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最全解析特斯拉电池日,产合化路径大猜想

2020-09-23 22:05:20·  来源:北汽投研 中汽创新创业中心  
 
基本内容和要点:1)动力电池是电动汽车的性能决定性因素和成本单元,电池的经济性和性能,决定了电动汽车的性能和经济性。2)动力电池能源性价比提升的关键因素
基本内容和要点:
1)动力电池是电动汽车的性能决定性因素和成本单元,电池的经济性和性能,决定了电动汽车的性能和经济性。
2)动力电池能源性价比提升的关键因素:
  • 规模效应的进一步完善,由当前的GWh级别向TWh扩张;
  • 电池工艺的简化,电池性能的提升。
3)电池工艺方面,Tesla 主张通过干电极和连续封装等工艺创新,持续提升电池的生产效率。
4)在电池材料方面,Tesla在负极中通过离子导电材料包覆以及特殊添加剂的方式优化硅负极的性能;在正极方面,通过组分添加剂优化三元正极性能。
5)在终端车型方面,Tesla计划三年内推出2.5万美元的搭载新电池系统的平价电动汽车。

Tesla 的目标:$/Wh的持续降低
该观点与我们此前的判断一致,即,电动汽车产业的成本重心是电池,而电池产业的发展内在逻辑是提升能源经济性(即降低 $/Wh)。 
 
关键词:规模效应——电池是成本的关键,远期以TWh来计算Tesla 的产能单位
  
实现能源持续发展,满足电池需求爆发式增长,22年自制电池投产。为满足电动车、储能需求,特斯拉电池远期需求10Twh,因此特斯拉目标21年自制10 GWh,22年100 GWh,30年3 TWh,计划在美、德国生产。Tesla 也提到,由GWh规模向TWh的跃升,通过复制式的产能叠加恐难以达到,这个过程涉及到对材料技术路线的准确把握,以及工艺的进一步优化和简化。
 
解构特斯拉电池科技:通过电芯设计、电芯工艺、负极材料、正极材料、车身-电池一体化五个方面提升$/Wh
   Tesla 发布了五大技术创新,提性能、降成本。
  1. 电芯设计:圆柱大电芯+无极耳,使用4680型号电池,能量增加5x,续航增16%,功率提升6x,无极耳化降低电阻,减少发热,降14%成本。
  2. 电芯生产:干电极简化10道工序,组装线效率提升7x,使用电子系统定型加工,降18%成本。
  3. 负极:硅含量提升至20%,降5%成本,续航提升20%。
  4. 正极:高镍低钴化,储备资源,自制正极原料,材料回收,降12%成本。
  5. pack组装:CTP+CTC技术,集成度提升,降低7%成本。
  6. ——待以上技术成熟,特斯拉电池成本可降低56%。
五大方面逐个详解如下

一、电池设计
  • 具体内容:
在电芯结构方面:封装套、极耳、卷绕结构、正负极、隔膜、电解液。
在电池形态方面,Tesla 的新一代电池仍然采用了圆柱电池的封装形态。2017年,Tesla将18650电池变为21700电池,电池容量提升了50%,特斯拉与松下、LG、CATL达成了合作。随着电池容量增大,为解决散热和电阻问题,特斯拉推出无极耳电池方案,在新的电池结构当中,Tesla通过激光技术把极耳去掉,使电子流通距离更短,效率更高。特斯拉之前做了很多实验,希望能实现量产无极耳电池的设计。 
 
 
 
对于新的电池结构,直径从21变成46cm,即4680型号电池,能量增加5倍,同时增加16%的续航,功率也提升了6倍。同时由于解决了连续生产问题,特斯拉电池生产线的速度提高了7倍。
 
 
 
通过结构设计的改变,将每千瓦时的成本降低14%,能量密度实际可能达到200wh/kg,甚至更高。同时,Tesla 通过其独特的极耳设计,将充电时间大大缩小。
  • 优劣势分析和产业化猜想:
电池封装直径的增大(21700 →4680),意味着单个电池活性材料的载量增加和单体充放电过程变得更加复杂。Tesla通过增大电池外部的正负电极接触面积,以及通过在内部减少极耳数量的形式,减少在充放电过程中的损耗。我们认为,这种通过封装形式进化增加电池能量密度的方式,可能导致对应电池模组的电池管理系统将更加复杂,同时简洁的极耳设计也为大电流密度充放电提供了基础条件。上述基础条件可能为电池管理和对应的功率器件提出了更高的要求。
    
2009、2014、2015年间,特斯拉共申请了5件专利,核心解决了使用可调电压控制电池快充(US8970182B2)的技术难点以及利用负斜坡电流模式快充(US20110156661A1)的技术障碍,或为该无极耳电池设计埋下伏笔。

二、电池工艺
  • 具体内容:
Tesla 对干电极、连续组装、封装及工厂能效几个方面进行了工艺方面的创新阐述。
干电极:先对电极进行湿法处理,再进行干法处理加工。干电极粉状材料压成膜。干电极能够简化工序,简化了10倍的工序。
 
 
组装:组装线关键要实现连续性的组装,特斯拉1条组装线对应20gwh,效率提升7倍。团队将进一步进行一体化设计,使得电池生产达到系统性生产。
 
定型:与传统的单电芯定型加工不同,特斯拉希望通过电子系统,使得成本降低86%,节省75%的程序。
生产空间:未来1Twh的产能只需要更小的工厂空间,同样的空间能达到150gwh设计产能。
 
  • 优劣势分析和产业化猜想:
特斯拉在电池方面介绍了整体的工艺提升效率的结果,但是对于细节过程的介绍相对粗略。我们认为,电池制造是连续的过程,整体的产能与速率取决于最低速度的地方,其中干电极涂覆、入壳等工序本来收到生产速度掣肘较小。而对工艺速度影响较大的卷绕、化成等步骤如何提升,Tesla其实并没有提及。
   
在干电极方面,特斯拉收购的Maxwell 有一个非常重要的是非溶剂干电极涂层技术(DBE),原文称solvent less dry battery electrode (DBE)coating technology。干电极在工艺上简化了溶液过程中带来的设备和工艺冗杂的问题。但是对于Maxwell曾经面对的干法涂布不均匀,以及压实密度低的问题(这些问题影响到电池的一致性、能量密度等性能),Tesla 并没有给出更多回应和解释。
 
三、负极材料
  • 具体内容:
硅是全球储量最为丰富的矿物资源之一,同时硅的能量密度高(约3700 mAh/g),并且Tesla计划采用冶金硅作为原料,通过离子导电高分子进行涂覆、以及特殊胶粘剂(Binder)混合的形式,改善硅负极的性能。Tesla预计硅的成本降5%,到1.2美元/kwh,而且汽车续航提升20%。
 
 
  • 优劣势分析和产业化猜想:
硅材料价格低廉,同时具有很高的理论容量。但是硅的商业化应用面临一些问题:1)硅再充放电过程中,其体积膨胀高达400%,容易碎裂;2)相比于石墨,硅的导电性差;3)循环过程中SEI膜的非均匀生长,损失活性物质。
硅负极的失效原因和目前可能的解决方案:
 
Tesla 在众多路线当中选择了对硅原材料进行纳米化和对应的包覆方法来提升性能。硅纳米结构其实是目前业内比较常见的方案,对硅纳米材料进行包覆可以有效改善硅的碎裂和SEI膜失控生长问题。但是,同样地,该方法在负极当中添加硅的相对量较为局限,对于整体电极和电池的能量密度提升较为有限(约20-30%,根据添加量而异),与Tesla宣称的20%左右续航提升似乎吻合。
   
在添加剂(Binder)方面,Tesla说了该技术方向,但是没有给到具体的材料特性和种类。在Tesla 曾在早年申请一则专利(US10017649B2),过通过碳纳米管修饰来改善电极材料导电性和连接性的问题,我们猜测该添加剂材料或与纳米碳材料有关。如下图所示:
 
US10017649B2专利附图 
   
此外,Amprius 的硅纳米线阵列采用的是半导体气相沉积相关工艺(Chemical Vapor Deposition),Tesla在发布会上表示因成本原因暂不会采用该方法,而是对硅进行常规包覆和粘合剂方案(与Amprius在国内南京工厂方案类似)。如果考虑从根本上解决硅的含量低、以及硅膨胀带来的电极应力和应变等问题,硅纳米线是相对更为终极的路线,作为业内目前稀缺的能量密度可达400Wh/kg 的技术方案,因其工艺导致当前成本较高,未来有望通过规模化和设备革新进一步降低成本。
 
四、正极材料
  • 具体内容:
从金属的角度来讲,镍能量密度最高,成本最低,需要用到越来越多的镍。但是钴可以让整个结构更稳定,Tesla 致力于实现无钴,最终实现15%正极成本的下降。
 
在高镍电池方面,Tesla 表示已经进行了对应的储备,通过涂覆技术(Novel-Coating)和参杂(Dopants)的方法,帮助高镍正极材料降低成本(约-15%)。
 
但当前Tesla 仍然会通过添加适当的钴让正极材料更加稳定,并且未不同循环和续航的车型需求,配置不同的电池材料组合。对于储能、整车需要长循环的可以用铁锂电池(LFP batteries for standard range),对于长续航汽车可以用镍锰电池,对于质量大的皮卡和卡车可以用高镍电池。
  
此外,Tesla 还宣布:1)自产正极、正极加工控本;2)布局锂资源:已经获得了内华达州锂矿的开采权;3)布局回收:计划在下季度开始回收项目。 
  • 优劣势分析和产业化猜想:
关于Tesla 的正极材料,在电池日只给出了结果,并没有给出更多的实现路径和过程。但是,在Tesla 的专利群当中,有着双添加电解质系统(US20190036171A1)系统与之对应。该专利示例当中,通过双添加剂电解液添加剂组分,提升(镍钴锰)三元材料的稳定性能,与三元材料的电池产品趋势相一致。
    此外,Jeff Dahn团队在其工作中,也曾经在科学研究工作中探索了一系列添加剂构成的新型电解液组合,对NCM三元材料稳定性的增益效果。
 
US10017649B2专利附图(组分示意图及电化学表现)
 
《A Wide Range of Testing Results on anExcellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New BatteryTechnologies》(Jeff Dahn)

五、其他
   
新款Model S Plaid发布,现在开始(在美国)接受预订,交付日期定于2021年底。续航里程超过520英里(836公里),最高时速为200英里(320公里),百公里加速时间少于2秒,该车型性能达到了跑车水平,普通版售价为89,490美元,三电机版售价为134,490美元。
   
未来愿景:未来三年希望能设计出2.5万美元,配备新电池的电车。特斯拉将会专注于保持微薄的利润,并把节省的成本转移到客户身上,让他们更容易买得起特斯拉电动车。

总结
1)动力电池是电动汽车的性能决定性因素和成本重心,电池的经济性和性能,决定了电动汽车的性能和经济性。
2)动力电池能源性价比提升的关键因素:1)规模效应的进一步完善,由当前的GWh级别向TWh扩张;2)电池工艺的简化,电池性能的提升。
3)电池工艺方面,Tesla 主张通过干电极和连续封装等工艺创新,持续提升电池的生产效率。
4)在电池材料方面,Tesla在负极中通过离子导电材料包覆以及特殊添加剂的方式优化硅负极的性能;在正极方面,通过组分添加剂优化三元正极性能。
5)在终端车型方面,Tesla计划三年内退出2.5万美元的搭载新电池系统的平价电动汽车。 
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