彻底击垮燃油车的组合拳，特斯拉新电池技术分析

北京时间9月23日，特斯拉将在年度股东大会之后举办“电池日”活动。

近期特斯拉CEO伊隆·马斯克（Elon Musk）发推预热电池日，这次似乎要宣布电池技术的重大进展。

让我们提前预测一下可能发布什么新技术。

早在去年4月，马斯克就宣布将在2020年投产一种新型电池，这种电池在失效前能够驱动特斯拉 汽车 行驶100万英里（约160万公里），是普通电池寿命的2-3倍。

我们知道电池能量密度一直是电动 汽车 的痛点，相对于燃油 汽车 ，电动 汽车 要额外多安装几百公斤的电池组。目前，单体能量密度最高的锂离子电池是松下为特斯拉生产的镍钴铝（NCA）21700电池，能量密度达到322Wh/kg。相对其他 汽车 厂家有不小的优势。

除了能量密度以外，电池还有其他重要指标，比如说电池的衰减。反复充放电会造成电池衰减，当衰减到一定程度以后性能会迅速下降，电池的使用寿命也就到了。 汽车 锂离子电池的充放电循环一般在1000~2000次左右，大约能够行驶50万公里。这使得有些时候电池的寿命要小于整车的寿命，许多用户因此无法接受电动 汽车 ，另外电动 汽车 的保值率也远低于燃油车。

如果电池寿命能够达到百万英里，那么它电动 汽车 的总拥有成本和使用寿命将能够提高到与燃油车相同的水平上，这将是一个重要的突破。

2019年9月，特斯拉的电池合作伙伴Jeff Dahn团队发表论文介绍了新的电池技术，经过1000次充放电后能保持95%的容量，4000次充放电后，能保持90%的容量。

Dahn团队近两年主要专注于改善锂电池的循环寿命，其中涉及正极材料的制造工艺、电池的制造工艺和新型电解液添加剂。

综合以上信息，百万英里电池很可能是这次电池日将要发布的技术。

2019年2月，特斯拉重金收购了一家叫做Maxwell的电池技术厂家。Maxwell有一个独门绝技：干电极技术。这种技术使得电池的正负极不需要使用溶剂，从而克服高镍电极稳定性差的问题。Maxwell的干电极技术，能够在降低电池成本的同时提高能量密度和续航里程，目前电池能量密度能达到300Wh/kg，未来可能突破500Wh/kg。

此外还有一种可能的新技术，被称为硅纳米线技术。我们注意到特斯拉电池日注册页面放了一张背景图片，很可能就是硅纳米线的显微图。

硅纳米线技术来自于一家叫做Amprius的公司，近期Amprius把公司总部搬到了特斯拉电池工厂旁边，特斯拉电池日就在这里举办。新电池使用硅纳米线技术的可能性非常大。

传统锂离子电池中的负极材料是石墨，如果用硅纳米线取代石墨可以减轻电池重量和体积，提高电池效率，有助于制造能量密度更高、使用寿命更长的电池。

锂离子电池的主要限制因素是可以保留在电池电极中的锂含量。在传统锂离子电池中，阳极由石墨形式的碳制成，但这并不是最佳选择，硅的存储容量约为石墨的10倍。不过使用硅做电极有一个主要缺点，充电时，硅会急剧膨胀，膨胀会导致硅破裂并导致电池失效。一些公司尝试将硅与石墨混合，但是这些电池无法完全发挥硅的优势。

Amprius拥有硅纳米线专利，它的硅纳米线宽度大约是10纳米左右，内部晶核是单晶硅，外部有一层Si〇2进行包覆。

纳米线技术的硅无需粘合剂即可直接连接至基材，阳极厚度可以做到石墨电极的一半，这意味着高导电性和连接性。

纳米线技术中使用单晶硅意味着能够制成世界上能量密度最高的电池。

近期Electrek网站发布了一张图片，据说这将是特斯拉新电池的样子。从图片上看，新电池体积巨大，直径约54毫米，高度约98毫米。如果这个数据属实，那么单个电池的体积将相当于21700电池的9.25倍。

电池的外壳，电极需要占据一定的体积，采用大电池设计能够减少外壳、电极所占的比例，这样就能够在同样的体积下存储更多的能量。同时，一个电池包所需要的电池数量将减少一个数量级，这将大大简化生产线和工艺流程，能够大幅降低生产成本。

仅仅增加电池的体积，就能得到显著的提高，那么以前为什么不做呢。其实特斯拉已经做过尝试了，从最初的18650电池升级成了21700电池，电池体积提高了46%。小幅度提升一个原因就是散热，这次一下子将电池体积提高了接近10倍，显然散热问题得到了很好的解决。

这次特斯拉很可能应用了电极无突起技术。传统电池的电芯是一个多层卷，包含了外隔离层、阴极、内隔离层、阳极，电极需要焊接一个小的金属箔突起，金属箔再焊接到外部电极上。

这样的工艺有一些致命的弱点。焊接占用了生产中的大量时间，导致电池成本上升。从整卷的电极到一个小小的金属箔，会导致电池内阻增大，从而增加损耗和发热。特斯拉电池虽然能量密度高，但是电池发热导致性能下降甚至是事故一直是特斯拉的痛点。

无突起电极技术利用电极的整条边作为连接，能够将电池内阻降低到原来的1/5至1/20，解决了发热问题，为制造更大型的电池铺平了道路。

显然，特斯拉正在通过整合一系列的新技术来大大提高电池的性能，这次电池日提出百万英里电池、超过320Wh/kg甚至是350Wh/kg的能量密度以及更大型的电池都是有可能的。一些分析认为特斯拉有能力将电池能量密度提升30%，生产成本降低50%。考虑到特斯拉目前使用的电池就已经领先对手不少了，这次的新突破将使特斯拉更具优势，很可能把竞争对手甩在身后，燃油 汽车 的默认也许比预想来的更早一些。

#科学燃计划#

事件：特斯拉“电池日”活动于太平洋时间2020年9月22日(北京时间周三凌晨四点半)举办，在特斯拉2020年年度会议后开始，这是特斯拉首次专门针对电池技术举办发布会，会上公布了多项公司最新技术成果和新车型。

点评：

1、19年新增客户达到50%，20年新增客户至今已有30%-40%的增长，有望更多。

2、降本提能五个途径：电池设计，组装生产过程简化，正极材料，负极材料，车身一体化。

3、电池设计去极耳：能量提升5倍，续航提升16%，提供电力增加6倍4、电池组装简化过程：连续加工，一条产线生产20GWh，单线产出增加7倍；节省86%成本和75%供应复杂率；电池产能有望从2022年的100GWh上升到2030年的3TWh5、阳极材料：硅纳米线技术，续航可提升20%，阳极成本下降37%。

6、阴极材料：高镍低钴，同时锂离子提取原产地化；资本支出减少66%，节约76%的生产成本，没有浪费一滴水7、车身一体化设计：车身尾部已经实现一体化设计，续航提升54%，成本减少56%/KWH，资本投入减少69%/GWH8、展望：售价25000的车美元实现这些技术，不仅是轿车，还有跑车。

未来三年，设计售价25000美元的电车。发布新车型PlaidModelS

1、Cell design

电池型号从18650更新到21700（18表示直径后三个表示长度）。公司将与松下LG合作完成电池更新，从18650到21700让电池密度提升50%。

因为随着电池尺寸增加，容量变大的同时电阻和散热成为新的问题，经过计算和实验64直径是相对较好的。

无极耳电池：用激光技术去掉极耳，生产中用的零件变少、工艺简化，电子流通的距离更短，因此效率更好，不存在过热的情况。能量密度提高5倍，提供的电力提高6倍，续航提升16%，在隔壁的工厂Amprius实现量产，达到10GWh的产量。

2、Cell factory:

使用干电池技术，将正负极压实处理，目前工厂1条线上可以实现20GWh产能。

Formation过程：

通过电子系统让电池的formation过程更好实现，可降低86%成本，每gwh可降低75%生产复杂率。我在twitter也提到，我们会持续和松下、LG、宁德时代（300750）一起生产，希望在2030年可以实现每年3TGW产量。

3、Anode materials

虽然Si储Li容量很高，但是在Li插入过程中Si膨胀，会跟隔膜反应型形成凝胶，导致基本不可用。我们用了高弹性的材料（难以量产），主要是采用硅纳米线技术，用PVD将纳米硅通过稳定的网络涂在极片上，续航可提升20%，阳极成本下降37%。

4、Cathode materials

Li离子比作书，正极结构比作书架，我们需要稳定的结构书架保护锂离子，希望他的形状能够稳定。从金属和能量密度讲，我们要用Ni，Co是让书架稳定，我们一直在努力实现高Ni低Co，这会实现15%成本降低，达到更高能量密度。Ni比铁高50%的能量密度，从电池包讲，把元素整合到一起效果更好，材料成分占比是三分之一的Ni三分之二的Mn。

Ni和Li本地化：减少原材料供应里程。

思考如何高效的把Li开采出来，我们通过在矿上直接把Li提取出来，这是全球未有的，流程可循环，环境友好，在内华达州的Li矿藏上获得了开采权，我们挖一块土，提取Li再把土放回去。材料循环使用，可以回收我们将会开启电池材料回收全生命周期，通过回收。每kwh可节省49%。

5、cellvehicilintergration车尾部就是一个结构，我们已经实现了车尾一体化制造。目前已经存在的合金无法满足这个要求，我们已经铸造出新的合金可以类比飞机设计，飞机设计中把油箱设计成机翼的形状，我们在想这种设计是否也可以用在 汽车 中。电池中非电芯的结构很复杂占据很大重量，因此我们希望来优化电池结构，更加紧凑，稳定性更高，内部空间更有结构性，所以在新的电池包设计中，将电芯用更好的方式粘合，更紧凑的组装。类比三明治塞了很多东西体积也不大。我们的电池在车内的安装位置更接近重心，能够更好的平衡车身，达到更好的车的操控性，重量较少了10%，同时也更能适应不同车型。加工设备的加工面积也降低了，成本降低7%。每个电池成本节省56%，投资比例降低69%电芯成本优化开启新轨道：

在25000美元的车上应用这个技术，不仅仅是轿车，希望有跑车的气质，同时希望有更多人买的起电动 汽车

新产品：

ModelS的Plaid版本，在柏林生产电池

Q&A

热管理系统明年在家庭暖风系统的能效可以超级高，比如热泵，在model3也有，寿命是15年，任何路况都能用，寒冷很热时候都能用。在你回家前，会提前进行预热。

马斯克认为传统车行业会不存在了，除了火箭其他的都能EV化，或者存在感不会很强。

Cybertruck超过50万订单量，预计每年交付20-30万辆。主要供应美国通过风能储存液化氢实现驱动在中距离续航中会使用LFP，我们的垂直整合的技术路线，在设计正极材料时和矿产业有很多合作。

特斯拉有有向腾讯 游戏 合作的趋势，便于让特斯拉车载 娱乐 系统更丰富多样，在车上会提供更多的音乐给车主来使用。未来会更好的平衡和规划 娱乐 和驾驶安全。

希望让更多车主享受在家充电的便捷。比如利用太阳能。

希望不仅仅实现阴极材料问题，还有生产过程中冗余步骤的问题。

风险提示：量产进度不达预期，经济低迷，生产不及预期，竞争对手强劲

硅纳米线目前面临的问题是：难以实现工业化生产。截止2022年，硅纳米线在研究上虽然取得很大的进步，但离实际工业化大规模生产和应用还存在许多亟待解决的问题。比如，硅纳米线的制备工艺路线多但不成熟，无法达到批量生产同时制备成本一直居高不下，难以实现工业化生产。这就是硅纳米线目前面临的问题。

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