車東西
文?|?Bear
導語：借著電動汽車的行業大潮，動力電池產業迅速崛起，全球已形成中、日、韓三國企業爭霸，松下、LG、寧德時代等巨頭分庭抗禮的行業格局。
表面的平靜背後，新壹輪巨變正在醞釀之中——固態電池即將掀起新壹輪技術變革浪潮、動力電池白名單去除後日韓企業重回中國市場、全球車企與零部件巨頭們也紛紛涉足電池產業，壹場大變局即將上演。
為此，車東西特推出《動力電池大變局》系列報道，詳解全球動力電池產業的風雲變幻，本文為系列報道之壹。
特斯拉自產的動力電池終於來了，馬斯克的野心從電動汽車產業湧向了動力電池產業，新的血雨腥風將拉開序幕。
今日，據外媒electrek報道，特斯拉的“Roadrunner”動力電池自產計劃正式啟動，位於美國弗裏蒙特大沙漠內的工廠，壹條屬於特斯拉自己的動力電池生產線正在成型。
整件事件最值得關註的焦點在於，達成規模化生產之後的特斯拉動力電池每度電僅需100美元（約合人民幣701元，指每kWh容量電池價格），而根據投資機構瑞銀公布的數據，松下當前動力電池每度電的成本約為111美元（約合人民幣772元），而寧德時代動力電池的成本則為每度電150美元（約合人民幣1042元）。
特斯拉進入動力電池產業的第壹件事，就是打掉動力電池產業的價格“底褲”。
▲外媒報道特斯拉正在弗裏蒙特工廠建造電池生產線
但除此之外，馬斯克的這場動力電池“閃電戰”還將在汽車產業與動力電池產業同時掀起浪潮。更多擁有資本與技術的車企在特斯拉的號召下，將會湧入動力電池市場，沖擊當前的動力電池產業格局。
在這樣關鍵的節點上，我們有必要找到特斯拉如何突破動力電池產業技術壁壘，壹步壹步解決電池研發，並最終具備電芯生產能力的秘密。
車東西通過對特斯拉五年以來的投資布局、技術研發情況與產業鏈布局進行梳理，找到了其中的答案。
壹、耗時五年?三元鋰電之父助力特斯拉自產電?
2020年2月12日，外媒electrek曝料稱，特斯拉正在美國弗裏蒙特工廠搭建壹條動力電池生產線。壹時間，特斯拉自產動力電池的消息公之於眾，引發了業界震動。
但若非此次媒體曝光，恐怕沒有人能想到特斯拉自產動力電池的速度如此之快。
原因在於，與其他大張旗鼓進軍動力電池產業的車企不同，特斯拉在這壹領域的布局簡直可以用低調來形容。
自2015年以來，特斯拉與動力電池相關的投資僅有三筆，分別是對達爾豪斯大學傑夫·戴恩研究小組（Jeff?Dahn?Research?Group）的5年贊助計劃、收購電池技術公司Maxwell以及收購電池制造設備公司Hibar。
三筆投資中，特斯拉僅披露了收購Maxwell的金額——2.18億美元（約合人民幣15.27億元），另外兩筆投資的金額與具體細節均未公布。
但正是這三筆投資，湊齊了特斯拉自產電池所需的關鍵技術——動力電池的電極、電解液、隔膜、電池殼體以及電池的制造工藝。
特斯拉在動力電池領域的布局始於2015年。
以領先於業界的三電技術立身的特斯拉不甘於在動力電池領域受制於松下，更何況彼時松下動力電池的產能爬坡速度遠不如特斯拉汽車生產線的產能爬坡速度。
馬斯克有預見性地意識到，松下可能會成為特斯拉邁向年產百萬輛電動汽車的最大阻礙（隨後事實如其所料，2018年松下的動力電池產能限制了特斯拉Model?3的量產速度）。
於是，馬斯克動起了自產動力電池的念頭。
2015年，馬斯克找上了專註於鋰電技術產業化的傑夫·戴恩團隊，希望為其提供“數額可觀的5年的研究經費”（the?substantial?5-year?funding?package），讓其為特斯拉研發壽命更長、成本更低、能量密度更高的鋰離子電池。
▲傑夫·戴恩研究小組
傑夫·戴恩團隊是加拿大頂級大學達爾豪西大學內壹支專註於鋰離子電池技術研究的團隊，自2008年開始研究鋰電池產業化項目。其官方網站顯示，該團隊目前擁有30人左右的規模，***計發表論文600余篇，在重量級期刊JES與JPS上均有論文發布。
有外媒評價，該團隊是目前鋰電池領域研究實力最強的團隊之壹。
傑夫·戴恩本人更是通過精確限定鎳鈷錳材料中鎳的含量，使三元復合正極材料成功實現規模商業化，成為了業界公認的三元材料技術真正的開創者和發明者。
▲傑夫·戴恩
壹邊是急於自研自產動力電池的特斯拉，壹邊是希望並且擅長將技術產業化的傑夫·戴恩團隊，雙方壹拍即合。
同年6月16日，傑夫·戴恩團隊所在的達爾豪西大學與特斯拉***同宣布，傑夫·戴恩研究小組的合作夥伴將在2016年6月，從3M?Canada轉移到特斯拉，並與特斯拉達成獨家合作協議。
達成合作協議之後，傑夫·戴恩老爺子壹屁股坐進了特斯拉的前備箱，比出兩個大拇指，興奮之情溢於言表。
▲傑夫·戴恩
在此之後，傑夫·戴恩團隊持續在新型鋰離子電極材料、鋰離子電池故障機理診斷、電解質添加劑、鈉離子與鋰離子電池安全性基礎研究以及電池研究理論/建模方面持續取得突破。
去年年底，來自傑夫·戴恩團隊的論文顯示，其新研發的動力電池循環周期可達到5000次左右，對應電動汽車行駛壽命超過100萬英裏（約為160萬公裏），這項專利目前已經為特斯拉所有。
而近期外媒electrek又曝出消息，稱傑夫·戴恩團隊的研究成果將使特斯拉的動力電池成本達到100美元/kWh（約合701元/kWh）。對比投資機構瑞銀給出的數據，松下動力電池的成本約為111美元/kWh（約合771元/kWh）、寧德時代約為150美元/kWh（約合1042元/kWh），特斯拉目前的電池成本在業界屬於最低水平。
據了解，傑夫·戴恩團隊還在幫助特斯拉完成能量密度500Wh/kg的高鎳三元鋰電池的研發，目前已初具成果。
可以說，2016年以來，傑夫·戴恩團隊為特斯拉自產電池項目貢獻了眾多底層的技術專利與經驗積累，完善了特斯拉從電極、電解質到電池殼體環節的大部分技術鏈條。五年時間，傑夫·戴恩團隊也確實完成了簽約時對特斯拉許下的諾言——幫助特斯拉提升動力電池循環次數、降低動力電池成本、研發高能量密度動力電池。
這筆投資對於特斯拉而言，物超所值。
二、收購Maxwell?幹電極技術提升動力電池能量密度
2016年之後，馬斯克轉身紮進了特斯拉Model?3的產能地獄，再無閑暇顧及動力電池產業的布局，以至於2017年、2018年2年時間裏，特斯拉在動力電池產業並沒有大的動作。
但時間來到2019年，壹件事情為馬斯克敲響了警鐘。
2019年2月，特斯拉2018年財報發布的電話會議上，馬斯克指出，超級工廠電芯產能的不足是限制特斯拉Mode?3產能的最大桎梏。
2019年4月，馬斯克再度發推表示，“超級工廠的電芯產能只有24GWh，從7月份開始壹直限制Model?3的產能，在產能到達35GWh之前，特斯拉不會再投錢進去。”
來自松下的產能限制，使得馬斯克再度意識到了動力電池的重要性，他開始加速特斯拉在動力電池領域的布局。
2019年5月，特斯拉以2.18億美元（約合人民幣15.27億元）的價格收購電池技術公司Maxwell，溢價幅度達到55%。
之所以如此迫切地拿下這家公司，是因為特斯拉看中了Maxwell的幹電極技術與超級電容技術。
▲Maxwell幹電極技術介紹
傳統的電極制備工藝屬於濕電極工藝，制造過程中，需要將正負極材料加入溶劑中，對電極片材料進行塗覆。
這種制造工藝的優勢在於生產工藝驗證時間長，電極質量穩定，但溶劑的特性決定了這種電極塗覆的方式生產的電極較薄，能量密度受限。
同時，生產過程中，需要對溶劑進行蒸發，這壹部分生產工藝會產生壹定程度的環境汙染。
而無溶劑的幹電極生產工藝則是將活躍的正負極材料混入黏性物質中，使得正負極材料自身“原纖維化”，形成自支撐膜，牢牢地粘著在電極片上（原理類似於腳底牢牢粘上的口香糖）。
這種生產工藝可以制備更厚的電極，使得電池的能量密度得到大幅提升。目前，使用該工藝制成的三元鋰電池電芯能量密度大於300Wh/kg，電芯單體能量密度最高可實現500Wh/kg，同時獲得更大的放電倍率。
與此同時，幹電極的另壹大好處，就是可以在電池使用之後，持續為其補充鋰金屬，彌補電池的容量衰減；而采用濕電極法制備的電極，補充鋰金屬和混有鋰金屬的碳不能很好地彼此融合，通常會伴有煙霧、火苗和噪音等強烈反應。
此外，幹電極的制作流程不需要進行溶劑幹燥步驟，降低了生產成本與時間成本，也降低了環境汙染。
另壹項超級電容技術，則可以用作能量回收過程中的快速儲能裝置，其能耗遠小於將回收的動能重新儲備到電池中。
而在急加速過程中，超級電容器能夠實現大功率放電，避免動力電池直接大功率放電產生鋰晶枝，對電池結構造成不可逆的損傷。
超級電容技術的另壹大優勢，就是工作溫度範圍大，大部分電池的工作溫度需要維持在20℃-40℃之間，對外界環境溫度要求較為苛刻。而超級電容的工作溫度在-40℃-80℃之間，可用於冬天車輛起步與動力電池的加熱。
幹電極技術為特斯拉自產電池提高了能量密度，而超級電容技術能夠在特定場景下為電池提供輔助作用，二者結合或許是特斯拉將來會采用的“混動”方案。
三、收購電池生產設備商Hibar?為自產電池鋪路
投資傑夫·戴恩團隊，收購Maxwell都是為了掌握最新的電池技術，掌握技術之後的關鍵就是將其量產。
2019年10月，有媒體發現，加拿大精密設備公司Hibar突然出現在特斯拉旗下，成為了特斯拉的控股子公司。
特斯拉收購Hibar屬於秘密進行的項目，其收購日期、金額、合作細節均未透露，但可以明確的是，收購Hibar意味著特斯拉的自產電池項目僅差臨門壹腳。
Hibar以生產高精度定量註液泵、註液生產系統、自動化電池制造和工藝設備聞名，產品線覆蓋了完整的電芯生產流程。
▲Hibar產品壹覽
在過去的40年時間裏，Hibar已經成為了電池行業裏壹次電池及二次電池生產線的首選供應商。
投資傑夫·戴恩團隊讓特斯拉擁有了自研動力電池的技術人才，收購Maxwell使得特斯拉掌握了動力電池領域最前沿的技術，而收購Hibar是特斯拉自產動力電池項目的最後壹環，至此，特斯拉形成了從技術研發、樣品驗證到大規模量產的全面布局。
四、自產電池壽命將達100萬英裏?最大能量密度可達500Wh/kg
雖然特斯拉已經擁有了電池的研發、驗證與量產的能力，但實際產品將能夠達到什麽樣的效果呢？
目前其電池生產線還未投入實際使用，想從產品出發進行分析不太現實。我們可以換壹個角度，從特斯拉目前擁有的技術實力，來推斷其自產電池的技術指標。
1、電極
從電極角度來看，特斯拉自產的電池有很大可能性會采用已收購的Maxwell的幹電極技術，該技術目前在三元鋰電池領域能夠實現的單體電芯能量密度為300Wh/kg，最大能夠達到500Wh/kg。
現階段，業界僅有松下的NCA?811三元鋰電池以及寧德時代的NCM?811三元鋰電池可在電芯能量密度達到300Wh/kg。
與此同時，上文提到，幹電極技術能夠實現將鋰金屬補充到負極內，以彌補充放電過程中，鋰離子在負極、電解液中的消耗。
而此前，Maxwell有壹項待審專利正是將鋰離子補充至電池負極，這項專利技術將能夠有效緩解電池在使用過程中的容量衰減問題。而隨著特斯拉完成對Maxwell的收購，這項專利技術也自然轉移到了特斯拉的名下。
▲Maxwell待審專利
在成本方面，由於省去了幹燥步驟，整個電芯生產環節成本大約可下降10%-20%。
2、電解質
在電解質方面，受特斯拉資助的傑夫·戴恩團隊近期在知名期刊JES上發表了兩篇論文，講述了他們在電解質方面取得的進展。
其中壹篇名為《二惡唑酮與亞硫酸亞硝酸鹽作為鋰離子電池電解液添加劑》。
論文中提到，傑夫·戴恩團隊對近期開發的新型電解質添加劑MDO以及另外兩種添加劑PDO和BS進行了高溫高電壓與長期循環性能的測試，載體為NCM523三元鋰電池。
為進行該項測試，團隊將三種添加劑分別進行了單獨與混合添加，不同的實驗組合置於不同的溫度、電壓下進行測試，得出了不同的循環性能。
實驗結果表明，添加了MDO、PDO電解質添加劑的電池均在石墨負極表面形成了SEI層（對負極起到保護作用），而添加了BS電解質添加劑的電池則沒有形成SEI層。
通過長時間電池循環性能測試，2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸鋰的電解液添加劑組合在所有實驗電解質添加劑的表現中最優，在經過800次放電循環後，電解質中留存的添加劑濃度依然大於90%。
▲實驗結果，（b）（c）中最高的兩條分布點分別為2%PDO+1%硫酸乙烯、2%PDO+1%二氟磷酸鋰的電解液組合
在這壹研究成果的基礎上，傑夫·戴恩團隊在去年6月又發布了壹篇名為《出色的鋰離子電池化學性能的廣泛測試結果，可作為新電池技術的基準》的論文。
這項實驗同樣是對NCM523三元鋰電池進行了不同的電解質添加劑測試。
實驗結果顯示，分別向電解質中添加2%碳酸亞乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸鋰、1%二氟磷酸鋰這三種電解質添加劑組合，能使電池循環壽命有效增長。
▲實驗結果，紫色、綠色與紅色線條為測試結果，另外兩條為對照組
其中，添加了三種電解質添加劑組合的電池普遍在3000次充放電循環之後，還能保持85%以上的電池容量，有壹組甚至在經歷了5000次充放電循環之後，仍然保持了90%以上的電池容量。
而另外兩組對照組的電池則在1000次左右的充放電循環之後，電池容量分別衰減到了50%左右的水準。
如果以5000次充放電循環次數作為電池的平均循環壽命，以特斯拉Model?3?EPA續航裏程322英裏作為單輪充放電的續航裏程，那麽在該電池組的有效生命期內，壹輛特斯拉Model?3的行駛裏程將會超過160萬英裏（約合257萬公裏）。
不過據特斯拉公布的專利顯示，目前他們保守估計該電池的使用壽命在100萬英裏（約合160萬公裏），壹般純電動汽車所裝配的三元鋰電池理論使用壽命僅有40萬公裏-50萬公裏，特斯拉新電池的使用壽命大約是目前三元鋰電池的3-4倍。
值得註意的是，傑夫·戴恩團隊為特斯拉進行的研究是以NCM三元鋰電池為基礎的。因此從電解質添加劑與其適配電極的角度出發，特斯拉未來自產的電池極有可能是NCM三元鋰電池而非NCA三元鋰電池，該電池的最大循環次數可能逼近5000次，對應車輛的行駛裏程可能會達到100萬英裏（約合160萬公裏）。
3、超級電容器
除了動力電池本身，收購Maxwell還為特斯拉帶來了超級電容技術。
馬斯克曾在媒體采訪中透露，在大學期間，他就對超級電容技術充滿興趣，壹度想進行研究。現在，這個超級電容的粉絲終於能夠如願以償。
超級電容本質上是不同於動力電池的另壹套儲能方案，對比動力電池，其不足之處在於儲能性能有限。
但其長處也非常明顯，超級電容的充放電功率很大，並且能量損耗小，既能夠高效率進行動能回收，在車輛急加速時也能夠瞬間釋放大功率電流，減輕動力電池工作壓力。
與此同時，超級電容的工作溫度區間為-40℃-80℃，能夠適應壹般電池難以適應的極端環境。
可以說，超級電容具備與動力電池互補的潛質。在車輛正常行駛時，動力電池提供主要電力，當車輛需要急加速、進行動能回收、在寒冷地帶起步時，超級電容為車輛提供電力。
當自產電池項目落地後，特斯拉有可能會為車輛同步配備超級電容器，形成全新的動力電池+超級電容“混動系統”。
綜合上述三方面來看，特斯拉自產的動力電池極有可能是NCM三元鋰電池，第壹代電芯產品的能量密度可能會在300Wh/kg左右，後續會逐步攀升至500Wh/kg。
其電解質添加劑可能會選用2%碳酸亞乙烯酯+1%硫酸乙烯、2%氟代碳酸乙烯酯+1%二氟磷酸鋰、1%二氟磷酸鋰這三種電解質添加劑組合中的壹種，得益於優異的電解質性能，其電池的循環壽命將能夠達到100萬英裏（約合160萬公裏），超過目前所有的動力電池循環性能。
不僅如此，超級電容技術也可能會被特斯拉投入應用，作為動力電池的輔助能源。
五、從供應商變遷史?看特斯拉自產電池的六大意義
特斯拉首條動力電池生產線的搭建，意味著這家車企在動力電池的供應鏈上走出了新的壹步。
自特斯拉推出首款車型Roadster以來，這條戰船就與全球鋰電巨頭松下牢牢地捆綁在壹起。據了解，特斯拉首批100輛Roadster全部采用了松下的18650圓柱形電池。
後續推出的第壹款面向大眾的量產車型Model?S，更是讓特斯拉與松下開啟了長達7年的獨家供應關系。
在此期間，雙方在美國佛羅裏達州的沙漠中，建起了壹座產能達到35GWh的動力電池工廠，也是如今世界上產能最大的動力電池工廠。
▲特斯拉Gigafactory?1
在馬斯克的設想中，這座工廠最終將能夠實現50GWh的年產能，撐起特斯拉年產百萬輛電動車的遠大願景。
但事與願違，壹邊是產能瘋狂爬坡，電池需求迅速上漲的特斯拉；另壹邊是即使出現虧損，也仍在擴大生產線，招收更多員工的松下。
雙方沒有達成供需同步攀升的微妙平衡，特斯拉的電池需求缺口越來越大，最終在2018年財報發布的電話會議上，雙方矛盾爆發。
馬斯克指責松下的動力電池產能遲遲跟不上，限制了特斯拉Model?3的產能爬坡，如果松下不能按照約定將合資工廠的電池產能提升至35GWh，特斯拉就將停止對合資工廠的投資。
2019年第三季度，雙方的合資工廠動力電池產能雖然達到了35GWh，但松下也凍結了進壹步提升合資工廠產能至50GWh的計劃。
自2013年展開合作以來，特斯拉與松下之間的關系第壹次接近“冰點”。
此次事件之後，雖然特斯拉與松下仍然維持著動力電池的供應關系，但特斯拉也開始尋找新的動力電池供應商。借著特斯拉上海工廠投產這壹機會，LG與寧德時代被特斯拉納入其供應商名單。
2020年1月30日，特斯拉正式宣布與LG化學、寧德時代達成動力電池供貨協議。
此外，路透社還報道，特斯拉正在與寧德時代就“無鈷”電池進行進壹步商談，特斯拉未來很可能會使用寧德時代生產的“無鈷”電池。
▲路透社報道，特斯拉正在與寧德時代商議無鈷電池合作
到目前為止，特斯拉的動力電池供應鏈條已經從松下獨家供應，轉變為LG化學、寧德時代、松下三家同步供應。在特斯拉自產的動力電池完成供應後，這條供應鏈也將被納入特斯拉的動力電池名單。
特斯拉已經正式從松下獨家供應動力電池的“單極時代”，走向多供應商供應動力電池的“多元時代”。最終可能形成以自產電池為主，采購電池為輔的動力電池供應鏈條。
對於特斯拉而言，這壹時代的到來有著三大意義：
1、動力電池降本增效，坐擁多家動力電池供應商的特斯拉，對供應商將擁有更強的話語權，勢必會在動力電池采購價格上加大壓價力度。
同時，自產的動力電池生產線投產後，特斯拉的動力電池成本將會低至100美元（約合人民幣701元），比松下的動力電池成本還要低10%，特斯拉的成本優勢更加明顯，旗下車型或將進壹步降價，更大規模的擴張銷量。如果使用幹電極技術進行動力電池生產，特斯拉動力電池的生產效率也會有小幅提升。
2、助推產能增長，到目前為止，特斯拉***擁有兩座整車生產工廠，壹座位於美國加州弗裏蒙特，目前處於滿負荷運轉；另壹座位於上海臨港，目前產能15萬輛/年，目標產能為50萬輛/年，還有較大幅度的產能爬坡空間；還有壹座規劃中的工廠位於德國柏林，目前正在建設當中。
就目前情況來看，特斯拉與松下的合資電池廠供給美國本土工廠已然供不應求，中國工廠與未來的德國工廠勢必需要新的動力電池供應商來提供動力電池。供應商足量的動力電池供應才能夠推動特斯拉產能增長，最終在2022年實現年產100萬輛特斯拉的目標。
3、滿足百萬輛Robotaxi的需求，馬斯克曾經誇下海口，表示2020年將會有100萬輛特斯拉汽車上路成為Robotaxi，暫且不論自動駕駛技術是否可行，以目前的電池技術來看，這壹目標很難實現。
目前動力電池的循環次數大多在1000次左右，對應使用壽命大約為20萬英裏（約合32萬公裏），這壹續航壽命對於普通家用完全足夠，但對於需要24小時不間斷運行的Robotaxi而言，卻顯得捉襟見肘。
特斯拉自產動力電池，正是為了解決這壹難題，上文我們已經提到，特斯拉最新的專利顯示，他們完成了100萬英裏（約合160萬公裏）續航壽命的電池研發，擁有超長續航壽命的動力電池將能夠滿足特斯拉Robotaxi運行的要求。
對於整個動力電池行業而言，特斯拉自產動力電池也有著深遠的意義：
1、特斯拉作為電動汽車領軍企業，進軍動力電池產業這壹行為，將會帶來模仿效應，未來更多大型車企在轉型電動化的過程中，可能會考慮自產動力電池以滿足自身需求。對於車企而言，電動時代的核心——三電技術，必須要握在手心。
2、車企進軍動力電池，意味著動力電池供應商們原本的客戶流失，動力電池供應商的利潤空間受到壓縮。在與車企的博弈中，動力電池供應商將想方設法降低動力電池成本，提高動力電池性能。
3、新能源供應鏈結構可能發生改變，在車企自產動力電池的過程中，原本隔著動力電池供應商的材料供應商們，將能夠直接與車企產生聯系。產業鏈條減少，意味著產業結構進壹步優化。
結語：掌握電池後的特斯拉將更加強大
特斯拉弗裏蒙特工廠的第壹條動力電池生產線正在搭建，投產指日可待，馬斯克醞釀了5年的自產動力電池計劃終於進入了產出結果的階段。
掌握動力電池後的特斯拉，從各個角度來看，都將變得更加強大。
在供應鏈端，追求降本的特斯拉，壹旦實現了自產動力電池的目標，對其他供應商的動力電池采購需求勢必會相應減少。特斯拉的動力電池供應商們將會展開價格戰，而在這場價格戰中，特斯拉將享有絕對的主導權。
在電動汽車產品端，特斯拉自產的動力電池很有可能比目前市面上的大多數動力電池性能優異，將會擁有更長的使用壽命，更少的容量衰減，從而大幅提升特斯拉車型的保值率。
不過對於特斯拉而言，實現量產僅僅只是自產動力電池這壹偉大願景的第壹步，後續動力電池的產能建設，對其而言才是真正的挑戰。
在中國，動力電池產能的建設成本約為4-6億元1GWh，而在美國，這壹成本只會更高。特斯拉如果想要真正建成成規模的動力電池生產線，後續至少需要在動力電池項目上投資數百億元。對於特斯拉這樣剛剛盈利，現金流無比寶貴的公司而言，這筆投資將會造成龐大的壓力。自產動力電池，對於特斯拉而言，仍然任重而道遠。
本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。