680的体积优势。

“跟贴地砖一样,相比小砖,大砖贵又不方便。比如1米×1米的砖,贴起来非常麻烦,搬运贴都不方便,中间容易损坏,这都将增加成本。”

与方形刀片等电池相比,4680单体电池仅仅相当于一个刀片电池的百分之几,安装方便,损坏更换便宜,报废率也会降低。

3、4680优化:扔掉极耳成了无极耳

4680电池结构,首先减少了极耳。

极耳是电池正极上面突出的部分,就是干电池那个圆圆的点。这个地方是电池充放电时最容易过热的地方。无法控制热量,电池厂商无法做大电池。因为电池越大,一旦燃烧和爆炸,威力就更大。

既然极耳不听话,那就扔掉它。

这就是马斯克告诉他的电池项目负责人德鲁•巴格利诺的话。

4680的优势在于采用了无极耳技术,或者叫全极耳技术。

无极耳4680

“相当于什么呢?就像高速中间有个收费站,现在把收费站拆了,这样车辆到哪里都是双向8车道了。”王锋说。

无极耳技术,让电子在电极间跑得更短了。

“刀片电池中,一米长涂布绕卷,电子实际跑的距离要更长。电子在4680中只要跑80毫米。”王锋解释称,4680是工艺突破,并非材料突破。而极耳没办法解决,永远存在,特斯拉就是把极耳变成了一大片而已,叫全极耳。

没有极耳或者全极耳后,4680电池怎样工作呢?

电子的流动就好比一群人过桥,极耳就相当于桥,当所有人都从一座桥通过时,桥要承受极大的载荷,载荷可以理解为电阻产生的热量。

无极耳设计相当于把桥拆了,桥下也填平了,人群走到另一边,和正常走路没有两样。

通俗点说,就是由点对点传输变成了面对面传输,电子传导面积变大,传输效率变高,避免了极耳过电位的产生,降低热量聚集。

极耳自身也有电阻,去掉极耳,相当于解决了一部分发热源。

正是由于4680电池的发热量可控,又能提高充电电流,提高充电效率,特斯拉才能放手做大电池。

整体而言,无极耳优点是:电子移动路径缩短5%-20%,内阻减小5-20倍,显著降低电子偏移和过电位现象的产生,提升了电池寿命。导电涂层和电池壳体的接触面积达到100%,分散了发热区域。

无极耳后电子的工作原理

但是,这也是4680量产化产线的难点。

“就跟两张纸一样,既要折回去,负极还不能够短路。”王锋指出,双极耳变成无极耳,技术上是一个创新点,它可能通过一种胶水或者通过焊接把它粘起来。“一圈一圈折回来,要保证电池的密封性,还不能短路,这就是它的工艺难度。”

而江淮汽车研发中心工程师王鑫认为,4680的无极耳确实难搞,工艺水平要求较高。国内一般的电池厂家还不一定能拿得下来,包括激光焊接等比较麻烦。

4、4680工序:放弃烤箱跳过溶剂直接涂层

减法,远不止极耳。

通常,制造电池需要从大量电极粉末开始,将它们与水或溶剂混合以形成大量浆料,然后将其涂在金属箔上以形成电极。所以,电极必须在巨大的烘箱中干燥,然后去除溶剂。

马斯克的电池项目得力干将德鲁·巴格利诺直接宣布:公司将放弃烤箱,跳过溶剂步骤……直接从干混到涂层。

4680电池上述办法,实际上承袭了干电极技术。

特斯拉为此做了准备。

早在2019年,特斯拉就收购了全球领先的电池技术公司Maxwell,并将其开发的干电极技术用在4680上。

特斯拉的4680电池,很像干电池。

杭州伯坦科技工程有限公司总工程师王锋认为,特斯拉4680,沿袭的就是干电池思路,就是在追求标准化。

“干电池经历100多年发展,实现了电池标准化,差别只在涂布材料不一样而已。”王锋指出,4680最大优势是标准化生产,因为量产才可控制成品不良率。

所以,无论提高电芯容量,还是采用无极耳技术,4680初衷仍是解决电池规模化生产的问题。王锋告诉《超源力》,4680核心问题是制程工艺简单,目标就是跟5号干电池一样生产使用。

4680的电极材料厚度从55微米增至60微米,这样增加电极的活跃度,能量密度提升5%,延长了电池循环寿命。

省了溶剂,4680的制作成本更低。

5、4680上车:电芯直接集成在底盘上

4680上车,又减少了传统的电池组环节,直接集成于底盘。

电动汽车常用的电池包,都是由多个模组组成,每个模组里又由单体电池组合而成。

悬挂起来的4680电池模块

比如,Model3的电池包由2大2小共计四个模组串联组成,大模组25个串联电池模块,小模组23个串联电池模块,每个串联电池模块由46节21700单体电池并联组成,四组共计4416节单体电池。

整个电池系统总重约474公斤,其中电池重约312公斤,上壳体、电池管理器及其他附件共重约53公斤,下壳体、结构件、冷却管路以及线缆重约62公斤。4个电池模组总面积约为2.7平方米,能量密度为170Wh/kg。

Model 3 上的21700电池包

4680电池组取消了模组设计,将电池和底盘直接集成。该集成技术就是CTC(Cell to Chassis,电芯集成整车车体)。

王锋指出,电池技术涉及制成工艺和成本,先变形到模组,然后再到无模组技术(CTP,Cell to Pack)。

CTC技术与CTP原理相似,本质上都是减少电池组的零部件提升电池集成效率,减轻电池组重量,提升能量密度,增加续航里程。

使用CTC技术的4680电池组,直接将960(40X24)个单体电池排列,能量密度为215Wh/kg。

4680电池组面积约为2.57平方米,比21700电池组面积少了5%。整个电池系统总重约438kg,冷却系统与电池共重348kg,电池管理器、上下壳体及线缆经过优化共重约90kg。4680电池组的重量比Model 3的电池组要轻。

两相比较,4680电池组容量增加15%,轻松拥有100kwh的电池容量。

4680 CTC重新定义了电池布局,整合了三电系统,节省370个零部件,车身减重10%,每千瓦时电池成本降低7%。

特斯拉最早专利技术是无焊接成组,这一点非常像干电池,往里面一卡即可使用。

“做Pack成组,还需要技术,4680如果一卡即用,还讲个屁的技术?还要啥自行车?塞进去不就行了吗?刀片能做到这一点吗?做不到。”王锋说。

4680因此减少了单辆整车所用的电池数。

一辆整车使用的单体电池,从4416节降到960个。这个减少,直接的好处就是:4680比此前的电池一致性更好。

一般而言,电池充电和放电都有截止电压,电池组要在充电截止电压或放电截止电压中工作,一旦有电池突然显示充满或突然无电状态,电池组的电池管理系统就会调整,这就是一致性调整。

21700电池组的4416节电池一致性更好调整,还是4680电池的960节更好调整?答案显而易见。

6、马斯克4680减法:终极目标奔着标准和售后

这些减法做完后,马斯克把4680称之为“结构性电池”。

马斯克减法做了这么多,到底为什么?

“他把事情理解地比较透彻:只有标准化才能大规模生产,如果电池坏了,系统检测后更换坏掉的4680电池,是不是成本更低?”王锋说,刀片电池电芯一坏,就要更换一大条,更换模组成本更高。

王锋认为,实际上,马斯克的所有减法,都是奔着终极问题而去:为了售后。

“馒头和面包有啥区别?没区别,都为了填饱肚子。”王锋说,中国车辆质保期较长,企业最核心的问题是:你卖出去啥,你都得售后。

“你不能说8年过了,这车坏了就修不了。”王锋指出,即使电池厂不复存在,因产品实现标准化,汽车厂家也不用担心售后维修。

马斯克要做一个全世界的标准产品,而且这个标准产品要经过长时间的市场检验并获得认可。

一位不愿具名的电池专家告诉《超源力》,动力电池发展30余年,国内企业非要干一个跟别人不一样的东西:当时为了油改电,车厂要求电池厂开发了各种奇奇怪怪的电池,可是这种电池并不能达到广义上的通用。

王锋也认为,特斯拉选择圆柱电池,至少有30多年的工艺技术支撑,较为成熟,“不是胡乱创新”。

关键是,电池量产必须达到一定的良品率。

最新消息是,特斯拉得州工厂4680良品率已达90%,奥斯汀工厂良品率有时甚至达到93%。

一位不愿具名的电池专家告诉《超源力》,圆柱电池良品率达到90%,比较容易实现。

马斯克为何没有选择固态电池作为突破口?

据王锋介绍,在工业品中,尤其是在汽车领域,需要非常成熟的板块,才能去试。一般情况下,车企是不会去试错的。

最新的日本情报显示,日本固态电池已经具备量产化能力,但制程比较复杂,在汽车上大规模使用,需要一个过程,短期内做不到。

“日本固态电池技术基本实现稳定,但谁敢把它放到车上去大规模用?”王锋说,“一出问题就要召回,这成本是多少?谁受得了?”

因此,他认为,固态电池技术,有和成熟,是两码事。

“在这样的情况下,4680原有材料体系更稳定,风险性更小。”王锋指出,“马斯克用最低成本,解决了最难解决的问题。”

7、五步工序法:马氏最看重消减流程

其实,马斯克一直在做减法。

马斯克曾在带人参观他的火箭工厂时,反复强调:减少工序。

在参观星舰基地时,马斯克说,虽然经常有人问我设计了什么样的火箭发动机,但发动机的基本设计在前苏联时代已经完成。

接下来,马斯克把制造工序分成5个阶段:

首先是对主要事项给出定义,第2是削减流程,第3是优化,第4是持续提高速度,最后是应对量产的自动化。

马斯克说,增加也许可能需要的东西,这种做法不好。他强调排在第2的削减流程的重要性。

据马斯克透露,在开发可重复利用的火箭时,不少人建议了很多功能,但结果大多数都是没用的。

马斯克直言,如果缺少了真正需要的东西,之后可以追加,但如果只是追加而不做修改,那就意味着整个工序没有充分削减,一定存在多余。

特斯拉在减少原则上,就有现存的失败案例。

特斯拉曾给纯电汽车的电池盒上部安装了玻璃纤维的衬垫,投入了大量资金实现工序自动化。

马斯克此后询问技术人员:为什么需要这一衬垫?

电池安全性负责人回答:用于防止噪声和振动。

而噪声和振动负责人却立即回答:用于防止火灾。

两个部门,给出的理由不同。

马斯克要求测试,得到的结论是:不需要这一衬垫。

这就是没有坚持减法原则,导致太多的浪费。

回顾特斯拉 19 年历史,马斯克入住已有18年,他一直在用下面的套路推进减法原则:

1)先设定一个不可能的跨越目标

2)内部分歧不断,各种失败谣言频传

3)团队疯狂努力

4)接近目标

5)实现颠覆

在电动汽车上,马斯克仍用了这个套路。

它设定的目标是:电池成本降低一半以上,造出25000美元的电动汽车。

他的团队,正按照这个路径,奔向他设定的目标。

8、技术遇阻时:马斯克也会说软话

减法原则,挑战大,难度高,经常遇阻。

比如,4680采用的涂层过程,是将材料直接涂在金属箔片上。

已经涂层好的极片

该涂层必须是光滑、均匀的。为了做到这点,涂层箔在被称为“压延”过程中,被巨大的辊子挤压。

马斯克曾说,浆料通过滚筒,像披萨面团一样被压扁,但非常坚硬。

马斯克的比喻很贴切,因为压延是电池生产中常规部分,就像擀披萨面团一样。但对于 4680,压延起初并不起作用。

电极变大变厚时,电芯面积增大,缺陷率随之增加,而当阴极较厚时,必须施加更大的压力,才能使金属颗粒变得平整光滑。

4680采用的是镍锰钴或镍钴铝材料,当电池被压延时,将面临一个破碎颗粒的战场。

面对困难,马斯克说,压延过程中,压光辊凹陷,他和他的团队,“没有预料到这一点”。

巴格利诺认为,这不是科学问题,这是一个工程问题。这不是是否问题,这是什么时候的问题。

面对难题,马斯克并不是100%有信心。

“我们有一个非结构电池组和 2170 的备用计划,”马斯克话留余地,“我们不想过分强调干阴极,也许是成本改进的 10% 或 15% 或类似的东西。”

马斯克补充说:“10% 仍然是不容小觑的,特别是每年生产数百GWh电池。”

最新公开的信息显示,特斯拉上述问题可能已经解决。

数据显示,特斯拉已经生产超过100万个4680电芯。不过,这些量远远不够装机需求,因为100万个4680电芯装载Model Y,也只能下线1041台车。

去掉产量外,4680电池,仍需要“抛开广告看疗效”。

王鑫分析称,4680电池并不是颠覆性的产品。从车企角度,特斯拉跟其他车企竞争,需要一个竞争武器。其次,特斯拉自产电池,在市场上起到引领作用,其他电池厂家不想在技术路线上落伍,不想被特斯拉抛弃,选择跟进押宝。

王鑫认为,相比4680电池,特斯拉真正的卖点是它的智能化,这个对整个行业的思路将是颠覆性的。

马斯克从踏入造车领域起,就发誓要造“很酷的车”。

造很酷的车,途中并不顺利。

据传记作家希金斯回忆,当初,特斯拉的车,门关不上,窗户也坏了,上下车时发出可怕的尖叫声。汽车数据公司JD Power 2106年还宣布:特斯拉是奢侈品牌中最差的,也是整个行业中最差的。

希金斯当时曾断言:马斯克本人在赌博,且“这是一个世纪的赌注”。

但随着Model3、ModelS、ModelY等上市后,销售数据在向马斯克倾斜。

至少目前,马斯克半程已经赌赢了。