钜大LARGE | 点击量：526次 | 2022年06月27日
TSLA自产电池的秘密：低调布局5年
借着电动汽车的行业大潮，动力锂电池产业迅速崛起，全球已形成中、日、韩三国公司争霸，松下、LG、CATL等巨头分庭抗礼的行业格局。
表面的平静背后，新一轮巨变正在酝酿之中——固态电池即将掀起新一轮技术变革浪潮、动力锂电池白名单去除后日韩公司重回我国市场、全球车企和零部件巨头们也纷纷涉足电池产业，一场大变局即将上演。
为此，车东西特推出《动力锂电池大变局》系列报道，详解全球动力锂电池产业的风云变幻，本文为系列报道之一。
TSLA自产的动力锂电池终于来了，马斯克的野心从电动汽车产业涌向了动力锂电池产业，新的血雨腥风将拉开序幕。
今日，据外媒electrek报道，TSLA的"Roadrunner"动力锂电池自产计划正式启动，位于美国弗里蒙特大沙漠内的厂，一条属于TSLA自己的动力锂电池生产线正在成型。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
整件事件最值得关注的焦点在于，达成规模化生产之后的TSLA动力锂电池每度电仅需100美元（约合人民币701元，指每kWh容量电池价格），而根据投资机构瑞银公布的数据，松下当前动力锂电池每度电的成本约为111美元（约合人民币772元），而CATL动力锂电池的成本则为每度电150美元（约合人民币1042元）。
TSLA进入动力锂电池产业的第一件事，就是打掉动力锂电池产业的价格"底裤"。
▲外媒报道TSLA正在弗里蒙特厂建造电池生产线
但除此之外，马斯克的这场动力锂电池"闪电战"还将在汽车产业和动力锂电池产业同时掀起浪潮。更多拥有资本和技术的车企在TSLA的号召下，将会涌入动力锂电池市场，冲击当前的动力锂电池产业格局。
在这样关键的节点上，我们有必要找到TSLA如何突破动力锂电池产业技术壁垒，一步一步解决电池研发，并最终具备电芯生产量力的秘密。
车东西通过对TSLA五年以来的投资布局、技术研发情况和产业链布局进行梳理，找到了其中的答案。
耗时五年三元锂电之父助力TSLA自产电池
2020年二月十二日，外媒electrek曝料称，TSLA正在美国弗里蒙特厂搭建一条动力锂电池生产线。一时间，TSLA自产动力锂电池的消息公之于众，引发了业界震动。
但若非此次媒体曝光，恐怕没有人能想到TSLA自产动力锂电池的速度如此之快。
原因在于，和其他大张旗鼓进军动力锂电池产业的车企不同，TSLA在这一领域的布局简直可以用低调来形容。
自2015年以来，TSLA和动力锂电池相关的投资仅有三笔，分别是对达尔豪斯大学杰夫·戴恩研究小组（JeffDahnResearchGroup）的5年赞助计划、收购电池技术公司Maxwell以及收购电池制造设备公司Hibar。
三笔投资中，TSLA仅披露了收购Maxwell的金额——2.18亿美元（约合人民币15.27亿元），另外两笔投资的金额和具体细节均未公布。
但正是这三笔投资，凑齐了TSLA自产电池所需的关键技术——动力锂电池的电极、电解液、隔膜、电池壳体以及电池的制造工艺。
TSLA在动力锂电池领域的布局始于2015年。
以领先于业界的三电技术立身的TSLA不甘于在动力锂电池领域受制于松下，更何况彼时松下动力锂电池的产量爬坡速度远不如TSLA汽车生产线的产量爬坡速度。
马斯克有预见性地意识到，松下可能会成为TSLA迈向年产百万辆电动汽车的最大阻碍（随后事实如其所料，2018年松下的动力锂电池产量限制了TSLAModel3的量产速度）。
于是，马斯克动起了自产动力锂电池的念头。
2015年，马斯克找上了专注于锂电技术产业化的杰夫·戴恩团队，希望为其供应"数额可观的5年的研究经费"（thesubstantial5-yearfundingpackage），让其为TSLA研发寿命更长、成本更低、能量密度更高的锂电池。
▲杰夫·戴恩研究小组
杰夫·戴恩团队是加拿大优秀大学达尔豪西大学内一支专注于锂电池技术研究的团队，自2008年开始研究锂电池产业化项目。其官方网站显示，该团队目前拥有30人左右的规模，共计发表论文600余篇，在重量级期刊JES和JPS上均有论文公布。
有外媒评价，该团队是目前锂电池领域研究实力最强的团队之一。
杰夫·戴恩本人更是通过精确限定镍钴锰材料中镍的含量，使三元复合正极材料成功实现规模商业化，成为了业界公认的三元材料技术真正的开创者和发明者。
▲杰夫·戴恩
一边是急于自研自产动力锂电池的TSLA，一边是希望并且擅长将技术产业化的杰夫·戴恩团队，双方一拍即合。
同年六月十六日，杰夫·戴恩团队所在的达尔豪西大学和TSLA共同宣布，杰夫·戴恩研究小组的合作伙伴将在2016年六月，从3MCanada转移到TSLA，并和TSLA达成独家合作协议。
达成合作协议之后，杰夫·戴恩老爷子一屁股坐进了TSLA的前备箱，比出两个大拇指，兴奋之情溢于言表。
▲杰夫·戴恩
在此之后，杰夫·戴恩团队持续在新型锂离子电极材料、锂电池故障机理诊断、电解质添加剂、钠离子和锂电池安全性基础研究以及电池研究理论/建模方面持续取得突破。
去年年底，来自杰夫·戴恩团队的论文显示，其新研发的动力锂电池循环周期可达到5000次左右，对应电动汽车行驶寿命超过100万英里（约为160万公里），这项专利目前已经为TSLA所有。
而近期外媒electrek又曝出消息，称杰夫·戴恩团队的研究成果将使TSLA的动力锂电池成本达到100美元/kWh（约合701元/kWh）。比较投资机构瑞银给出的数据，松下动力锂电池的成本约为111美元/kWh（约合771元/kWh）、CATL约为150美元/kWh（约合1042元/kWh），TSLA目前的电池成本在业界属于最低水平。
据了解，杰夫·戴恩团队还在帮助TSLA完成能量密度500Wh/kg的高镍三元锂电池的研发，目前已初具成果。
可以说，2016年以来，杰夫·戴恩团队为TSLA自产电池项目贡献了众多底层的技术专利和相关相关经验积累，完善了TSLA从电极、电解质到电池壳体环节的大部分技术链条。五年时间，杰夫·戴恩团队也确实完成了签约时对TSLA许下的诺言——帮助TSLA提升动力锂电池循环次数、降低动力锂电池成本、研发高能量密度动力锂电池。
这笔投资有关TSLA而言，物超所值。
收购Maxwell干电极技术提升动力锂电池能量密度
2016年之后，马斯克转身扎进了TSLAModel3的产量地狱，再无闲暇顾及动力锂电池产业的布局，以至于2017年、2018年2年时间里，TSLA在动力锂电池产业并没有大的动作。
但时间来到2019年，一件事情为马斯克敲响了警钟。
2019年二月，TSLA2018年财报公布的电话会议上，马斯克指出，超级厂电芯产量的不足是限制TSLAMode3产量的最大桎梏。
2019年四月，马斯克再度发推表示，"超级厂的电芯产量只有24GWh，从七月份开始一直限制Model3的产量，在产量到达35GWh之前，TSLA不会再投钱进去。"
来自松下的产量限制，使得马斯克再度意识到了动力锂电池的重要性，他开始加速TSLA在动力锂电池领域的布局。
2019年五月，TSLA以2.18亿美元（约合人民币15.27亿元）的价格收购电池技术公司Maxwell，溢价幅度达到55%。
之所以如此迫切地拿下这家公司，是因为TSLA看中了Maxwell的干电极技术和超级电容技术。
▲Maxwell干电极技术介绍
传统的电极制备工艺属于湿电极工艺，制造过程中，要将正负极材料加入溶剂中，对电极片材料进行涂覆。
这种制造工艺的优势在于生产工艺验证时间长，电极质量稳定，但溶剂的特性决定了这种电极涂覆的方式生产的电极较薄，能量密度受限。
同时，生产过程中，要对溶剂进行蒸发，这一部分生产工艺会出现一定程度的环境污染。
而无溶剂的干电极生产工艺则是将活跃的正负极材料混入黏性物质中，使得正负极材料自身"原纤维化"，形成自支撑膜，牢牢地粘着在电极片上（原理类似于脚底牢牢粘上的口香糖）。
这种生产工艺可以制备更厚的电极，使得电池的能量密度得到大幅提升。目前，使用该工艺制成的三元锂电池电芯能量密度大于300Wh/kg，电芯单体能量密度最高可实现500Wh/kg，同时获得更大的放电倍率。
和此同时，干电极的另一大好处，就是可以在电池使用之后，持续为其补充锂金属，弥补电池的容量衰减；而采用湿电极法制备的电极，补充锂金属和混有锂金属的碳不能很好地彼此融合，通常会伴有烟雾、火苗和噪音等强烈反应。
此外，干电极的制作流程不要进行溶剂干燥步骤，降低了生产成本和时间成本，也降低了环境污染。
另一项超级电容技术，则可以用作能量回收过程中的快速储能装置，其能耗远小于将回收的动能重新储备到电池中。
而在急加速过程中，超级电容器能够实现大功率放电，防止动力锂电池直接大功率放电出现锂晶枝，对电池结构造成不可逆的损伤。
超级电容技术的另一大优势，就是工作温度范围大，大部分电池的工作温度要维持在20℃-40℃之间，对外界环境温度要求较为苛刻。而超级电容的工作温度在-40℃-80℃之间，可用于冬天车辆起步和动力锂电池的加热。
干电极技术为TSLA自产电池提高了能量密度，而超级电容技术能够在特定场景下为电池供应辅助用途，二者结合或许是TSLA将来会采用的"混动"方法。
收购电池生产设备商Hibar为自产电池铺路
投资杰夫·戴恩团队，收购Maxwell都是为了掌握最新的电池技术，掌握技术之后的关键就是将其量产。
2019年十月，有媒体发现，加拿大精密设备公司Hibar突然出现在TSLA旗下，成为了TSLA的控股子公司。
TSLA收购Hibar属于秘密进行的项目，其收购日期、金额、合作细节均未透露，但可以明确的是，收购Hibar意味着TSLA的自产电池项目仅差临门一脚。
Hibar以生产高精度定量注液泵、注液生产系统、自动化电池制造和工艺设备闻名，产品线覆盖了完整的电芯生产流程。
▲Hibar产品一览
在过去的40年时间里，Hibar已经成为了电池行业里一次电池及二次电池生产线的首选供应商。
投资杰夫·戴恩团队让TSLA拥有了自研动力锂电池的技术人才，收购Maxwell使得TSLA掌握了动力锂电池领域最前沿的技术，而收购Hibar是TSLA自产动力锂电池项目的最后一环，至此，TSLA形成了从技术研发、样品验证到大规模量产的全面布局。
电池寿命超百万英里能量密度可达500Wh/kg
虽然TSLA已经拥有了电池的研发、验证和量产的能力，但实际产品将能够达到什么样的效果呢？
目前其电池生产线还未投入实际使用，想从产品出发进行分析不太现实。我们可以换一个角度，从TSLA目前拥有的技术实力，来推断其自产电池的技术指标。
1、电极
从电极角度来看，TSLA自产的电池有很大可能性会采用已收购的Maxwell的干电极技术，该技术目前在三元锂电池领域能够实现的单体电芯能量密度为300Wh/kg，最大能够达到500Wh/kg。
现阶段，业界仅有松下的NCA811三元锂电池以及CATL的NCM811三元锂电池可在电芯能量密度达到300Wh/kg。
和此同时，上文提到，干电极技术能够实现将锂金属补充到负极内，以弥补充放电过程中，锂离子在负极、电解液中的消耗。
而此前，Maxwell有一项待审专利正是将锂离子补充至电池负极，这项专利技术将能够有效缓解电池在使用过程中的容量衰减问题。而随着TSLA完成对Maxwell的收购，这项专利技术也自然转移到了TSLA的名下。
▲Maxwell待审专利
在成本方面，由于省去了干燥步骤，整个电芯生产环节成本大约可下降10%-20%。
2、电解质
在电解质方面，受TSLA资助的杰夫·戴恩团队近期在知名期刊JES上发表了两篇论文，讲述了他们在电解质方面取得的进展。
其中一篇名为《二恶唑酮和亚硫酸亚硝酸盐作为锂电池电解液添加剂》。
论文中提到，杰夫·戴恩团队对近期开发的新型电解质添加剂MDO以及另外两种添加剂PDO和BS进行了高温高电压和长期循环性能的测试，载体为NCM523三元锂电池。
为进行该项测试，团队将三种添加剂分别进行了单独和混合添加，不同的实验组合置于不同的温度、电压下进行测试，得出了不同的循环性能。
实验结果表明，添加了MDO、PDO电解质添加剂的电池均在石墨负极表面形成了SEI层（对负极起到保护用途），而添加了BS电解质添加剂的电池则没有形成SEI层。
通过长时间电池循环性能测试，2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液添加剂组合在所有实验电解质添加剂的表现中最优，在经过800次放电循环后，电解质中留存的添加剂浓度依然大于90%。
▲实验结果，（b）（c）中最高的两条分布点分别为2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸锂的电解液组合
在这一研究成果的基础上，杰夫·戴恩团队在去年六月又公布了一篇名为《出色的锂电池化学性能的广泛测试结果，可作为新电池技术的基准》的论文。
这项实验同样是对NCM523三元锂电池进行了不同的电解质添加剂测试。
实验结果显示，分别向电解质中添加2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合，能使电池循环寿命有效上升。
▲实验结果，紫色、绿色和红色线条为测试结果，另外两条为对照组
其中，添加了三种电解质添加剂组合的电池普遍在3000次充放电循环之后，还能保持85%以上的电池容量，有一组甚至在经历了5000次充放电循环之后，仍然保持了90%以上的电池容量。
而另外两组对照组的电池则在1000次左右的充放电循环之后，电池容量分别衰减到了50%左右的水准。
假如以5000次充放电循环次数作为电池的平均循环寿命，以TSLAModel3EPA续航里程322英里作为单轮充放电的续航里程，那么在该电池组的有效生命期内，一辆TSLAModel3的行驶里程将会超过160万英里（约合257万公里）。
不过据TSLA公布的专利显示，目前他们保守估计该电池的使用寿命在100万英里（约合160万公里），一般纯电动汽车所装配的三元锂电池理论使用寿命仅有40万公里-50万公里，TSLA新电池的使用寿命大约是目前三元锂电池的3-4倍。
值得注意的是，杰夫·戴恩团队为TSLA进行的研究是以NCM三元锂电池为基础的。因此从电解质添加剂和其适配电极的角度出发，TSLA未来自产的电池极有可能是NCM三元锂电池而非NCA三元锂电池，该电池的最大循环次数可能逼近5000次，对应车辆的行驶里程可能会达到100万英里（约合160万公里）。
3、超级电容器
除了动力锂电池本身，收购Maxwell还为TSLA带来了超级电容技术。
马斯克曾在媒体采访中透露，在大学期间，他就对超级电容技术充满兴趣，一度想进行研究。现在，这个超级电容的粉丝终于能够如愿以偿。
超级电容本质上是不同于动力锂电池的另一套储能方法，比较动力锂电池，其不足之处在于储能性能有限。
但其长处也非常明显，超级电容的充放电功率很大，并且能量损耗小，既能够高效率进行动能回收，在车辆急加速时也能够瞬间释放大功率电流，减轻动力锂电池工作压力。
和此同时，超级电容的工作温度区间为-40℃-80℃，能够适应一般电池难以适应的极端环境。
可以说，超级电容具备和动力锂电池互补的潜质。在车辆正常行驶时，动力锂电池供应重要电力，当车辆要急加速、进行动能回收、在寒冷地带起步时，超级电容为车辆供应电力。
当自产电池项目落地后，TSLA有可能会为车辆同步配备超级电容器，形成全新的动力锂电池+超级电容"混动系统"。
综合上述三方面来看，TSLA自产的动力锂电池极有可能是NCM三元锂电池，第一代电芯产品的能量密度可能会在300Wh/kg左右，后续会逐步攀升至500Wh/kg。
其电解质添加剂可能会选用2%碳酸亚乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸锂、1%二氟磷酸锂这三种电解质添加剂组合中的一种，得益于优异的电解质性能，其电池的循环寿命将能够达到100万英里（约合160万公里），超过目前所有的动力锂电池循环性能。
不仅如此，超级电容技术也可能会被TSLA投入应用，作为动力锂电池的辅助能源。
从供应商变迁史看TSLA自产电池的六大意义
TSLA首条动力锂电池生产线的搭建，意味着这家车企在动力锂电池的供应链上走出了新的一步。
自TSLA推出首款车型Roadster以来，这条战船就和全球锂电巨头松下牢牢地捆绑在一起。据了解，TSLA首批100辆Roadster全部采用了松下的18650圆柱形电池。
后续推出的第一款面向大众的量产车型ModelS，更是让TSLA和松下开启了长达7年的独家供应关系。
在此期间，双方在美国佛罗里达州的沙漠中，建起了一座产量达到35GWh的动力锂电池厂，也是如今世界上产量最大的动力锂电池厂。
▲TSLAGigafactory1
在马斯克的设想中，这座厂最终将能够实现50GWh的年产量，撑起TSLA年产百万辆电动汽车的远大愿景。
但事和愿违，一边是产量疯狂爬坡，电池需求迅速上涨的TSLA；另一边是即使出现亏损，也仍在扩大生产线，招收更多员工的松下。
双方没有达成供需同步攀升的微妙平衡，TSLA的电池需求缺口越来越大，最终在2018年财报公布的电话会议上，双方矛盾爆发。
马斯克指责松下的动力锂电池产量迟迟跟不上，限制了TSLAModel3的产量爬坡，假如松下不能按照约定将合资厂的电池产量提升至35GWh，TSLA就将停止对合资厂的投资。
2019年第三季度，双方的合资厂动力锂电池产量虽然达到了35GWh，但松下也冻结了进一步提升合资厂产量至50GWh的计划。
自2013年展开合作以来，TSLA和松下之间的关系第一次接近"冰点"。
此次事件之后，虽然TSLA和松下仍然维持着动力锂电池的供应关系，但TSLA也开始寻找新的动力锂电池供应商。借着TSLA上海厂投产这一机会，LG和CATL被TSLA纳入其供应商名单。
2020年一月三十日，TSLA正式宣布和LG化学、CATL达成动力锂电池供货协议。
此外，路透社还报道，TSLA正在和CATL就"无钴"电池进行进一步商谈，TSLA未来很可能会使用CATL生产的"无钴"电池。
▲路透社报道，TSLA正在和CATL商议无钴电池合作
到目前为止，TSLA的动力锂电池供应链条已经从松下独家供应，转变为LG化学、CATL、松下三家同步供应。在TSLA自产的动力锂电池完成供应后，这条供应链也将被纳入TSLA的动力锂电池名单。
TSLA已经正式从松下独家供应动力锂电池的"单极时代"，走向多供应商供应动力锂电池的"多元时代"。最终可能形成以自产电池为主，采购电池为辅的动力锂电池供应链条。
有关TSLA而言，这一时代的到来有着三大意义：
1、动力锂电池降本增效，坐拥多家动力锂电池供应商的TSLA，对供应商将拥有更强的话语权，势必会在动力锂电池采购价格上加大压价力度。
同时，自产的动力锂电池生产线投产后，TSLA的动力锂电池成本将会低至100美元（约合人民币701元），比松下的动力锂电池成本还要低10%，TSLA的成本优势更加明显，旗下车型或将进一步降价，更大规模的扩张销量。假如使用干电极技术进行动力锂电池生产，TSLA动力锂电池的生产效率也会有小幅提升。
2、助推产量上升，到目前为止，TSLA共拥有两座整车生产厂，一座位于美国加州弗里蒙特，目前处于满负荷运转；另一座位于上海临港，目前产量15万辆/年，目标产量为50万辆/年，还有较大幅度的产量爬坡空间；还有一座规划中的厂位于德国柏林，目前正在建设当中。
就目前情况来看，TSLA和松下的合资电池厂供给美国本土厂已然供不应求，我国厂和未来的德国厂势必要新的动力锂电池供应商来供应动力锂电池。供应商足量的动力锂电池供应才能够推动TSLA产量上升，最终在2022年实现年产100万辆TSLA的目标。
3、满足百万辆Robotaxi的需求，马斯克曾经夸下海口，表示2020年将会有100万辆TSLA汽车上路成为Robotaxi，暂且不论自动驾驶技术是否可行，以目前的电池技术来看，这一目标很难实现。
目前动力锂电池的循环次数大多在1000次左右，对应使用寿命大约为20万英里（约合32万公里），这一续航寿命有关普通家用完全足够，但有关要24小时不间断运行的Robotaxi而言，却显得捉襟见肘。
TSLA自产动力锂电池，正是为了解决这一难题，上文我们已经提到，TSLA最新的专利显示，他们完成了100万英里（约合160万公里）续航寿命的电池研发，拥有超长续航寿命的动力锂电池将能够满足TSLARobotaxi运行的要求。
有关整个动力锂电池行业而言，TSLA自产动力锂电池也有着深远的意义：
1、TSLA作为电动汽车领军公司，进军动力锂电池产业这一行为，将会带来模仿效应，未来更多大型车企在转型电动化的过程中，可能会考虑自产动力锂电池以满足自身需求。有关车企而言，电动时代的核心——三电技术，必须要握在手心。
2、车企进军动力锂电池，意味着动力锂电池供应商们原本的客户流失，动力锂电池供应商的利润空间受到压缩。在和车企的博弈中，动力锂电池供应商将想方设法降低动力锂电池成本，提高动力锂电池性能。
3、新能源供应链结构可能发生改变，在车企自产动力锂电池的过程中，原本隔着动力锂电池供应商的材料供应商们，将能够直接和车企出现联系。产业链条减少，意味着产业结构进一步优化。
结语：掌握电池后的TSLA将更加强大
TSLA弗里蒙特厂的第一条动力锂电池生产线正在搭建，投产指日可待，马斯克酝酿了5年的自产动力锂电池计划终于进入了产出结果的阶段。
掌握动力锂电池后的TSLA，从各个角度来看，都将变得更加强大。
在供应链端，追求降本的TSLA，一旦实现了自产动力锂电池的目标，对其他供应商的动力锂电池采购需求势必会相应减少。TSLA的动力锂电池供应商们将会展开价格战，而在这场价格战中，TSLA将享有绝对的主导权。
在电动汽车产品端，TSLA自产的动力锂电池很有可能比目前市面上的大多数动力锂电池性能优异，将会拥有更长的使用寿命，更少的容量衰减，从而大幅提升TSLA车型的保值率。
不过有关TSLA而言，实现量产仅仅只是自产动力锂电池这一伟大愿景的第一步，后续动力锂电池的产量建设，对其而言才是真正的挑战。
在我国，动力锂电池产量的建设成本约为4-6亿元1GWh，而在美国，这一成本只会更高。TSLA假如想要真正建成成规模的动力锂电池生产线，后续至少要在动力锂电池项目上投资数百亿元。有关TSLA这样刚刚盈利，现金流无比宝贵的公司而言，这笔投资将会造成庞大的压力。自产动力锂电池，有关TSLA而言，仍然任重而道远。
