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特斯拉马斯克:下一步我干啥?你猜

北极星储能网  来源:虎嗅APP  作者:孙鸣远  2020/2/24 14:26:17  我要投稿  

北极星储能网讯:2月19日,路透社和几家外媒发布了一条关于特斯拉与宁德时代合作的新消息,让业内人士和特斯拉粉丝们争论不休。多家媒体据所谓“内部人员消息”得知,特斯拉将采用宁德时代“无钴”锂离子电池(下文统一用“锂电池”代替),但没有进一步的任何细节消息。

(作者 | 孙鸣远;题图 | ThirdRowTesla;出品 | 虎嗅汽车组)

之后特斯拉对此并未作任何回应,而宁德时代对此的回应是:“一切以公告为准。”

依据“无钴”锂离子电池的线索,人们联想到了宁德时代量产的LFP锂电池(LiFePO4,磷酸铁锂电池),又因为LFP锂电池较低的能量密度,继而想到了去年9月宁德时代在2019德国法兰克福车展上展出的CTP(Cell to Pack,电芯直接整合进电池包)技术,并以此猜测特斯拉将会采用宁德时代的LFP锂电池以及CTP技术,甚至是宁德时代超级快充(8%~80%仅用15分钟)等技术。

一时间,关于LFP电池和CTP技术的各种猜测不绝于耳,但抛去无聊的争论之外,其实最核心的问题就一个:“特斯拉真的会采用LFP电池么,如果采用LFP电池是否导致特斯拉续航退步?”

要解释清楚这个问题,得从电动车续航开始讲起。

续航之王

特斯拉之所以能在电动汽车领域站稳脚步,除了自动驾驶、操纵性等一些优点之外,最关键的就是其续航一直领先于其他对手。早在2012年特斯拉发布的初代Model S,其续航甚至比现在几家豪华车企的电动车还要优秀,不仅如此,特斯拉随后在更新换代以及不断升级后,Model S的续航更加夸张。

马斯克近期在推特发布了一条信息称:“特斯拉Model S的EPA续航已经升级至390英里(630公里),近几个月生产的特斯拉Model S/X续航都已经超过了EPA测试的标称续航,同时将会通过OTA升级给现有用户升级,提高续航。”

官网Model 3续航数据已经从此前的373英里(600公里)改为了390英里(630公里),Model X续航数据从此前的328英里(528公里)改为了351英里(565公里)。且根据马斯克所说,该数据依然是保守估计,如果更换轮胎续航能超过400英里(644公里)。

(注意马斯克的第二条回复:最近几个月非常多的硬件改进,划重点,下文要用)

此处不多解释为什么不同测试工况下的续航不同,只需要记住续航最接近真实情况的是EPA工况,其次是WLTP工况(目前国内采用的国标综合工况法就是这种),最后是NEDC工况。根据大量数据的对比,可以大致算出国标工况续航/EPA续航约等于1.14,也就是说在中国标称的续航数,除以1.14后基本就是美国市场EPA续航数值。拿两边市场相同硬件的Model 3长续航版本举例,国内标注的续航为590公里,美国标注的续航为322英里(518公里),比值为1.138,而早期国内采用的NEDC则要除以1.43才约等于EPA续航。

回到主题,特斯拉能够称霸电动车续航多年,并非只是电池技术的优秀所能达到的,是电机、BMS(Battery Management System,电池管理系统)、温度管理系统、风阻系数等多方面技术综合的结果。举个简单的例子,市面上拥有比特斯拉电池包更大容量的电动车,其续航却不如特斯拉的比比皆是。

那么既然续航如此之好,为何要换电池呢?

三元锂电池的优劣

市面上由于特斯拉的影响以及电动车发展的必要,对电池的能量密度要求越来越高,原因很简单,能量密度决定着在有限空间和重量范围内,能够加装多大的电池,从而影响续航能力。而三元锂电池(镍盐、钴盐、锰盐、三种复合正极材料被称之为三元)由于其优秀的能量密度,所以认定为是最合适的方案。

NCA也好,NCM也好,根据其不同材料的占比,被称之为811、622等多个名称。下文皆以行业普遍采用的811结构为标准。

基于三元锂电池的工作原理(电池知识参考笔者另一篇文章:200电池进化史),要实现较好的能量密度,钴元素不可缺少,钴能够为化学结构带来热稳定性(安全性)和高能量密度,而镍元素比例的提高也可以提高能量密度。但由于钴的价格非常昂贵,所以电池产业逐渐增加镍的比例,同时配合其他元素去稳定化学结构,以保证安全性,比如锰和铝,这也是为什么行业中主流方案皆是NCM(镍钴锰酸)和NCA(镍钴铝酸)三元锂电池。

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但问题来了,首先是三元锂电池中,镍、钴、锰元素皆为有毒元素,所以发生意外时,其元素的释放可能导致安全问题;其次,镍元素在地壳含量排名24位,锰在地壳含量排名12位,虽然钴也不算稀有,排在31位,但其资源绝大多数储存在刚果,由于政治动乱、童工使用、暴动等各种原因,加上产业寡头的控制,钴的开采不仅存在“血钻”的影响,价格还在连年攀升,2018年时,每磅镍为4美元,每磅锰为0.93美元,而钴则是40美元每磅,且数字还在上升。

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并且不仅钴的开采和价格有问题,镍的开采同样存在危机。虽然全球镍资源储量丰富,但由于镍矿资源以硫化镍矿和红土镍矿为主,而硫化镍经过长期开采面临枯竭,导致红土镍矿需求增高。然而红土镍矿的主要产地印尼在2019年10月曾发布禁令,禁止红土镍矿对外出口,从而导致镍的价格也进而上涨。

由于上述多种原因,其实行业内多家企业都在寻求答案,即便暂时找不到替代品,也想方设法减少钴的使用。例如特斯拉历代采用的锂离子电池,其实一直在减少钴的使用。

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根据2018年马斯克在推特的消息,特斯拉所采用的电池,其钴的使用已经低至3%,并且称下一代电池产品将会杜绝钴的使用。

此外,特斯拉在去年收购超级电容&固态电池公司Maxwell、爆出100万英里寿命的电池配方专利,和前一阵收购初创电池公司SilLion、特斯拉在弗里蒙特建造电池生产线,都在显示特斯拉一直在寻求新电池技术。

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(专利中100万英里寿命的新电池配方名字)

那么LFP电池的争议点在哪呢?

特斯拉目前采用的是松下提供的NCA(镍钴铝酸)三元锂电池,其单电芯能量密度目前在250Wh/kg左右,而LFP单电芯能量密度最高仅有190Wh/kg,所以根据“数值大”获胜原则,推导出如果特斯拉采用LFP锂电池则会导致续航下降。

但实际情况并非如此,仅计算单电芯能量密度是不够的,电动车所搭载的“能量来源”是电池包,而非单个电芯,电芯需要加入安全系统、温度管理系统、BMS等诸多硬件之后,整合为电池包,才能被电动车所使用。

虽然特斯拉所采用的NCA锂电池的确由于配方和技术优势,达到了较高的能量密度,但是由于要保证温控及安全性,特斯拉整个电池包的能量密度差不多在170Wh/kg左右。而宁德时代目前已经搭载于量产车的LFP锂电池虽然单体能量密度仅有175Wh/kg左右,但采用了CTP技术其系统的能量密度已经能够做到160Wh/kg。

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(资料来源:CIAPS,GGII,松下财报,特斯拉财报,中金公司研究部)

此外更重要的是,从Model S到Model 3的电池包变化就能看出,特斯拉也在采用类CTP技术。需要说明的是,几乎所有电动车所采用的电池包,无论是圆柱形电池,还是方型电池和软包电池,全部都是由单个单芯(Cell)组成电池模组(Module),再整合入电池包(Pack),这种方式具有维修时可以单独换某一个模组、便于工厂生产等优点,但缺点也很明显,由于模组的存在,所以会导致更多的结构增加重量和占用体积,由此导致整个系统的能量密度下降。所以特斯拉在后来设计Model 3时,就简化了模组的存在,由原来Model S的15个模组(另一个版本16个模组),简化为了Model 3仅有的4个模组,由此大大提高了整套系统的能量密度。

马斯克在今年1月参加Third Row Tesla的播客节目时,曾提到设计Model S时考虑了维修便捷以及更换电池包等因素,所以将电池包设计为多模组,而现在Model 3不能便捷更换电池包,加之整个电池和电池系统技术逐渐成熟,未来将会考虑CTP技术,将电芯直接装入电池包进行统一管理,从而进一步提升系统能量密度。

(特斯拉在2013年展示的Model S换电技术,后来并没有推向市场,但在展示阶段,换一次电池总共花费1分35秒)

这种趋势是全行业的,比如宁德时代在2019法兰克福车展展出的CTP技术,比亚迪在去年年末展出的“刀片”电池技术,全部都是从电池包角度入手,在电池技术本身没有突破性进展时,通过结构设计入手,在保证安全、性能的同时,通过提高电池包中电芯的占用率,从而提高整套系统的能量密度。

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(宁德时代CTP技术)

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(比亚迪“刀片电池”CTP技术)

根据宁德时代的说法,采用CTP技术后,其电池包的零部件数将减40%,系统能量密度未来将会提升到200Wh/kg左右,按照特斯拉目前Model 3的75kW·h(实际容量在80kW·h左右)电池包,同样重量(477.3kg),如果搭载宁德时代CTP电池包后,其总能量将提升至95kW·h左右(实际容量)。

此外LFP锂电池中,不仅几种元素都非常丰富,且相比于三元锂电池,毒性低很多。最重要的是LFP锂电池价格相对较低,因为近几年三元锂电池的需求暴增,和沃特玛的暴雷,导致库存量激增,从而使得LFP锂电池的价格陡降。

根据GGII数据,三元与铁锂PACK的不含税价格为0.83、0.75元/Wh,而到2020年,根据CIAPS数据,三元与铁锂PACK的不含税价格已下降至0.77、0.64元/Wh,而三元与铁锂电芯的价格已下降至0.64、0.51元/Wh。铁锂当前单位价格低于三元15%以上。根据中金公司研究部对宁德时代成本的测算,材料价格导致的正极成本下降与更简单的热管理、BMS导致的电池包环节成本的下降使得宁德时代当前三元成本较铁锂低20%以上。

不仅如此,LFP锂电池还有一个重大优势,那就是LFP锂电池安全性和寿命要高于三元锂电池。

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