4680电池:特斯拉跌入“量产炼狱”?

2022年08月18日 11:59 次阅读 稿源:澎湃新闻 条评论

“我们会在年底之前实现4680电池的量产,但这很难预测,因为这里面有很多新的技术。”在8月初的特斯拉(Tesla Inc)2022年股东大会上,公司首席执行官埃隆.马斯克(Elon Musk)说,“我们有信心将获得高生产率,但可能要到今年年底,我们才能实现高产量。”

但说这番话时,马斯克的声音并不十分有信心。一身黑衣的马斯克手持话筒,面容有些凝重,其间目光两次垂向地面。较之两年前的意气风发,似不可同日而语。

2020年9月,在特斯拉的“电池日”当天,马斯克推出了“划时代”的特斯拉4680电池,根据其表述,这款电池将在2022年实现100GWh的产能规划,为至少100万辆电动车提供支持。

然而现实却远未能如马斯克所期。

时至今日,特斯拉只在美国位于加州弗里蒙特附近的加藤路工厂和位于得克萨斯州的奥斯汀超级工厂中,启动了4680电池的小批量生产。特斯拉的供货方之一、电池厂商日本松下(Panasonic Corporation)则明确表示,4680电池目前仍然在测试阶段,大规模生产要从2023 年4月才开始。

不仅松下延迟了量产计划,传闻中4680电池的中国方面合作伙伴之一宁德时代新能源科技股份有限公司,相关规划依然朦胧。8月17日,当澎湃新闻记者向宁德时代相关负责人询问公司4680电池的量产进展时,其表示,宁德时代尚没有关于4680电池的信息需要披露。

4680电池遭遇了什么?

4680圆柱电池的全称,是4680规格无极耳(全极耳)圆柱电池。4680是指电池的规格——46指圆柱电池直径为46mm,80则指电池的高度为80mm。

据特斯拉对外公布的数据,相较于传统2170圆柱形电池,4680电池的能量将是前者的5倍,车辆续航里程将提高16%,功率提升6倍,未来结合电池材料和车辆设计的改进,续航里程净增长将高达56%,生产成本则可以节约54%。

特斯拉位于加州弗里蒙特附近的加藤路工厂,原本只是一个小型试点工厂,现在却成为了4680电池的生产担纲。得州超级工厂的4680电池生产线只是从今年二季度起开始少量投产。

今年年初,加藤路工厂生产出了第100万只4680电池。而今年4月,首批装载4680电池组的特斯拉Model Y在得州超级工厂组装交付,其使用的电池也是由该厂生产。

目前,并没有加藤路工厂公开的电池产量和产能数据。但从今年上半年加藤路工厂泄露的一份文件中,可以略窥4680电池在该厂的生产效率。据autoevolution网站报道,这份泄露出的文件显示,工厂当天有14台机器在运行,其中13台生产了质量“良好”的电池,合格率超过90%,但有一台例外,212号机器由于培训来自得克萨斯州超级工厂的员工,生产出了82%的“不良”电池。经统计,当天电池整体的生产合格率是92%。

从产量来看,当天加藤路工厂总共生产了6250个4680电池,而目前在德克萨斯州超级工厂组装的一辆特斯拉Model Y大约需要安装690个4680电池。按照加藤路工厂当天的产量,每天生产的电池量支持大约10辆Model Y,这远低于得克萨斯超级工厂的目标产量。

生产效率和产能都还在缓慢爬升。据长期追踪特斯拉的分析员特洛伊.特斯莱克(Troy Teslike)表示,8月,加藤路工厂的生产效率会提高,每周将生产220个电池包,而在得克萨斯的超级工厂每周将生产183个电池包。不过,特斯拉要到2023年5月才能达到每周生产5000个4680电池包。

而根据insideevs网站的报道,7月末,特斯拉动力总成和能源工程高级副总裁安德鲁.巴格里诺(Andrew Baglino)在一次投资者电话会议上称,“特斯拉希望奥斯汀的电池厂能在2022年底前超过加藤路工厂的周产量,预计该工厂在年底前每周将生产超过1000个电池包。”

澎湃新闻记者了解到,根据特斯拉的规划,加藤路工厂的4680电池年生产能力将达到10GWh,大概可以满足15万辆电动汽车的需求;得州超级工厂的产能预计年内将建成60GWh。而目前特斯拉自身在建的4680电池产能中,还包括了特斯拉德国柏林的工厂,预计建成后达到20GWh,但产能要到2022年第4季度以后才开始释放。

以上两张图片是特斯拉得州超级工厂的4680电池生产线

以上两张图片是特斯拉得州超级工厂的4680电池生产线

伙伴方面,日本松下和韩国LG新能源公司都对外表示了4680电池的产能规划。但此前松下已经明确称,目前4680电池还处于测试阶段,公司将逐步拓展生产能力,为全面推广做准备。据了解,松下位于日本西部的歌山(Wakayama)工厂今年正建造两条新的生产线,产能约10 GWh。在2023财年(2023年4月-2024年3月),工厂将开始大规模生产4680电池。

韩国LG新能源公司在6月宣布将投资5800亿韩元(约合 38 亿元人民币),用于在韩国忠北梧仓第二工厂新设4680电池生产线,为特斯拉供货,产能达9 GWh,但投入量产的时间也是明年下半年。

松下能源部门首席执行官忠信和夫(Kazuo Tadanobu)此前在接受彭博新闻社采访时表示,4680电池有可能在保持安全性和提高性能的同时,降低电动汽车的成本,从而推动汽车行业取得重大进展。然而,到目前为止,这个过程并不容易。

“这不仅仅是制造一个更大的电池。工作并不像有些人想象的那么容易。”忠信和夫说,“松下在这方面已经试验有一年多的时间。”他表示,电池的开发过程“需要巨大的耐力”,改变电池的形状需要“相当大的脑路神经”。

量产4680电池的困难在哪?

理论上,圆柱形电池的技术成熟度最高。在特斯拉早期阶段,曾大量使用了松下的1865圆柱电池产品,但对电动汽车来说,1865电芯容量小(一般不会超过3 .5Ah)、所需的电芯数量多(6000-7000节),电池管理的难度大。于是,特斯拉联合松下进一步推出了2170圆柱产品。更大的体积可以容纳更多的电极材料,还能节省结构件空间。2170相较于1865有一定提升,但没有质的飞跃,只能看做是一个胖版1865。

在业内人士看来,与1865和2170电池相比,4680电池的量产难度非常大,因为其确实是多项创新技术的融合。

首先,其对电池卷绕机的精度要求较高,由于电池体积较大,对齐也更加困难。主要难点还存在于极耳的焊接工艺。4680电池中最让特斯拉引以为傲的,是电池的无极耳(全极耳)技术。电芯的极耳是指从电芯中将正负极引出来的金属导体,是电池充放电时的关键路径。极耳的材质与大小会影响电芯的内阻,过流能力等。

传统的18650圆柱产品由于容量较小,输出电流较小,通常只有两个极耳,分别连接正负极(见下图左侧所示)。而4680圆柱使用了全极耳设计,将从卷绕体两端露出的正极铝箔和负极铜箔揉成一个端面作为极耳(见下图右侧所示)。极耳数量增多,电流通路也变多,同时还可以缩短极耳间距,从而大幅减少电芯内阻,达到有效减小电芯产热量,提升电芯快充快放能量的目的。

目前,全极耳的制作工艺有切叠法和揉平法两种。切叠法是特斯拉采用的一种解决方案,主要通过斜切成片卷起,表面起伏较大,容易造成极耳因接触程度不一致,内阻一致性差。

此外,当电解液注入时,由于两端都被极耳封闭,无法连续注液生产。揉平法是中国国内企业广泛使用的一种方案,这种方法通过超声波或机械摩擦将极耳揉成端面。极耳在压平过程中,容易产生金属碎屑,导致电芯自放电过大,甚至内部短路。此外,揉平后端面较致密,电解液难以进入电芯内部。这些都将成为提高电池生产率的难题。

第二,电池的空间利用率低。在相同的化学体系下,大圆柱形电池的空间利用率远低于棱柱形电池。如果使用三元材料,棱柱形电池可以使用普通的镍钴锰(532)或镍钴锰(622)材料,但4680电池必须使用高镍才能有类似的功率,其镍钴锰含量比例目前约为“811”。高镍三元化合物虽然具有较高的能量密度,但也意味着热失控风险较高,在系统保护层面必须予以重视。

第三,传统方法散热困难。电池产生的大部分热量来自于电化学本身,圆柱型电池一般轴向散热最快,侧面散热最慢。4680电池的大体积,使得这一特征更为明显。在800V高压充电下,电池会在短时间内积累大量的热量,侧面散热速度会变慢。从长远来看,会对电池的寿命产生更大的影响。特斯拉采用的方式是在顶部增加一个水冷板,达到侧面和顶部双向冷却的效果,目前效果如何不得而知。

第四,负极材料不足。4680电池的负极在计划中将采用碳化硅,以提高能量密度。然而,硅碳负极也有一些缺点。例如成本很高;副反应多,膨胀大,一次充放电效率低,影响电池质量;电池容易受硅体积变化的影响。SEI膜(固体电解质界面膜)被反复破坏和改造,锂离子被大量消耗,可能会降低循环特性和电池容量。

不过,颇为玄妙的是,在8月初,根据长期关注电动车电池的技术频道The Limiting Factor拆解了4680电池后进行化学分析,结果显示,目前已经生产出的4680电池负极中仅由石墨构成,并不含硅材料。

或许,还需要点儿耐心

由于4680电池的产量障碍,特斯拉不得不继续依赖其得州超级工厂生产的2170电池,来满足model Y的需求。

“我们有足够的2170电池来满足今年剩余的新车需要。特斯拉今年并不需要依赖4680电池,但4680电池将在明年扮演十分重要的角色。”在股东大会上,马斯克说。4680电池的量产进度或许并不会影响特斯拉今年生产150万辆新车的目标,但2023年就不一样了。

因为它对特斯拉的电动皮卡Cybertruck的顺利量产非常关键。在发布Cybertruck时,特斯拉对外承诺了一系列的卓越性能,而4680电池为实现这些承诺所必须。有业内人士认为,特斯拉的4680的量产远远落后于最初的计划,直接影响了Cybertruck、电动半挂式卡车Semi等车型的量产。

不过,好消息不是没有。已经生产的4680电池仍然在能量密度和快速充电性能方面展现出了优势。

根据The Limiting Factor 对特斯拉 4680 电池的拆解化验报告,一节4680电池约重355g,总容量约为26.136Ah,按照额定电压3.7-3.8V计算,额定能量大概在96-99Wh之间。简单计算,目前4680电芯的能量密度大概在272—296Wh/kg,而根据特斯拉的迭代计划,第二代4680电池能量密度将达到305 Wh/kg,第三代达到333 Wh/kg。

作为对比,比亚迪第一代刀片电池的系统能量密度为140Wh/kg,2025年预计大于180Wh/kg。宁德时代最新的麒麟电池三元高镍体系的系统能量密度在255Wh/kg,磷酸铁锂体系下能做到160Wh/kg。就能量密度而言,4680电池有一定优势。

此外,今年4月,特斯拉交付了在德州超级工厂生产的装配有4680电池的Model Y。第一批有机会驾驶这款新车型的客户是奥斯汀地区的预订用户,不少提供了很多关于这款配备4680电池的里程测试和充电测试信息。

在一次测试中,用户将电池在得克萨斯州的V3超级充电器上充电,3分钟内充到9%,12分钟内从9%充电到50%,在34分钟内达到80%,40分钟内达到90%,50分钟内达到97%。  不过,新的电池不能维持250千瓦的最高充电速度很长时间,速度的最高值比2170电池下降得更快。

“无论如何,现在对4680电池进行适当的评估还为时过早。“有业内人士评价说。

特斯拉动力总成和能源工程高级副总裁安德鲁.巴格里诺则强调,特斯拉在4680电池上的挑战是一个工程问题,而不是科学问题。这意味着,经过足够的优化工作,特斯拉或许能够走出4680电池的量产困境。

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