“我們會(huì)在年底之前實(shí)現(xiàn)4680電池的量產(chǎn)，但這很難預(yù)測(cè)，因?yàn)檫@里面有很多新的技術(shù)。”在8月初的特斯拉(Tesla Inc)2022年股東大會(huì)上，公司首席執(zhí)行官埃隆.馬斯克(Elon Musk)說(shuō)，“我們有信心將獲得高生產(chǎn)率，但可能要到今年年底，我們才能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量。”
但說(shuō)這番話時(shí)，馬斯克的聲音并不十分有信心。一身黑衣的馬斯克手持話筒，面容有些凝重，其間目光兩次垂向地面。較之兩年前的意氣風(fēng)發(fā)，似不可同日而語(yǔ)。
2020年9月，在特斯拉的“電池日”當(dāng)天，馬斯克推出了“劃時(shí)代”的特斯拉4680電池，根據(jù)其表述，這款電池將在2022年實(shí)現(xiàn)100GWh的產(chǎn)能規(guī)劃，為至少100萬(wàn)輛電動(dòng)車提供支持。
然而現(xiàn)實(shí)卻遠(yuǎn)未能如馬斯克所期。
時(shí)至今日，特斯拉只在美國(guó)位于加州弗里蒙特附近的加藤路工廠和位于得克薩斯州的奧斯汀超級(jí)工廠中，啟動(dòng)了4680電池的小批量生產(chǎn)。特斯拉的供貨方之一、電池廠商日本松下(Panasonic Corporation)則明確表示，4680電池目前仍然在測(cè)試階段，大規(guī)模生產(chǎn)要從2023 年4月才開(kāi)始。
不僅松下延遲了量產(chǎn)計(jì)劃，傳聞中4680電池的中國(guó)方面合作伙伴之一寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，相關(guān)規(guī)劃依然朦朧。8月17日，當(dāng)記者向?qū)幍聲r(shí)代相關(guān)負(fù)責(zé)人詢問(wèn)公司4680電池的量產(chǎn)進(jìn)展時(shí)，其表示，寧德時(shí)代尚沒(méi)有關(guān)于4680電池的信息需要披露。
4680電池遭遇了什么？
4680圓柱電池的全稱，是4680規(guī)格無(wú)極耳(全極耳)圓柱電池。4680是指電池的規(guī)格——46指圓柱電池直徑為46mm，80則指電池的高度為80mm。
據(jù)特斯拉對(duì)外公布的數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)2170圓柱形電池，4680電池的能量將是前者的5倍，車輛續(xù)航里程將提高16%，功率提升6倍，未來(lái)結(jié)合電池材料和車輛設(shè)計(jì)的改進(jìn)，續(xù)航里程凈增長(zhǎng)將高達(dá)56%，生產(chǎn)成本則可以節(jié)約54%。
特斯拉位于加州弗里蒙特附近的加藤路工廠，原本只是一個(gè)小型試點(diǎn)工廠，現(xiàn)在卻成為了4680電池的生產(chǎn)擔(dān)綱。得州超級(jí)工廠的4680電池生產(chǎn)線只是從今年二季度起開(kāi)始少量投產(chǎn)。
今年年初，加藤路工廠生產(chǎn)出了第100萬(wàn)只4680電池。而今年4月，首批裝載4680電池組的特斯拉Model Y在得州超級(jí)工廠組裝交付，其使用的電池也是由該廠生產(chǎn)。
目前，并沒(méi)有加藤路工廠公開(kāi)的電池產(chǎn)量和產(chǎn)能數(shù)據(jù)。但從今年上半年加藤路工廠泄露的一份文件中，可以略窺4680電池在該廠的生產(chǎn)效率。據(jù)autoevolution網(wǎng)站報(bào)道，這份泄露出的文件顯示，工廠當(dāng)天有14臺(tái)機(jī)器在運(yùn)行，其中13臺(tái)生產(chǎn)了質(zhì)量“良好”的電池，合格率超過(guò)90%，但有一臺(tái)例外，212號(hào)機(jī)器由于培訓(xùn)來(lái)自得克薩斯州超級(jí)工廠的員工，生產(chǎn)出了82%的“不良”電池。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)天電池整體的生產(chǎn)合格率是92%。
從產(chǎn)量來(lái)看，當(dāng)天加藤路工廠總共生產(chǎn)了6250個(gè)4680電池，而目前在德克薩斯州超級(jí)工廠組裝的一輛特斯拉Model Y大約需要安裝690個(gè)4680電池。按照加藤路工廠當(dāng)天的產(chǎn)量，每天生產(chǎn)的電池量支持大約10輛Model Y，這遠(yuǎn)低于得克薩斯超級(jí)工廠的目標(biāo)產(chǎn)量。
生產(chǎn)效率和產(chǎn)能都還在緩慢爬升。據(jù)長(zhǎng)期追蹤特斯拉的分析員特洛伊.特斯萊克(Troy Teslike)表示，8月，加藤路工廠的生產(chǎn)效率會(huì)提高，每周將生產(chǎn)220個(gè)電池包，而在得克薩斯的超級(jí)工廠每周將生產(chǎn)183個(gè)電池包。不過(guò)，特斯拉要到2023年5月才能達(dá)到每周生產(chǎn)5000個(gè)4680電池包。
而根據(jù)insideevs網(wǎng)站的報(bào)道，7月末，特斯拉動(dòng)力總成和能源工程高級(jí)副總裁安德魯.巴格里諾(Andrew Baglino)在一次投資者電話會(huì)議上稱，“特斯拉希望奧斯汀的電池廠能在2022年底前超過(guò)加藤路工廠的周產(chǎn)量，預(yù)計(jì)該工廠在年底前每周將生產(chǎn)超過(guò)1000個(gè)電池包。”
澎湃新聞?dòng)浾吡私獾?，根?jù)特斯拉的規(guī)劃，加藤路工廠的4680電池年生產(chǎn)能力將達(dá)到10GWh，大概可以滿足15萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的需求；得州超級(jí)工廠的產(chǎn)能預(yù)計(jì)年內(nèi)將建成60GWh。而目前特斯拉自身在建的4680電池產(chǎn)能中，還包括了特斯拉德國(guó)柏林的工廠，預(yù)計(jì)建成后達(dá)到20GWh，但產(chǎn)能要到2022年第4季度以后才開(kāi)始釋放。
伙伴方面，日本松下和韓國(guó)LG新能源公司都對(duì)外表示了4680電池的產(chǎn)能規(guī)劃。但此前松下已經(jīng)明確稱，目前4680電池還處于測(cè)試階段，公司將逐步拓展生產(chǎn)能力，為全面推廣做準(zhǔn)備。據(jù)了解，松下位于日本西部的歌山(Wakayama)工廠今年正建造兩條新的生產(chǎn)線，產(chǎn)能約10 GWh。在2023財(cái)年(2023年4月-2024年3月)，工廠將開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)4680電池。
韓國(guó)LG新能源公司在6月宣布將投資5800億韓元(約合 38 億元人民幣)，用于在韓國(guó)忠北梧倉(cāng)第二工廠新設(shè)4680電池生產(chǎn)線，為特斯拉供貨，產(chǎn)能達(dá)9 GWh，但投入量產(chǎn)的時(shí)間也是明年下半年。
松下能源部門首席執(zhí)行官忠信和夫(Kazuo Tadanobu)此前在接受彭博新聞社采訪時(shí)表示，4680電池有可能在保持安全性和提高性能的同時(shí)，降低電動(dòng)汽車的成本，從而推動(dòng)汽車行業(yè)取得重大進(jìn)展。然而，到目前為止，這個(gè)過(guò)程并不容易。
“這不僅僅是制造一個(gè)更大的電池。工作并不像有些人想象的那么容易。”忠信和夫說(shuō)，“松下在這方面已經(jīng)試驗(yàn)有一年多的時(shí)間。”他表示，電池的開(kāi)發(fā)過(guò)程“需要巨大的耐力”，改變電池的形狀需要“相當(dāng)大的腦路神經(jīng)”。
量產(chǎn)4680電池的困難在哪？
理論上，圓柱形電池的技術(shù)成熟度最高。在特斯拉早期階段，曾大量使用了松下的1865圓柱電池產(chǎn)品，但對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，1865電芯容量小(一般不會(huì)超過(guò)3 .5Ah)、所需的電芯數(shù)量多(6000-7000節(jié))，電池管理的難度大。于是，特斯拉聯(lián)合松下進(jìn)一步推出了2170圓柱產(chǎn)品。更大的體積可以容納更多的電極材料，還能節(jié)省結(jié)構(gòu)件空間。2170相較于1865有一定提升，但沒(méi)有質(zhì)的飛躍，只能看做是一個(gè)胖版1865。
在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，與1865和2170電池相比，4680電池的量產(chǎn)難度非常大，因?yàn)槠浯_實(shí)是多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的融合。
首先，其對(duì)電池卷繞機(jī)的精度要求較高，由于電池體積較大，對(duì)齊也更加困難。主要難點(diǎn)還存在于極耳的焊接工藝。4680電池中最讓特斯拉引以為傲的，是電池的無(wú)極耳(全極耳)技術(shù)。電芯的極耳是指從電芯中將正負(fù)極引出來(lái)的金屬導(dǎo)體，是電池充放電時(shí)的關(guān)鍵路徑。極耳的材質(zhì)與大小會(huì)影響電芯的內(nèi)阻，過(guò)流能力等。
傳統(tǒng)的18650圓柱產(chǎn)品由于容量較小，輸出電流較小，通常只有兩個(gè)極耳，分別連接正負(fù)極(見(jiàn)下圖左側(cè)所示)。而4680圓柱使用了全極耳設(shè)計(jì)，將從卷繞體兩端露出的正極鋁箔和負(fù)極銅箔揉成一個(gè)端面作為極耳(見(jiàn)下圖右側(cè)所示)。極耳數(shù)量增多，電流通路也變多，同時(shí)還可以縮短極耳間距，從而大幅減少電芯內(nèi)阻，達(dá)到有效減小電芯產(chǎn)熱量，提升電芯快充快放能量的目的。
目前，全極耳的制作工藝有切疊法和揉平法兩種。切疊法是特斯拉采用的一種解決方案，主要通過(guò)斜切成片卷起，表面起伏較大，容易造成極耳因接觸程度不一致，內(nèi)阻一致性差。
此外，當(dāng)電解液注入時(shí)，由于兩端都被極耳封閉，無(wú)法連續(xù)注液生產(chǎn)。揉平法是中國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)廣泛使用的一種方案，這種方法通過(guò)超聲波或機(jī)械摩擦將極耳揉成端面。極耳在壓平過(guò)程中，容易產(chǎn)生金屬碎屑，導(dǎo)致電芯自放電過(guò)大，甚至內(nèi)部短路。此外，揉平后端面較致密，電解液難以進(jìn)入電芯內(nèi)部。這些都將成為提高電池生產(chǎn)率的難題。
第二，電池的空間利用率低。在相同的化學(xué)體系下，大圓柱形電池的空間利用率遠(yuǎn)低于棱柱形電池。如果使用三元材料，棱柱形電池可以使用普通的鎳鈷錳(532)或鎳鈷錳(622)材料，但4680電池必須使用高鎳才能有類似的功率，其鎳鈷錳含量比例目前約為“811”。高鎳三元化合物雖然具有較高的能量密度，但也意味著熱失控風(fēng)險(xiǎn)較高，在系統(tǒng)保護(hù)層面必須予以重視。
第三，傳統(tǒng)方法散熱困難。電池產(chǎn)生的大部分熱量來(lái)自于電化學(xué)本身，圓柱型電池一般軸向散熱最快，側(cè)面散熱最慢。4680電池的大體積，使得這一特征更為明顯。在800V高壓充電下，電池會(huì)在短時(shí)間內(nèi)積累大量的熱量，側(cè)面散熱速度會(huì)變慢。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，會(huì)對(duì)電池的壽命產(chǎn)生更大的影響。特斯拉采用的方式是在頂部增加一個(gè)水冷板，達(dá)到側(cè)面和頂部雙向冷卻的效果，目前效果如何不得而知。
第四，負(fù)極材料不足。4680電池的負(fù)極在計(jì)劃中將采用碳化硅，以提高能量密度。然而，硅碳負(fù)極也有一些缺點(diǎn)。例如成本很高；副反應(yīng)多，膨脹大，一次充放電效率低，影響電池質(zhì)量；電池容易受硅體積變化的影響。SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜)被反復(fù)破壞和改造，鋰離子被大量消耗，可能會(huì)降低循環(huán)特性和電池容量。
不過(guò)，頗為玄妙的是，在8月初，根據(jù)長(zhǎng)期關(guān)注電動(dòng)車電池的技術(shù)頻道The Limiting Factor拆解了4680電池后進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果顯示，目前已經(jīng)生產(chǎn)出的4680電池負(fù)極中僅由石墨構(gòu)成，并不含硅材料。
或許，還需要點(diǎn)兒耐心
由于4680電池的產(chǎn)量障礙，特斯拉不得不繼續(xù)依賴其得州超級(jí)工廠生產(chǎn)的2170電池，來(lái)滿足model Y的需求。
“我們有足夠的2170電池來(lái)滿足今年剩余的新車需要。特斯拉今年并不需要依賴4680電池，但4680電池將在明年扮演十分重要的角色。”在股東大會(huì)上，馬斯克說(shuō)。4680電池的量產(chǎn)進(jìn)度或許并不會(huì)影響特斯拉今年生產(chǎn)150萬(wàn)輛新車的目標(biāo)，但2023年就不一樣了。
因?yàn)樗鼘?duì)特斯拉的電動(dòng)皮卡Cybertruck的順利量產(chǎn)非常關(guān)鍵。在發(fā)布Cybertruck時(shí)，特斯拉對(duì)外承諾了一系列的卓越性能，而4680電池為實(shí)現(xiàn)這些承諾所必須。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，特斯拉的4680的量產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于最初的計(jì)劃，直接影響了Cybertruck、電動(dòng)半掛式卡車Semi等車型的量產(chǎn)。
不過(guò)，好消息不是沒(méi)有。已經(jīng)生產(chǎn)的4680電池仍然在能量密度和快速充電性能方面展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)The Limiting Factor 對(duì)特斯拉 4680 電池的拆解化驗(yàn)報(bào)告，一節(jié)4680電池約重355g，總?cè)萘考s為26.136Ah，按照額定電壓3.7-3.8V計(jì)算，額定能量大概在96-99Wh之間。簡(jiǎn)單計(jì)算，目前4680電芯的能量密度大概在272—296Wh/kg，而根據(jù)特斯拉的迭代計(jì)劃，第二代4680電池能量密度將達(dá)到305 Wh/kg，第三代達(dá)到333 Wh/kg。
作為對(duì)比，比亞迪第一代刀片電池的系統(tǒng)能量密度為140Wh/kg，2025年預(yù)計(jì)大于180Wh/kg。寧德時(shí)代最新的麒麟電池三元高鎳體系的系統(tǒng)能量密度在255Wh/kg，磷酸鐵鋰體系下能做到160Wh/kg。就能量密度而言，4680電池有一定優(yōu)勢(shì)。
此外，今年4月，特斯拉交付了在德州超級(jí)工廠生產(chǎn)的裝配有4680電池的Model Y。第一批有機(jī)會(huì)駕駛這款新車型的客戶是奧斯汀地區(qū)的預(yù)訂用戶，不少提供了很多關(guān)于這款配備4680電池的里程測(cè)試和充電測(cè)試信息。
在一次測(cè)試中，用戶將電池在得克薩斯州的V3超級(jí)充電器上充電，3分鐘內(nèi)充到9%，12分鐘內(nèi)從9%充電到50%，在34分鐘內(nèi)達(dá)到80%，40分鐘內(nèi)達(dá)到90%，50分鐘內(nèi)達(dá)到97%。 不過(guò)，新的電池不能維持250千瓦的最高充電速度很長(zhǎng)時(shí)間，速度的最高值比2170電池下降得更快。
“無(wú)論如何，現(xiàn)在對(duì)4680電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估還為時(shí)過(guò)早。“有業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)說(shuō)。
特斯拉動(dòng)力總成和能源工程高級(jí)副總裁安德魯.巴格里諾則強(qiáng)調(diào)，特斯拉在4680電池上的挑戰(zhàn)是一個(gè)工程問(wèn)題，而不是科學(xué)問(wèn)題。這意味著，經(jīng)過(guò)足夠的優(yōu)化工作，特斯拉或許能夠走出4680電池的量產(chǎn)困境。
原標(biāo)題：4680電池：特斯拉跌入“量產(chǎn)煉獄”？
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