鉅大LARGE | 點擊量：1522次 | 2021年05月25日
特斯拉電池：自研4680還是全固態？準固態材料是新方向
電動汽車作為燃油車的終結者，其續航焦慮是必須克服的一個“軟肋”，另外，也有業內人士認為電動汽車的競爭歸根結底本質上其實是“電池的競爭”。作為電動汽車界的“一哥”，特斯拉深知電池有關自身的重要性。
有關特斯拉下一步將會使用什么電池，浙江大學材料科學與工程學院涂江平在接受采訪時表達了自己的看法，他告訴DeepTech：“未來特斯拉應該會使用大容量電池，管理系統比較簡單，材料體系則會往準固態走?！?/p>
數據顯示，目前電動汽車產業電池成本能夠占到整車的40%左右，電池占據電動汽車成本的大頭，同時，電池的性能直接關乎汽車的整體性能表現，比如核心的續航能力等。
類似于手機的超長待機，超長續航是特斯拉所一直追求和突破的，而電池正是決定電動汽車續航的核心。然而，想提高電動汽車的續航，一味地靠加大電池容量并非明智之舉，提升電池的能量密度才是正道，而固態電池正是目前極具潛力的新型電池之一。
全固態電池為何讓特斯拉“愛恨交加”
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
提到新型電池必然少不了固態電池——這個被業界普遍看好的電池品類。首先解釋一下什么是固態電池？其全名是固態鋰離子電池，是一種沒有液體電解質的電池。與之相反的則是液態鋰離子電池，比如大家最常見的鋰離子電池，也就是你手中手機的電池。
值得注意的是，“固態電池”和“全固態電池”是兩個不同的概念。據了解，根據電解質的種類，鋰離子電池可以分為液態鋰離子電池、固液混合鋰離子電池和全固態鋰離子電池三類。
它們最重要的差別是電池內部液體電解質與固體電解質的比例不同。比如固液混合鋰離子電池內含有一定量的液體電解質，而全固態鋰離子電池內沒有液體電解質，全部都是固態電解質。
得益于全新材料和獨特結構，全固態電池所具備的優勢幾乎是壓倒性的，綜合安全性、能量密度、功率密度、循環壽命、高低溫性等性能等各個方面都表現優異，很明顯，這些優點恰恰都是特斯拉“夢寐以求”的。但全固態電池也有一個致命缺點，那就是成本過高，確切的說是現階段成本很高，顯然，這又讓特斯拉“望而卻步”。
有關全固態電池，我國工程院院士陳立泉曾對媒體表示：“液態鋰離子電池容易引發安全憂慮，300Wh/kg的能量密度也已至達極限。下一步要發展固態電池，或者逐漸過渡到全固態鋰離子電池?！彼a充稱：“固態電池的負極材料可以是納米硅和石墨的復合負極，正極可以是錳酸鋰、富鋰錳基材料或不含鋰的正極材料，電解質是固體電解質，能量密度可達300~450Wh/kg?！?/p>
有關全固態電池的技術現狀，我國科學院物理研究所李泓也曾公開表示：“總體而言，固態電池在世界范圍內尚處于研發階段，目前還沒有公司展示綜合性能及成本都能與液態鋰離子電池相媲美的大容量固態動力鋰離子電池?！彼€說：“由于全固態鋰離子電池目前尚未完全解決循環過程中固相界面接觸及體積膨脹問題，材料體系、生產工藝、應用技術因此也不成熟，并未形成供應鏈、得到充分驗證，短時間內無法實現大規模量產，預計還需約5年時間?！?/p>
就在前不久，我國科學院院士、汽車安全與節能國家重點實驗室主任歐陽明高也曾說過類似的話：“假如某一位說他的車既能跑一千公里，又能幾分鐘充完電，還特別地安全，而且成本還非常低，那大家不用相信，因為這在目前是不可能同時達到的。”
顯然，就現階段而言，雖然全固態電池優勢突出，但受到目前工業技術水平的限制，短時間內難以實現規?；慨a。
特斯拉放大招，自研的4680新型電池是何來頭？
既然短時間內等不來全固態電池，于是特斯拉便開始“自立門戶”研發制造新型電池。
去年九月，特斯拉在“電池日”上公布了全新的4680電池。據了解，這款電池的直徑為46mm、高度為80mm，其最大的特點是采用了激光雕刻的無極耳技術，突破圓柱電池的尺寸限制，由于沒有了電池重要發熱部件，電池的熱穩定可控性更高。而且這樣的設計令功率輸出提升了6倍，續航里程提升了16%，每千瓦時的成本下降了14%，而且充電時間也大幅縮減。
新型4680電池在能量密度、性能、成本、安全等多個維度都實現了不小的跨越，與目前正在使用的2170電池相比，其能量密度提升了5倍。在“電池日”上特斯拉還展示了4680電池的組裝信息，據介紹，新的電池包采用無模組設計，大約由960個4680電池組成，相比上千個2170電池組成的電池組要少一些，而且電池包的能量密度達到了300Wh/kg。
使用新型電池后，特斯拉電動汽車的續航里程將新增54%，成本將下降56%。顯然，這種4680電池一旦量產，將大大助力特斯拉實現降低制造成本的目的。
簡單概括總結一下就是：特斯拉開發的4680新型電池成本更低、能量密度更大、充放電功率效率更高。
對此，有業內人士根據特斯拉Model3的目前售價進行了粗略估算，若采用這種4680新型電池后其售價很可能低至16萬元左右。
圖｜特斯拉4680電池的“無極耳”技術
早在2020年五月特斯拉便披露了4680電池無極耳技術：其核心設計理念是通過正負極集流體與蓋板/殼體直接連接，成倍增大電流傳導面積、縮短電流傳導距離，從而大幅降低電池內阻，減少發熱量延長電池壽命，并提高充放電峰值功率；并通過優化電池結構件、簡化電池生產工藝流程等，提升電池標準化生產量力、降低電池成本。
有關特斯拉的4680電池技術，涂江平告訴DeepTech：“這個是成熟技術，他們叫無極耳技術，我們叫全集流體技術，早在2014年我們就獲專利了，國內大圓柱電池現在基本都采用這個結構設計和工藝?！?/p>
特斯拉快馬加鞭，加速自研電池落地量產
特斯拉作為一家車企，起初在電池領域的技術沉淀較少，只是通過第三方采購電池或者合資共建的方式保障電池供應。
從1865電池到2170電池，特斯拉一直都在堅持提升電池能量密度、降低電池成本的策略。2017年，特斯拉引入電池科學家JeffDahn研究團隊從技術、工藝等方面重新布局電池領域。2020年，特斯拉宣布自建新型電池試驗線，同年五月披露“無極耳”電池專利，九月正式公布4680新型電池。
據悉，目前特斯拉正計劃在德國的格林海德市建設一個超級廠，由汽車廠和電池廠兩部分構成，分別生產新款ModelY電動汽車和新型電池。德國聯邦經濟和能源部也在上周批準了啟動電池廠建設初步方法。
目前，特斯拉正計劃為電池廠招募員工。有媒體消息稱：“特斯拉計劃在這個電池廠大批量生產性能更佳的4680新型電池?！?/p>
馬斯克去年就曾表示，已經在美國的得克薩斯州“試點廠”試制4680電池。未來，隨著格林海德市電池廠的建成，屆時或將成為世界上規模最大的汽車電池廠。
依托自研自制的4680新型電池，特斯拉還能讓整車的綜合成本進一步降低，這很好的契合了特斯拉“低價搶市場”的商業策略，以加速特斯拉拓展全球市場，尤其是東南亞、南美等欠發達地區市場。
4680和全固態，哪個會是特斯拉未來的押寶對象？
特斯拉大費周章的自研電池，那這種4680電池會是特斯拉未來的押寶對象嗎？短時間是，但長遠看未必。結合消費市場、商業策略等綜合因素分析，特斯拉使用4680電池更像是一種“不得已的選擇”，也可以理解為是一種過渡。
回顧去年“特斯拉電池日”，公布會上展示更多的是特斯拉自研電池的創新思路，包括外觀、結構以及制造工藝等等。細看不難發現，其實4680新型電池的核心電化學體系并沒有革命性的創新，也沒有超越包括寧德時代、LG化學、松下等專業電池公司的研發范疇。
在電池技術日新月異的當下，國內的一些電動汽車品牌也相繼推出了全新電池品類，比如固態電池、石墨烯電池等等，然而相較于這些，特斯拉的4680電池似乎是最接近能夠實現量產的。
至于最近熱度頗高的石墨烯電池，就目前而言，石墨烯在電池領域的應用，一是作為負極材料，二是作為導電添加劑。事實上，用石墨烯做負極材料會導致成本極高，且目前技術尚不成熟。但假如是被用作導電添加劑，嚴格來說，這種電池應該被稱為“石墨烯基電池”或“摻雜石墨烯的硅基負極鋰離子電池”，顯然這和傳統意義上的“石墨烯電池”是兩個不同概念。
對此，我國科學院山西煤炭化學研究所研究員陳成猛曾向DeepTech透露：“在鋰離子電池領域，石墨烯目前僅作為輔助性的填料使用，在主體材料或電化學體系沒有技術突破的情況下，其應用僅可改善儲電部分性能，但效果遠達不到‘顛覆’的程度，將這類電池稱為‘石墨烯電池’也是不科學的?！?/p>
縱觀過往，任何科技產品的普及都要經歷一個由研發到量產的過程，只是這個過程或長或短。具體到全固態電池，從實驗室研發，到投產制造，再到大規模量產，整個時間周期很長，更為關鍵的是成本。
特斯拉的商業策略是“低價搶市場”，在這個策略下，雖然全固態電池“無限好”，但成本是個“硬傷”，而且距離大規模量產還有很長一段路要走，所以，特斯拉短時間內使用的可能性不大。當然，也不排除特斯拉試驗性地將全固態電池率先應用在非量產頂端車型的可能。
最后，不妨大膽的猜想預測：特斯拉下一步大概率會使用全固態電池，但在全固態電池成本尚未降到合理水平時，自研的4680電池無疑是一個很好的過渡。
