看懂Tesla 電池日在說什麼

西卡 2020-09-26 9425


晚了好幾個月的Tesla 電池日,終於順利在九月底召開了。而電池日結束後當日盤後以及次日股價大跌,個人覺得主要原因有二,一是不少華爾街分析師看不懂、二是電池日說的都不是短期、容易實現的目標,需要非常多工程上的努力才能實現Tesla 在電池日上所說的願景。如果要用一句話說明,那還是那句老話:加速世界轉向永續能源發展。而電池日就給了一份要如何實現這一目標的基本藍圖。

 

若你不想看細節,那想了解電池日只要看完這一段就好。Tesla(或者說是Elon Musk) 覺得目前世界轉往永續能源發展的步伐還是太慢、電動車還是太貴,為此,我們需要大量便宜的電池。需要多少呢?光是電動車這一部分每年就需要10TWh 的產能,大約是2019年的100倍、而在永續能源方面也大約需要10TWh,這大約是2019年的1600倍。那要如何達到生產大量的便宜電池這一目標呢?Tesla 從五個方面著手,分別是1. 新的電池設計、2. 電池產線的革新、3. 電池陽極材料變革、4. 電池陰極材料變革、5. 電池組的新設計,若將這五項全實現了那電動車續航力可以增加54%、成本可以降低56%、投資成本可以降低69%,有了這些作為基礎,Tesla 就能夠推出絕大多數大眾都可負擔的25000美元電動車,而Tesla 也給自己設定了電池產能目標:2022 產能100GWh、2030年3000GWh,要知道在2020年上半年全球動力電池出貨量加起來也只有42.6GWh,這個目標非常的激進,也因此受到不少人的質疑。

 

Tesla battery day 影片:

 

前面有點沉悶的股東大會結束,重頭戲電池日登場時Elon Musk 先用了一段2020年9月實際拍攝的城市空拍做為開場:

 

一面說明全球暖化帶給人類生活什麼樣的影響,也一面強調"加速"世界轉往永續能源發展的重要性,速度,真的很重要。

 

 

用了兩張圖簡潔的表示要讓全球交通電動化以及轉往使用永續能源大約需要各10TWh 的電池,這分別是2019年的100倍與1600倍的產能。

 

 

若要達成這20TWh 的產能目標,以現有能力來看,這將會需要135座Gigafactory、2兆美元的資金、以及280萬人投入工作。顯而易見,若不做些根本改革的話無法實現20TWh 的產能目標。

 

 

所以我們需要更便宜的電池,但是以目前的趨勢來看,電池成本的下降已經到了一個平緩期,成本下降的幅度太慢。而電動車市場雖然還在成長中,但電動車對於絕大多數人來說還是太貴。

 

 

為此,Tesla 從五個方面著手,分別是1. 新的電池設計、2. 電池產線的革新、3. 電池陽極材料變革、4. 電池陰極材料變革、5. 電池組的新設計。

 

 

在電池設計部分,首先介紹了鋰電池的基本架構與充放電過程,傳統電池有著極耳設計,電流不論充放電都會通過極耳造成發熱,這是電池尺寸無法做大的主要原因之一,電池尺寸越大內阻越大熱量堆積就越多,而通過無極耳(tabless)設計,可以大幅度降低內阻減少發熱,所以電池的尺寸選擇就變得更加自由。

 

 

而Tesla 經過驗證以及考量過後,認為電池直徑46mm、高80mm 的設計會是最佳選擇。而這種無極耳的4680電池比起之前的2170電池單顆電量變為5倍、續航力增加了16%、功率變為6倍。要注意的是這裡指的電量5倍這件事情有某些人誤認為是能量密度變為5倍,這是不正確的。因為4680電池體積約是2170電池的(46/21)^2 * (80/70) = 5.48倍,重量也增加了,所以其能量密度應該是相差不大的,只是單顆的電量變為5倍。

 

 

經由無極耳技術,使得電池尺寸增大成為了可能,而這也給成本帶來了下降14%的改善。

 

 

接下來講到了電池工廠產線的改良,Tesla 從兩個古老工業 - 印刷業與製瓶業中獲取許多靈感,最終想要讓整條電池產線像沒有紅綠燈的高速公路一樣快速運轉。

 

 

而電池生產大致上可以分成四個部分,分別是電極生產、繞捲、組裝、和活化(Formation)。

 

 

目前製造電極的方式是濕式工法,需要將原料以及溶劑混合後,然後用大烤箱烘乾,並且回收溶劑,需要龐大能源以及空間。

 

 

而Tesla 之前收購的Maxwell 公司所擁有的乾電極技術可以不使用溶劑,所以也就不需要大烤箱與回收溶劑,這大幅降低了能源使用,所需的空間也減少了很多。不過根據Elon 的說法,要把乾電極技術應用到量產上還有許多問題要解決,已經達到了可以運作的階段但是產能不高,而目前使用的是第四代設備,他預估可能要到第六代或者第七代才能夠大規模生產,不過改進的速度非常的快,大約三到四個月就會換代一次。

 

 

另外透過改良產線,可以讓一條產線每年生產20GWh 的電池,相當於以往7倍的產能。

 

 

而電池的活化(Formation) 也非常的重要,這是對電池充電以及放電並驗證電池品質的過程,而Tesla 已經在這方面非常的有經驗,他們已經對了數十億顆電池進行了充放電,透過他們的技術可以將這方面的投資減少86%,並且佔地面積減少75%。

 

 

所以在電池產線的改革上,可以做到在投資額減少75%、用地面積只有十分之一的同時將產能提升7倍。

 

 

所以Tesla 的目標是在2022年自製電池產能可以達到100GWh,到2030年達到3000GWh,與此同時還會加深與原來電池供應商的合作,例如松下、LG、寧德時代等(可能還有其他),跟他們採購更多的電池。

 

 

從新的電池設計、電池產線的革新這兩方面,已經可以將成本降低32%,底下開始介紹陽極材料:

 

 

目前鋰離子電池大多用石墨來做為陽極材料,不過矽不僅在地球上含量豐富,相較於石墨更可以儲存9倍的鋰離子。

 

 

不過其缺點就是充電時矽會膨脹為原來的四倍,這會使矽破碎變成粉狀,大幅降低其充放電能力,所以沒人用純矽來做為鋰電池陽極材料。

 

 

而目前已經有許多人在研究解決這問題,從左到右分別是使用SiO(成本 6.6 $/kWh)、石墨包覆技術(成本 10.2 $/kWh)、奈米線(成本 >10 $/kWh)、Tesla 自己的解決方案(成本 1.2 $/kWh)。

 

 

而Tesla 自己的解決方案是在矽外部增加彈性的離子聚合物塗層以穩定矽表面結構,提升電池穩定性和安全性。該技術可增加 20% 的續航里程,同時成本降低 5% 。

 

 

而電池的陰極材料對於提升能量密度也很重要,因此Tesla 開發出不含鈷的高鎳陰極材料,最大化提升鎳含量,同時採用新的塗層與摻雜物,將陰極成本下降 15%。在這邊Elon 他們用了書與書架的比喻來形容鋰離子與陰極的關係,而鎳的能量密度是最好的,同時價格也比鈷要低;而鈷雖然能量密度降低而且貴,但是用它做成的書架卻是最穩固的。

 

 

不過Elon 也表示,磷酸鐵鋰電池未來也會大量使用在入門車款以及儲能上,Tesla 會根據產品性質的不同運用不同的電池材料,例如中等續航力的車款會採用鐵基材料、在往上可能會用鎳錳材料,而需要最高續航力的Tesla Semi 與Cybertruck 就會使用鎳含量高的電池。

 

 

另外在陰極材料的製造上,除材料外其成本佔了約35%,Tesla 認為這裡面有很大的改善空間。

 

 

這是傳統的過程,用了很多水跟成本並且產生一大堆廢水只得到一點點成品。

 

 

Tesla 改進了這一過程,只用了一些水並且沒有廢水的產生。

 

 

最終得到的成果就是減少了66%的投資、與76%的成本、並且是零廢水。

 

 

而上面的過程同樣可以應用到回收電動車電池、儲能裝製電池然後再製新電池上,也就是同時應用到礦產開採以及電池回收再製新電池上。

 

 

有了這些基礎,Tesla 準備利用現存所有的北美資源(包括鎳和鋰),在北美建立自己的在地陰極供應鏈及生產線,這可以將物料運輸里程大幅減少80%,這對於降低成本來說相當重要。

 

 

在鋰礦開採這部分,Tesla 將率先使用一種無硫酸鹽製程,只需要使用氯化鈉(鹽)就能夠從礦石中萃取鋰,而據他所知,目前還沒有人這樣做過。而礦石萃取出鋰後,會將其放回原來的位置,用此方式進行開此的土地大致上會維持原貌,不僅對環境友好並且可以降低33%的成本。而Gigafactory 所在的內華達州本身就具有豐富的鋰礦藏,Tesla 已經在該州取得了超過一萬英畝鋰礦的開採權利,這已經足夠讓全美使用。

 

 

而當電池最終達到了20TWh 產能供給電動車以及永續能源使用後,就可以不必再開採新的礦產了,從表中就可得知,從舊電池回收各種金屬(鎳、鋰、鈷)會更有效率的多,而Tesla 覺得他們可以做的比第三方回收商更好,因為他們很了解他們自己的電池。

 

 

以上這四個目標達成後,就已經能減少49% 的成本,而最後一項是電池組的新設計。

 

 

車身的壓鑄是Tesla 已經研究很久的技術,現在Model Y 的後車身已經是由兩大塊壓鑄件所構成,未來很快會變成單一鑄件。這用到了史上最大的壓鑄機,目前已經在Fremont 工廠運作,為此Tesla 甚至開發了新的鋁合金,這將可以使得壓鑄件不需要塗層或者經過熱處理,除了後車身,未來前車身也將會是一整塊巨大的壓鑄件。

 

 

至於中間的電池組,使用了類似飛機油箱的設計想法。早期的飛機油箱是包覆在機翼裡面,油箱並不是機翼結構的一部分,而後來就直接乾脆製造機翼形狀的油箱。Tesla 借鑑了這種想法,重新思考電池組的設計,從以前將許多電池包裝成電池模組、再將數塊電池模組放入電池組的做法改為了將電池視為結構的一部分,直接將電池放入電池組中:

 

 

這樣做的好處從圖中的電池組橫截面就可以看出,減少了更多材料的使用使重量減少,同時使得電池的擺放位置更加的集中,這會改善車輛的操控性以及安全性。並且由於固體的電池被固定在電池組中,這形成了一種很好的車身結構,可以讓車輛擁有超高強度的車身。

 

 

前後車身這兩塊巨大壓鑄件與重新設計的電池組組合起來就構成了車身的基本架構,這將可以使得續航里程增加14%並且減少了370個零件,在降低成本的同時也使得製造更加快速。

 

 

而從工廠的角度來看,這也將可以大大的減少工廠用地與資本投入。

 

 

達成這五大目標,就可以使得成本一共降低56%。

 

 

在降低56%成本的同時,也增加了54%的續航力、並且減少了69%的資本投入。

 

 

回到最初的那張電池成本下降曲線圖,透過這五大目標的改良後,電池成本就能夠再次的快速下降。

 

 

這也使得Tesla 一直以來想造一台人人都負擔的起的25000美元電動車(同時還俱備自動駕駛功能)的理想成為了可能。Elon 也給出三年後推出的時間表,只是不曉得這是Elon time 還是 real time?

 

在電池日結束後,質疑的負面聲音也很多,大多數是質疑Tesla 真能做到這些事情嗎?不但要自己造車、造電池,連陰極材料也要自己做,甚至連採礦也要參一腳。這就只能等待時間來驗證,2030年Tesla 自製電池要達到3000GWh 這個目標就算不能完成甚至只做到十分之一,那也是相當了不起了。而另一種質疑的聲音則是認為Tesla 在電池日根本沒有提出什麼創新的想法跟黑科技,都是以前別人就做過或者是已經在研究當中,像是無極耳技術(tabless)有人說這早就有人在做,只是人家叫做全極耳、而新的電池組構造也類似於早有人提出的CTC或CTV技術,不過個人認為已經有人在研究或者是先提出並不能代表什麼,直徑超過40mm 的全極耳圓柱電池有誰在生產或者是用在哪輛電動車上了嗎?就我所知並沒有;這就像觸控螢幕在手機上的應用很早就有了,但是發揚光大將其應用到極致並大量生產的是Apple 一樣,有任何好的技術或想法要做成可用且好用的產品並不是那麼容易,從想法或是從實驗室階段到大量製造這一步才是最困難的,像是寧德時代今年提出了CTC(Cell to Chassis) 技術的想法,但他的規劃卻是2030年才要落地成為產品,Tesla 可能比他要早5年或7年就會將這個新電池組放到消費者手中了,難道就要因為寧德時代先提出了類似的想法所以就要覺得Tesla 根本沒什麼嗎?

 

整合、製造、實現才是最困難的,有想法只是第一步,每個人每間公司其實都是站在巨人的肩膀上前進的。

 

另外Tesla 最後也在電池日發布了三電機版的Model S Plaid,Only thing beyond ludicrous is plaid !

 

1/4 mile 小於9秒、0-100 km/h 小於2.1秒,各項性能數據實在太恐怖啦!!!

延伸閱讀:Tesla Model S Plaid 在Laguna Seca 賽道做出1:30.3 的成績

此文截圖相簿:http://https://mega.nz/#F!KuZVGC6Z!dJzDbEpCdr4t1nsvLgwDTA


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