中國儲能網(wǎng)訊：電動汽車作為燃油車的終結(jié)者，其續(xù)航焦慮是必須克服的一個 “軟肋”，另外，也有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電動汽車的競爭歸根結(jié)底本質(zhì)上其實是 “電池的競爭”。作為電動汽車界的 “一哥”，特斯拉深知電池對于自身的重要性。
對于特斯拉下一步將會使用什么電池，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院涂江平在接受采訪時表達(dá)了自己的看法，他告訴 DeepTech：“未來特斯拉應(yīng)該會使用大容量電池，管理系統(tǒng)比較簡單，材料體系則會往準(zhǔn)固態(tài)走?！?
數(shù)據(jù)顯示，目前電動汽車產(chǎn)業(yè)電池成本能夠占到整車的 40% 左右，電池占據(jù)電動汽車成本的大頭，同時，電池的性能直接關(guān)乎汽車的整體性能表現(xiàn)，比如核心的續(xù)航能力等。
類似于手機(jī)的超長待機(jī)，超長續(xù)航是特斯拉所一直追求和突破的，而電池正是決定電動汽車?yán)m(xù)航的核心。然而，想提高電動汽車的續(xù)航，一味地靠加大電池容量并非明智之舉，提升電池的能量密度才是正道，而固態(tài)電池正是目前極具潛力的新型電池之一。
全固態(tài)電池為什么讓特斯拉 “愛恨交加”
提到新型電池必然少不了固態(tài)電池 —— 這個被業(yè)界普遍看好的電池品類。首先解釋一下什么是固態(tài)電池？其全名是固態(tài)鋰離子電池，是一種沒有液體電解質(zhì)的電池。與之相反的則是液態(tài)鋰電池，比如大家最常見的鋰離子電池，也就是你手中手機(jī)的電池。
值得注意的是，“固態(tài)電池” 和 “全固態(tài)電池” 是兩個不同的概念。據(jù)了解，根據(jù)電解質(zhì)的種類，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰電池、固液混合鋰電池和全固態(tài)鋰電池三類。
圖｜液態(tài)鋰電池和固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)示意（圖片來源伊維智庫）
它們最主要的區(qū)別是電池內(nèi)部液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)的比例不同。比如固液混合鋰電池內(nèi)含有一定量的液體電解質(zhì)，而全固態(tài)鋰電池內(nèi)沒有液體電解質(zhì)，全部都是固態(tài)電解質(zhì)。
得益于全新材料和獨(dú)特結(jié)構(gòu)，全固態(tài)電池所具備的優(yōu)勢幾乎是壓倒性的，綜合安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性等性能等各個方面都表現(xiàn)優(yōu)異，很明顯，這些優(yōu)點(diǎn)恰恰都是特斯拉 “夢寐以求” 的。但全固態(tài)電池也有一個致命缺點(diǎn)，那就是成本過高，確切的說是現(xiàn)階段成本很高，顯然，這又讓特斯拉 “望而卻步”。
關(guān)于全固態(tài)電池，中國工程院院士陳立泉曾對媒體表示：“液態(tài)鋰電池容易引發(fā)安全憂慮，300Wh/kg 的能量密度也已到達(dá)極限。下一步要發(fā)展固態(tài)電池，或者逐漸過渡到全固態(tài)鋰電池?！彼a(bǔ)充稱：“固態(tài)電池的負(fù)極材料可以是納米硅和石墨的復(fù)合負(fù)極，正極可以是錳酸鋰、富鋰錳基材料或不含鋰的正極材料，電解質(zhì)是固體電解質(zhì)，能量密度可達(dá) 300~450Wh/kg?！?
對于全固態(tài)電池的技術(shù)現(xiàn)狀，中國科學(xué)院物理研究所李泓也曾公開表示：“總體而言，固態(tài)電池在世界范圍內(nèi)尚處于研發(fā)階段，目前還沒有企業(yè)展示綜合性能及成本都能與液態(tài)鋰電池相媲美的大容量固態(tài)動力電池?！?他還說：“由于全固態(tài)鋰電池目前尚未完全解決循環(huán)過程中固相界面接觸及體積膨脹問題，材料體系、生產(chǎn)工藝、應(yīng)用技術(shù)因此也不成熟，并未形成供應(yīng)鏈、得到充分驗證，短期內(nèi)無法實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，預(yù)計還需約 5 年時間。”
就在前不久，中國科學(xué)院院士、汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實驗室主任歐陽明高也曾說過類似的話：“如果某一位說他的車既能跑一千公里，又能幾分鐘充完電，還特別地安全，而且成本還非常低，那大家不用相信，因為這在目前是不可能同時達(dá)到的?！?
顯然，就現(xiàn)階段而言，雖然全固態(tài)電池優(yōu)勢突出，但受到目前工業(yè)技術(shù)水平的限制，短期內(nèi)難以實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。
特斯拉放大招，自研的 4680 新型電池是何來頭？
既然短期內(nèi)等不來全固態(tài)電池，于是特斯拉便開始 “自立門戶” 研發(fā)制造新型電池。
去年 9 月，特斯拉在 “電池日” 上發(fā)布了全新的 4680 電池。據(jù)了解，這款電池的直徑為 46mm、高度為 80mm，其最大的特征是采用了激光雕刻的無極耳技術(shù)，突破圓柱電池的尺寸限制，由于沒有了電池主要發(fā)熱部件，電池的熱穩(wěn)定可控性更高。而且這樣的設(shè)計令功率輸出提升了 6 倍，續(xù)航里程提升了 16%，每千瓦時的成本下降了 14%，而且充電時間也大幅縮減。
圖｜特斯拉 4680 電池的外觀（來源：特斯拉官方微博）
圖｜特斯拉 4680 電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：特斯拉官方微博）
新型 4680 電池在能量密度、性能、成本、安全等多個維度都實現(xiàn)了不小的跨越，與目前正在使用的 2170 電池相比，其能量密度提升了 5 倍。在 “電池日” 上特斯拉還展示了 4680 電池的組裝信息，據(jù)介紹，新的電池包采用無模組設(shè)計，大約由 960 個 4680 電池組成，相比上千個 2170 電池組成的電池組要少一些，而且電池包的能量密度達(dá)到了 300Wh/kg。
使用新型電池后，特斯拉電動汽車的續(xù)航里程將增加 54%，成本將下降 56%。顯然，這種 4680 電池一旦量產(chǎn)，將大大助力特斯拉實現(xiàn)降低制造成本的目的。
簡單概括總結(jié)一下就是：特斯拉開發(fā)的 4680 新型電池成本更低、能量密度更大、充放電功率效率更高。
對此，有業(yè)內(nèi)人士根據(jù)特斯拉 Model 3 的目前售價進(jìn)行了粗略估算，若采用這種 4680 新型電池后其售價很可能低至 16 萬元左右。
圖｜特斯拉 4680 電池的 “無極耳” 技術(shù)
早在2020年5月特斯拉便披露了4680電池?zé)o極耳技術(shù)：其核心設(shè)計理念是通過正負(fù)極集流體與蓋板 / 殼體直接連接，成倍增大電流傳導(dǎo)面積、縮短電流傳導(dǎo)距離，從而大幅降低電池內(nèi)阻，減少發(fā)熱量延長電池壽命，并提高充放電峰值功率；并通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)件、簡化電池生產(chǎn)工藝流程等，提升電池標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能力、降低電池成本。
對于特斯拉的 4680 電池技術(shù)，涂江平告訴 DeepTech：“這個是成熟技術(shù)，他們叫無極耳技術(shù)，我們叫全集流體技術(shù)，早在 2014 年我們就獲專利了，國內(nèi)大圓柱電池現(xiàn)在基本都采用這個結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝?！?
特斯拉快馬加鞭，加速自研電池落地量產(chǎn)
特斯拉作為一家車企，起初在電池領(lǐng)域的技術(shù)沉淀較少，只是通過第三方采購電池或者合資共建的方式保障電池供應(yīng)。
從 1865 電池到 2170 電池，特斯拉一直都在堅持提升電池能量密度、降低電池成本的策略。2017 年，特斯拉引入電池科學(xué)家 Jeff Dahn 研究團(tuán)隊從技術(shù)、工藝等方面重新布局電池領(lǐng)域。2020 年，特斯拉宣布自建新型電池試驗線，同年 5 月披露 “無極耳” 電池專利，9 月正式發(fā)布 4680 新型電池。
據(jù)悉，目前特斯拉正計劃在德國的格林海德市建設(shè)一個超級工廠，由汽車工廠和電池工廠兩部分構(gòu)成，分別生產(chǎn)新款 Model Y 電動汽車和新型電池。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部也在上周批準(zhǔn)了啟動電池工廠建設(shè)初步方案。
目前，特斯拉正計劃為電池工廠招募員工。有媒體消息稱：“特斯拉計劃在這個電池工廠大批量生產(chǎn)性能更佳的 4680 新型電池?！?
馬斯克去年就曾表示，已經(jīng)在美國的得克薩斯州 “試點(diǎn)工廠” 試制 4680 電池。未來，隨著格林海德市電池工廠的建成，屆時或?qū)⒊蔀槭澜缟弦?guī)模最大的汽車電池工廠。
依托自研自制的 4680 新型電池，特斯拉還能讓整車的綜合成本進(jìn)一步降低，這很好的契合了特斯拉 “低價搶市場” 的商業(yè)策略，以加速特斯拉拓展全球市場，尤其是東南亞、南美等欠發(fā)達(dá)地區(qū)市場。
4680和全固態(tài)，哪個會是特斯拉未來的押寶對象？
特斯拉大費(fèi)周章的自研電池，那這種 4680 電池會是特斯拉未來的押寶對象嗎？短期是，但長遠(yuǎn)看未必。結(jié)合消費(fèi)市場、商業(yè)策略等綜合因素分析，特斯拉使用 4680 電池更像是一種 “不得已的選擇”，也可以理解為是一種過渡。
回顧去年 “特斯拉電池日”，發(fā)布會上展示更多的是特斯拉自研電池的創(chuàng)新思路，包括外觀、結(jié)構(gòu)以及制造工藝等等。細(xì)看不難發(fā)現(xiàn)，其實 4680 新型電池的核心電化學(xué)體系并沒有革命性的創(chuàng)新，也沒有超越包括寧德時代、LG 化學(xué)、松下等專業(yè)電池企業(yè)的研發(fā)范疇。
在電池技術(shù)日新月異的當(dāng)下，國內(nèi)的一些電動汽車品牌也相繼推出了全新電池品類，比如固態(tài)電池、石墨烯電池等等，然而相較于這些，特斯拉的 4680 電池似乎是最接近能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的。
至于最近熱度頗高的石墨烯電池，就目前而言，石墨烯在電池領(lǐng)域的應(yīng)用，一是作為負(fù)極材料，二是作為導(dǎo)電添加劑。事實上，用石墨烯做負(fù)極材料會導(dǎo)致成本極高，且目前技術(shù)尚不成熟。但如果是被用作導(dǎo)電添加劑，嚴(yán)格來說，這種電池應(yīng)該被稱為 “石墨烯基電池” 或 “摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池”，顯然這和傳統(tǒng)意義上的 “石墨烯電池” 是兩個不同概念。
對此，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員陳成猛曾向 DeepTech 透露：“在鋰離子電池領(lǐng)域，石墨烯目前僅作為輔助性的填料使用，在主體材料或電化學(xué)體系沒有技術(shù)突破的情況下，其應(yīng)用僅可改善儲電部分性能，但效果遠(yuǎn)達(dá)不到 ‘顛覆’ 的程度，將這類電池稱為 ‘石墨烯電池’ 也是不科學(xué)的?！?
縱觀過往，任何科技產(chǎn)品的普及都要經(jīng)歷一個由研發(fā)到量產(chǎn)的過程，只是這個過程或長或短。具體到全固態(tài)電池，從實驗室研發(fā)，到投產(chǎn)制造，再到大規(guī)模量產(chǎn)，整個時間周期很長，更為關(guān)鍵的是成本。
特斯拉的商業(yè)策略是 “低價搶市場”，在這個策略下，雖然全固態(tài)電池 “無限好”，但成本是個 “硬傷”，而且距離大規(guī)模量產(chǎn)還有很長一段路要走，所以，特斯拉短期內(nèi)使用的可能性不大。當(dāng)然，也不排除特斯拉試驗性地將全固態(tài)電池率先應(yīng)用在非量產(chǎn)尖端車型的可能。
最后，不妨大膽的猜想預(yù)測：特斯拉下一步大概率會使用全固態(tài)電池，但在全固態(tài)電池成本尚未降到合理水平時，自研的 4680 電池?zé)o疑是一個很好的過渡。
