來源丨ArsTechnica安全
做者丨SCOTT K. JOHNSON性能
編譯丨科技行者優化
在近期的「電池日（battery day）」活動上，特斯拉公司終於透露了其長期保密項目的一系列驚人消息——討論了特斯拉爲自家電池組作出的全方位升級與改進，並宣稱有望在將來三年內生產出25000美圓價位的特斯拉汽車。但因爲沒有任何具體時間表，咱們無從得知哪些改進正在進行，哪些屬於計劃內項目，而哪些還要等上幾年才能真正走向現實。人工智能
爲了彌補缺乏數字及細節的遺憾，咱們打算將公告內容與行業趨勢進行比較，藉助已經發布的研究成果，逆推特斯拉的工做進度。設計
罐裝電池視頻
咱們不妨先從特斯拉宣稱已經投入生產階段的兩項成果提及：新的電池設計，以及部分製造工藝層面的改進。生命週期
特斯拉目前使用的是最多見的圓柱形18650鋰離子電池，但其餘大多數電動汽車更傾向於使用專門的扁平或棱柱形電池（更像是手機和筆記本電腦中使用的電池形態）。在這種圓柱形電池中，細長條狀的陽極、隔板與陰極被夾在電池芯內，而後層層捲起，並封裝成圓柱形。其中正極板與負極板之間由細長的「接線片」實現兩個端子間的鏈接。開發
提升電池能量密度的最佳方法之一，就是儘可能縮小封裝部分所佔據的空間。只要將隔板作得儘量輕薄，並不斷減小外部容器及電池組件的體積，就能讓每公斤重量存儲更多的電力。可是，這方面可以擠出的空間明顯有限，所以另外一種方法就是增長電池體積與封裝面積之間的比值——換言之，把小圓柱作成大罐子。產品
特斯拉在最初公佈Model 3車型與Powerwall 2170電池時，就已經實現了這一目標。這種電池的尺寸爲21毫米乘以70毫米，高於18650電池的18毫米乘以65毫米。可是，電池體積的增長也給特斯拉帶來新的挑戰，由於體積越大周長越長，而周長越長意味着陽極與陰極之間用於鏈接電池端子的接片就得隨之延長。電子傳輸的路徑每增長一點，就會產生更多熱量，而這種難以及時散逸的熱量又成爲威脅安全快速充電的隱患。編譯
特斯拉針對這個問題推出了體積更大的4680電池。這是一種新的無極耳設計，觸頭沿着陽極與陰極板進行外沿，並在進行卷封包裝時在電池末端造成玫瑰狀的凸起結構做爲接觸點。這種設計在本質上就是將導電層與電池外殼直接接觸，相較於有極耳，電流在電池中的移動距離會大幅縮短。
特斯拉公司的Drew Baglino表示，「有時候，越是簡單而優雅的東西，就越難以實現。咱們嘗試了不少次，好在最終結果還算使人滿意。」
馬斯克本人則補充道，「有些人可能以爲這事沒什麼大不了，但真正瞭解電池技術的人們都能意識到，這表明着一項巨大的突破。」
圖：馬斯克與Drew Baglino展現特斯拉的全新無極耳電池設計方案。
因爲具體設計屬於商業機密，咱們很難把特斯拉電池與其餘電動汽車中的電池進行直接比較。但以上設計思路推衍過程，也許可以釐清特斯拉保留圓柱形電池的緣由。
除了新的設計以外，還要配合製造流水線，才能把新電池真正變爲成品。而特斯顯然已經找到了可以極大提高電池各組件產量的方法。無極耳設計實際上也有助於提升產能，由於電極片可以在電池柱體表面持續分佈。配合後文將要詳細介紹的其餘調整，新款電池有望在產能增加的同時，減小工廠佔地面積與能源消耗總量，最終幫助特斯拉實現下降成本、提高產能的目標。
外卷加內卷
電動汽車可不是靠一塊電池運行的，驅動這輛龐然大物須要一整塊塞滿電池的電池組。電池組中還包含大量其餘部件，包括充電管理、冷卻以及燃燒後的安全保護機制等。這一切，都讓電池封裝的工程技術與車輛容納空間成爲限制總體能量密度的決定性因素，並最終影響到車輛的續航能力。
特斯拉這次也介紹了一種新的電池組設計，其中減小了部分結構性支撐，所以可以在更小的體積中容納更多電池。另外，隨着封裝盒體的從新設計，其自己也能夠同時做爲汽車的車身結構，額外帶來必定程度的成本優點。
不過特斯拉方面並無透露這種全新封裝方案會具體使用在哪款車型中。可能會出如今現有車型中，也可能只限於Cybertruck、特斯拉Semi甚至是馬斯克提到的「將來計劃推出的25000美圓新車型」身上。究竟如何，目前尚無定論。
但馬斯克卻是着重講述了新型電池內部的化學成分。經過新的化學構成，陽極與陰極都將迎來徹底不一樣的實現方式，翻開電池結構的新篇章。
現代鋰離子電池中的陽極主要使用石墨材料。石墨的固有結構，使其可以容納在充電過程當中不斷向陽極移動的鋰原子，但就僅此而已，再無其餘做用。換言之，電池體積及重量中的至關一部分並不能直接用於存儲能量，而僅僅只是在維持電池的正常工做。若是能從這裏擠出一些體積和重量空間，那麼電池的能量密度也將有所提高。
特斯拉及其餘一些製造商目前正嘗試向石墨內部添加一些硅材料，保證在相同體積的陽極中容納更多鋰原子。在這方面，純硅多是個更好也更便宜的選項。但與石墨優異的形態穩定性不一樣，硅材料在吸納大量鋰原子後存在一種使人頭痛的特性——體積膨脹。這不只可能致使硅結構內部發生故障，也會隨時間推移引起性能降低，甚至增長電池容器的使用風險。
關於陽極替代方面的研究方案很多，但尚未任何真正投放市場的完善成果。特斯拉則宣稱，他們已設計出一種新的陽極，在導電的彈性聚合物中摻雜微小的硅顆粒以構成「生硅材料（即硅納米線）」。該公司表示，這種新設計，可以有效提高硅陽級電池的使用壽命與安全度。
據稱，這種電池的制形成本可以將「石墨+硅」電池的每千瓦時約10美圓降低至「純硅方案」的每千瓦時約1美圓。在車輛續航里程方面，特斯拉表示提高約爲20%。但本次演講並未公佈其餘特性（例如是否擁有超越現有方案的陽極使用壽命），所以還不清楚特斯拉會不會在後續電池設計中實際採用這種方案。值得一提的是，負極材料供應商Sila Nano也採起了相似的設計思路，並計劃在今年年內開始推出供電子設備使用的電池產品。
至於陰極側的化學材料設計，特斯拉也有本身的想法。根據計劃，他們打算推出三種不一樣類型的鋰離子電池，涵蓋從經濟型到超高性能型的多種使用場景。
圖：特斯拉公佈新計劃，將使用三種不一樣的陰極設計方案爲多種不一樣使用場景提供電池方案。
特斯拉目前使用的電池仍包含「NCA物質（即鋰、鎳、鈷、鋁）」，其餘電動汽車廠商則主要使用鋰鎳錳鈷的所謂「NMC材料組合」。不管哪一種組合，「鈷」都是其中最昂貴的元素，且大部分產自剛果民主共和國。考慮到當地糟糕的工做條件與對童工的殘酷剝削，電動汽車行業一直在努力減小對鈷材料的使用。
特斯拉方面表示，其已經開發出兩種新的「無鈷電池方案」。第一種是「高鎳陰極電池方案」，依靠「新型塗層與摻雜劑」替代穩定的鈷元素。儘管演講中未作具體說明，但Baglino曾經將其稱爲「100%鎳」配方。這套方案的能量密度最高，但成本也至關驚人，所以大機率會被應用於強調電力儲備的Cybertruck與特斯拉Semi當中。
另外一種成本相對低廉的方案則採用新的「鎳錳陰極」，兩者的混合比例爲2:1。但馬斯克只是暗示其中不含鈷，而未作明確的說明。這套方案會在必定程度上下降能量密度，但電池成本也將大大下降。NMC陰極目前也衍生出了比例爲8:1:1的無鈷配方，不知道其實現難度會不會比前面提到的「100%純鎳」配方低一些。
（這裏多提一句，任何採礦活動都會對環境形成破壞，鎳開採也不例外。）
特斯拉的第三種方案則是對傳統配方「磷酸鐵鋰（LFP）」的優化。這也是三種電池中成本最低、但能量密度也最差的方案。爲了支持特斯拉在中國的運營，他們與LFP電池製造商寧德時代達成一項新的電池供應協議。今年年初，雙方協議已經得到政府批准，能夠在中國使用這種配方爲本地生產的Model 3車型供能。
相較於以前提到的種種複雜、艱難的新電池設計方案，特斯拉彷佛很是欣賞這套雖然陳舊但卻至關成熟的電池選項，特別是其中寬鬆的電池組體積限制。值得注意的是，電網規模的Powerpack電池存儲設備以及將來25000美圓售價的新車型也被歸入這一組別當中，也許暗示着超低價位車型可否實現，就看LFP電池的成本壓縮空間了。
但這還是一項艱鉅的任務
在成本方面，新型陽極與陰極製造工藝也將成爲決定產品命運的重要因素。鋰離子電池製造商通常使用「溼法」工藝將原料混合並沉積到薄膜之上，由此製成陽極或陰極片。具體來說，生產線會將粉末狀的材料與水或其餘溶劑進行混合，然後塗抹在薄膜上，並放置於大烤箱內進行乾燥。
這些乾燥爐所消耗的電力，也成爲電池生產中的主要能耗來源。另外，這類工藝在工廠車間內須要佔用巨大的空間。從這兩個角度來看，新的替代方案彷佛更有優點。
正由於如此，特斯拉方面於2019年收購了一家名爲Maxwell Technologies的企業。此後，就有傳聞稱「該工廠處於超負荷運轉狀態」，也有好奇之人猜想「特斯拉可能想要打造出屬於本身的超級電容」。但從根本角度出發，特斯拉想要的其實很簡單——乾式陽極與陰極製造工藝。
馬斯克提到，自收購以來，Maxwell的製造工藝已經完成了幾輪迭代。視頻中還播放了一段巨大輥子碾壓黑色粉末的鏡頭，不過這除了讓人想起擀麪條之外，彷佛也沒有什麼特別的啓發性。
馬斯克還表示，新工藝尚未作好正式投產的準備。「確切地講，我如今還不能保證新工藝的可行性。雖然可以起效，但產物收率仍然達不到要求。」
不過可觀的回報將支持特斯拉繼續探索，由於一旦成功，乾式工藝所須要的耗電量與佔地面積僅至關於溼式工藝的十分之一，這將極大下降生產成本。正如Drew Baglino所言，單就這一點，足以讓人們假設其中的技術難關「有解」。
最後特斯拉公司但願，原材料供應商調整材料的供應形式。例如，他們目前從某家鎳供應商處獲得的是硫酸鎳，還須要通過一系列化學處理才能將鎳與硫酸鹽分離，以後還得單獨處理這些硫酸鹽產物。
馬斯克宣佈，以硫酸鹽的形式供應金屬材料是一種早已過期的「陳舊方法」，應該摒棄。將來，供應商將向特斯拉提供無需額外預處理的純鎳。這裏還有一些技術空白鬚要填補，但特斯拉明顯是將其視爲下降成本的手段之一，也表現出瞭解決問題的決心。
用錢說話
特斯拉的整體目標，是讓電池每千瓦時電量的生產成本下降56%，並讓車輛的續航里程再提升54%（按每千克電池組計算）。彭博社曾對2019年的市場價進行過估算，指出當時電池每千瓦時電量的生產成本爲156美圓，由此得出特斯拉將率先將這一水平拉低到100美圓之內。通用汽車在今年3月的投資者日活動中，宣佈計劃在其全新電動汽車電池「平臺生命週期早期」，實現100美圓如下的每千瓦時生產成本。特斯拉的時間表彷佛還要更快一些。
馬斯克強調，「在實現這些優點，大概須要12個月-18個月的時間。而在全面普及這些提高，大概還須要3年左右。」
圖：特斯拉計劃在將來幾年內實現的各項改進目標。
特斯拉能在3年以內兌現這麼多承諾嗎？這可不是他們第一次放出缺少根據的豪言了。會不會某些技術在真正面世的時候，與如今的宣傳會出現很大差距？
但不管如何，特斯拉確實給電池技術設定了野心勃勃的發展目標——到2030年，全球電池的年度總儲電量將提升100倍以上。除了擴大現有生產設施之外，新的電池設計方案與新的生產體系規劃也將很是重要。而這一切，都將取決於特斯拉這次公佈的各項階段性發展目標可否定期完成、順利實現。
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