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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？
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。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。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。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。“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。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。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。“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。“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。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。“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。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。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。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。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。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。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。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。这些减法做完后，马斯克把4680称之为“结构性电池”。“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”。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。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？”“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。”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。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。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：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。比如，4680采用的涂层过程，是将材料直接涂在金属箔片上。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。“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。”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。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。
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来源：超源力
时间：2022-05-05
