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马斯克的4680电池野心:电动汽车+储能,让特斯拉成为电池之王

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“电动汽车大多是装有轮子的电池组”——这句话或许能够解释电池成本在电动汽车价格构成中的地位。
作为全球最大的电动汽车制造商,特斯拉自身研发和生产的4680大圆柱锂离子电池在新的一年有望进入量产的快车道。
一方面,特斯拉希望通过4680大圆柱电池的新技术,让电动汽车电池储存更多能量、续航时间更长、价格更便宜,并最终在包括电动卡车、电动跑车在内的特斯拉全系列电动汽车产品中使用。
另一方面,特斯拉还希望通过使用磷酸铁锂材料,从而将4680大圆柱电池应用于市场前景广阔、“未来有望超过汽车生产”的储能领域。
而这些,或许都还不是马斯克和特斯拉苦心打造4680电池的根本目的。在一些分析人士看来,4680电池的终极任务,是让特斯拉成为电池之王。特斯拉制定标准,其他的电池制造商选择站队。
要知道,在过去相当长一段时间,全球锂离子电池的主流形状都是方。
将在内华达州新建4680电池产能100GWh
近日,美国内华达州州长乔·隆巴多 (Joe Lombardo) 宣布,特斯拉公司计划在内华达州追加投资36亿美元,扩建其现有的超级工厂。此次扩建包括两部分设施——一部分设施用来制造Semi半挂式电动卡车,另一部分设施将用来生产4680大圆柱形锂电池,规划年产能是100GWh。
扩建项目将在特斯拉现有的内华达超级工厂基础上,增加400万平方英尺的占地面积。此外,特斯拉还计划增加 3000名新工作岗位。
特斯拉随后在推特上官方证实了这一说法。特斯拉表示,自2014年以来,特斯拉已在内华达州累计投资62亿美元,其中包括建造了一座540万平方英尺的超级工厂,用于生产汽车电机和电动汽车电池。
“以内达华超级工厂为基石,特斯拉推动着世界向可持续能源转型。”在推文中,特斯拉说。
值得注意的是,一旦内华达州超级工厂的4680电池产线投建,其将成为继得州超级工厂和加州特里蒙特试点工厂后,第三家拥有4680电池产能的特斯拉美国工厂。
目前,特斯拉得州超级工厂布局了四条4680电池生产线,一条已经投产,其余三条处于调试和安装阶段。在去年年底,加州特里蒙特试点工厂实现了一周生产86.8万个4680电池电芯的重大突破,这一周产量能够供应大约1000辆特斯拉Model Y电动汽车。
去年4月,得州超级工厂生产的Model Y车型中一部分已经实现4680电池装车并交付,该工厂另外的Model Y车型则继续装载日本松下的2170圆柱电池。
马斯克此前表示,特斯拉未来所有的电动车型,包括Model Y、 Semi半挂式卡车、Cyber电动卡车和Roadster 2电动跑车,都将使用4680大圆柱形电池。

在特斯拉此次公布内华达州超级工厂扩建的消息中,还有一个细节值得玩味。据autoevolution网站报道,特斯拉最初表示,内华达州新建的100GWh的4680电池产能将支持生产200万辆电动汽车,但后来将这一数值更正为150万辆。新的数值意味着平均每辆车的电池容量将为67KWh。
特斯拉此前曾表示,目前内华达州工厂的电池年产能为35GWh,能够支持每年生产50万辆电动汽车。这意味着目前平均每辆电动汽车的电池容量为70 KWh。
相对于普通电动乘用车,特斯拉semi半挂电动卡车和cyber电动卡车需要的电池容量都更大,为何平均每辆车的电池容量还会减少?
autoevolution网站推测,这似乎证实了特斯拉将推出更小的大众乘用车。每辆车的电池容量约为45 KWh,甚至更低。autoevolution网站认为,随着电池包效率的提高和紧凑型汽车重量的降低,容量较小的电池仍然可以提供足够的续航里程。
此外,内华达州新电池生产设施的位置也颇有战略性,它位于电池回收公司红木材料(Redwood Materials)的电池回收设施附近。去年7月,红木材料表示计划斥资35亿美元在内华达州西北部建立一家电池材料工厂,生产锂离子电池正负极。
不仅如此,电池所需要的关键的原材料锂矿也离新厂址不远。据了解,内华达州拥有美国唯一一个在产的锂矿。而就在此前的1月16日,美国能源部表示,将为内华达州的Rhyolite Ridge锂矿项目建设提供高达7亿美元的贷款。
所有这一切,都将有利于特斯拉4680电池供应链的进一步完善。
4680电池转向磷酸铁锂材料以使用储能,电池总产能冲击1000GWh
2020年,特斯拉在其电池日隆重推出了4680大圆柱形锂离子电池,与2170圆柱电池相比,电池尺寸更大,采用无极耳技术,单体容量更高,并能有效降低电池的生产成本。
如果说三年前的4680电池是为了更便宜、续航里程更长的电动汽车而诞生,那么如今它还将肩负起另外的使命——在特斯拉的Megapacks和Powerwall等储能产品中使用。
近日,马斯克在回答一位投资者提问时表示:“我们的长期目标,是在特斯拉内部生产超过1000GWh的电池。”
“需要明确的是,我们将继续使用其他电池供应商(目前特斯拉的电池供应商包括宁德时代、LG新能源、日本松下),只是,锂离子电池的需求是近乎无限的,而且将持续相当长一段时间。我们要更快地扩大规模。”马斯克还透露,“我们已经有了一个惊人的计划,可以使4680电池具有低成本和高能量密度。”
据autoevolution推测,马斯克的最后一句话,可能表明了4680电池将实现正极材料化学成分更加多样化。
按照正极化学材料的不同,当前锂离子电池有磷酸铁锂和镍钴锰三元锂两条主流技术路线。磷酸铁锂电池的安全性更高,能量密度偏低,成本低,最适合储能;三元电池的能量密度更高,但稳定性和耐用性也较差,通常用来满足电动汽车的长续航要求。目前,特斯拉生产的4680电池使用的是高镍三元正极材料。
从2021年开始,特斯拉的储能产品Megapacks所使用的电池转用了磷酸铁锂材料。因此,过渡到4680大圆柱形电池,考虑到材料的性能和更有利的成本,将极有可能采用磷酸铁锂材料。
在马斯克看来,全球可再生能源存储的需求正在飙升。他曾预计特斯拉Megapack储能业务未来的增长将超过汽车生产业务。而在各种电池形状中,圆柱形磷酸铁锂电池的制造成本最低,寿命最长。

不过,对于马斯克和特斯拉而言,2023年还不是4680电池的高光之年。
4680电池的产量尽管有了里程碑式的提高,大规模稳定生产还需要克服相当多技术难题。
以4680电池的无极耳技术为例,在以往,极耳是动力电池的最基本构造之一,是电芯内正负极集流体与首尾盖板连接的必要部件。而无极耳设计彻底省略了极耳这个部件,通过正负极集流体与盖板/壳体的直连,成倍增大了电流在传导时的面积,同时也在一定程度上缩短了电流传导的距离。
这种设计,通过优化电池结构件,不但简化了电池的生产工艺,降低了生产成本,同时也在一定程度上降低了电池内阻,电池发热显著降低,提高充放电峰值功率。但正如同所有最新技术一样,4680电池省略了极耳构造,却多了集流体黏附工艺,构成了生产的新挑战。
不仅如此,据autoevolution网站最新透露,4680电池最初承诺使用的、能够大幅度提高生产效率的电池电极干法涂布技术,至今也还没有成功实现。
“对4680电池团队而言,2023年的目标可能是为cyber电动卡车推出一款具有成本效益的电池。”马斯克说,“重点是提高零部件的质量,并尽可能地提高电池产量。如果实现了这些关键目标,我们将为2024年的‘4680’年做好准备。”

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