‘低鈷’和‘無鈷’是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢。”談及電池產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院助理教授、電池安全實(shí)驗(yàn)室主任馮旭寧指出。對此，中國科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師、天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院首席科學(xué)家吳凡也表達(dá)了相同的觀點(diǎn)：“對鋰離子電池正極材料而言，‘高鎳低鈷’或‘無鈷’化是大勢所趨。”

在過去20年里，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展一路突飛猛進(jìn)，如CPU工藝技術(shù)一直遵循摩爾定律，性能每隔兩年就能翻一倍。

然而，電池技術(shù)卻沒有取得太大突破，縱然每年都會有各種“XX新型電池”的新聞沖上熱搜，但最終還是淪為“PPT電池”：或是因?yàn)榧夹g(shù)工藝，或是因?yàn)槌杀驹靸r(jià)，或是因?yàn)榘踩缘雀鞣N因素，始終走不出實(shí)驗(yàn)室，難以大規(guī)模量產(chǎn)和普及。

就現(xiàn)階段而言，不管新能源行業(yè)怎么“大放豪言”，電池一直都是擋在電動汽車發(fā)展道路上的絆腳石。

高舉“無鈷”大旗，馬斯克進(jìn)軍電池界

隨著2020年特斯拉“電池日”上4680電池的正式亮相，電池界又多了一位“新玩家”，更確切地說應(yīng)該是“攪局者”。按照馬斯克以往的“風(fēng)格”，他每進(jìn)入到一個(gè)行業(yè)必定會掀起一場腥風(fēng)血雨。

電池占據(jù)整車成本的大頭，那接下來特斯拉造電池的成本如何控制呢？這就不得不提到電池中的重要成分——鈷。這種原子序數(shù)為27，在化學(xué)元素周期表中位于第4周期、第Ⅷ族的金屬，是電池制造中必不可少的正極原材料（至少現(xiàn)階段依然不可或缺）。

圖|鈷在元素周期表中的位置（來源：網(wǎng)絡(luò)）

“電池行業(yè)對鈷的消費(fèi)量最大，占比超50%。鈷是活性物質(zhì)，既能穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，又能減小陽離子混排，便于材料深度放電，從而提高材料的放電容量、循環(huán)性和倍率性能；鎳可以提高材料活性，提高能量密度。”吳凡表示。

在自然界礦石中，鈷和鎳是共生的關(guān)系，其占比為1:10，即從礦石里面提純一份的鈷，同時(shí)能得到十份的鎳。“但鈷這種元素存在兩個(gè)缺點(diǎn)。第一，鈷具有一定的毒性；第二，鈷的提純比較困難。”馮旭寧說道。

另外，鈷資源的缺乏也是不利因素。“目前全球已探明陸地鈷資源量約2500萬噸，儲量720萬噸，主要集中在剛果（金）、澳大利亞和古巴，三國儲量之和占全球總儲量的68%。剛果（金）儲量居世界首位，達(dá)340萬噸。”吳凡指出，“鈷由于其稀缺性已成為戰(zhàn)略性稀有金屬資源，同時(shí)其供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)集中化、不穩(wěn)定，已成為新能源汽車發(fā)展的掣肘。”

產(chǎn)量少+提純難造成了鈷的價(jià)格不斷攀升，也就造成了電池的成本居高不下。

那電池能不能“無鈷”呢？答案是可以的。

“低鈷”乃至“無鈷”既是特斯拉接下來要走的路線，也是需要克服的難題，這一點(diǎn)馬斯克在2020年“電池日”上也已經(jīng)明確表態(tài)。據(jù)了解，早在2019年1月，JeffDahn（現(xiàn)為特斯拉首席科學(xué)家）曾發(fā)表過一篇論文指出鋰電池正極材料“無鈷高鎳”的可行性，畢竟鎳在自然界比鈷多得多，提純也相對容易一些。無疑，正是JeffDahn的觀點(diǎn)極大地堅(jiān)定了馬斯克要造“無鈷電池”的信心。

談及JeffDahn，馮旭寧告訴DeepTech：“關(guān)于鋰電池材料尤其是無鈷材料，Dahn先生課題組很早就開展研究了。JeffDahn先生是少數(shù)經(jīng)歷過鋰電技術(shù)全程研發(fā)且仍在技術(shù)一線的科學(xué)家之一。”

對于電池“無鈷”化，馮旭寧表示：“‘低鈷’和‘無鈷’是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢。但在電池‘無鈷’化的同時(shí)需要添加其他的離子來替代鈷在電池充放電過程中的作用。”

盡管特斯拉現(xiàn)階段的電池還離不開鈷，但縱觀過往其歷代電池，其鈷含量正在不斷降低，最終實(shí)現(xiàn)電池“無鈷”化指日可待。

被逼無奈，特斯拉走向自研自產(chǎn)電池之路

作為新能源汽車領(lǐng)域的“大哥”，特斯拉知曉固態(tài)電池和石墨烯電池的優(yōu)勢，但未來幾年特斯拉之所以不打算做固態(tài)和石墨烯，而是繼續(xù)“深耕”鋰離子電池，原因主要?dú)w結(jié)為兩點(diǎn)。

第一，受制于供應(yīng)商的電池技術(shù)。

在電池供應(yīng)方面，特斯拉和松下、LG化學(xué)、寧德時(shí)代都有合作，特斯拉汽車所使用的1865電池和2170電池皆由他們提供，但受制于性能、安全、規(guī)模、價(jià)格等綜合因素的權(quán)衡，圓柱形鋰離子電池是目前供應(yīng)商能給特斯拉的最好電池。

顯然，這離特斯拉心目中的“理想電池”還有一些差距。既然自己想要的電池供應(yīng)商給不了，于是特斯拉便走向了“自研+自產(chǎn)”電池的道路。

所謂“術(shù)業(yè)有專攻”，特斯拉在電池領(lǐng)域的積累顯然不如松下等老牌供應(yīng)商，故此其花重金請來鋰離子電池界的祖師級人物——JeffDahn親自掛帥擔(dān)任特斯拉首席科學(xué)家，開發(fā)“不可能三角”電池，這是一種能量密度更高、充電速度更快、制造成本更低的鋰離子電池。

JeffDahn也不辱使命，時(shí)隔一年便交上一份讓馬斯克滿意的答卷，盡管4680電池還存在些許不足，但它的綜合性能很好地提振了行業(yè)信心。

從第三方采購、到合資建廠、再到自研自產(chǎn)，特斯拉在電池道路上儼然走出了自己的步伐。可以預(yù)見，未來幾年內(nèi)特斯拉將繼續(xù)沿著現(xiàn)有成熟路線使用圓柱形電池的多并聯(lián)方案、繼續(xù)開發(fā)大容量鋰離子電池。

第二，特斯拉的商業(yè)策略。

特斯拉歸根結(jié)底是一家車企，是企業(yè)就要盈利，想盈利就要控制成本。固態(tài)電池雖然無比優(yōu)越，但現(xiàn)階段不論是技術(shù)還是工藝都存在瓶頸，完全不具備規(guī)模化量產(chǎn)的可能，而且成本高高在上，沒有商業(yè)化的實(shí)用價(jià)值。在特斯拉看來，使用成熟的鋰離子電池是當(dāng)下更優(yōu)的解決方案。

特斯拉之所以如此關(guān)注電池，是因?yàn)槌擞绊懻嚨男阅鼙憩F(xiàn)之外，電池在整車成本占比高達(dá)40%，只有電池成本降下來，整車成本才能降下來。這也正是為什么2020年“電池日”上馬斯克宣稱要在三年內(nèi)推出一款2.5萬美元（約合16萬人民幣）的電動汽車，其底氣正是來自4680電池的成本已降低56%。

特斯拉的商業(yè)策略是“低價(jià)搶市場”，以加速全球市場拓展。隨著蘋果等互聯(lián)網(wǎng)大廠也宣布要造車，現(xiàn)階段特斯拉要做的是盡快搶占市場，靠的就是低價(jià)。對廣大消費(fèi)者而言，價(jià)格依然還是眾多因素中最優(yōu)先考慮的，比如之前特斯拉宣布降價(jià)時(shí)，官網(wǎng)一度癱瘓、線下門店擠得水泄不通。

和國內(nèi)一些新能源車企不惜代價(jià)大搞“千公里續(xù)航”不同，特斯拉更看重電池的成本。前有電池技術(shù)瓶頸的掣肘，后有來自互聯(lián)網(wǎng)大廠的圍攻，該公司現(xiàn)在最想做的是盡快降低電動汽車價(jià)格，以更低的價(jià)格占領(lǐng)市場，讓市場快速達(dá)到飽和。

業(yè)內(nèi)人士：4680電池并沒有達(dá)到預(yù)期

對于特斯拉4680電池，吳凡表達(dá)了自己的看法：“特斯拉主要通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)件、簡化電池生產(chǎn)工藝流程等，提升電池標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能力，達(dá)到降低電池成本的目的。這種通過增加單塊電池體積來增加電池包能量密度的技術(shù)路線或思路在本質(zhì)上與比亞迪的刀片電池、還有寧德時(shí)代的CTP技術(shù)是一致的。”

電池并聯(lián)太多會導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)熱、效率低等不良影響，大容量電池可以有效減少并聯(lián)數(shù)，系統(tǒng)管理層面也變得更加簡單。“大容量化是整個(gè)新能源汽車電池行業(yè)的趨勢。”馮旭寧表示。

單看特斯拉的PPT介紹，4680電池的性能表現(xiàn)著實(shí)令人贊嘆，仿佛再次讓業(yè)界看到了希望。然而在業(yè)內(nèi)人士看來，這種電池并沒有達(dá)到預(yù)期。

“特斯拉在電動汽車領(lǐng)域?qū)儆跇?biāo)桿型企業(yè)，它對于電池的理解也會更加深刻，由于關(guān)注度過高的原因，大眾對它可以說是‘寄予厚望’，業(yè)內(nèi)人士覺得4680電池并沒有達(dá)到預(yù)期。”馮旭寧說。“不可否認(rèn)的是，特斯拉4680電池的綜合性能依然位列國際第一梯隊(duì)，但前面要加一個(gè)定語——在圓柱形鋰離子電池范疇里。”他隨后補(bǔ)充道。

嚴(yán)格意義來講，特斯拉4680電池更像是一次“優(yōu)化升級”，而非“革命”。

另外，特斯拉的這種圓柱形鋰電池容量也有“天花板”。“主要是因?yàn)閳A柱形鋰電池需要卷芯，外圍部分性能較好，但越靠近核心位置曲率越大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，造成活性物質(zhì)不可用，進(jìn)而形成浪費(fèi)。所以這種電池容量是有上限的，沒辦法做得特別大。”馮旭寧表示。未來，轉(zhuǎn)向其他電池，比如業(yè)界普遍看好的固態(tài)電池或許是更好的出路。

目前的固態(tài)電池和石墨烯電池其實(shí)正處于過渡階段，即固態(tài)電解質(zhì)和石墨烯還只是屬于“添加劑”性質(zhì)。“比如在鋰離子電池中添加固體電解質(zhì)以增加能量密度、提升安全性；在負(fù)極添加石墨烯以增強(qiáng)導(dǎo)電性、提高充電速度。兩者添加得越多，性能就越好，但相應(yīng)的工藝難度和制造成本也就越高。”馮旭寧說道。

顯然，不論是固態(tài)電池還是石墨烯電池，現(xiàn)階段都不具備量產(chǎn)的可能性。

特斯拉的鐵人三項(xiàng)：做電池、搞快充、建電樁

電池直接關(guān)系到汽車整體性能表現(xiàn)，而日常駕駛讓車主感到焦慮的，除了續(xù)航里程，再就是充電速度。

“續(xù)航里程對應(yīng)的是電池的能量密度，充電速度對應(yīng)的是電池的功率密度。”馮旭寧說，“想提高能量密度可以電極做得厚一些，想提高功率密度可以電極做得薄一些，但這兩者是矛盾的，這就需要電池廠商在設(shè)計(jì)電池的過程中去綜合考量，進(jìn)行權(quán)衡和取舍。”他補(bǔ)充道。

“快充技術(shù)，電池廠商和車企各負(fù)責(zé)一半。”馮旭寧表示。電池廠商能做的是“電池先天的”導(dǎo)電能力強(qiáng)，比如添加導(dǎo)電劑，控制電芯預(yù)緊力，將電極做成梯度電極或薄電極等；車企能做的是“電池后天的”充電過程中對電流進(jìn)行控制，讓電池充電過程中不過熱，不損壞電極材料。“目前，行業(yè)的目標(biāo)是充電5分鐘能跑200公里。”他說。

特斯拉的快充技術(shù)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，其采用“高功率直流電”模式，充電功率達(dá)40kW以上，比如特斯拉超級充電站可以實(shí)現(xiàn)30分鐘充一半，80分鐘完全充滿。在充電站/樁建設(shè)方面，特斯拉更是走在世界前列。據(jù)統(tǒng)計(jì)，特斯拉在全球范圍擁有超過2萬個(gè)超級充電樁。在中國大陸擁有750余個(gè)超級充電站、6000余個(gè)超級充電樁，覆蓋300個(gè)以上的城市。

關(guān)于電動汽車淘汰下來的廢舊電池污染問題。馮旭寧表示，“廢舊電池是污染源主要指的是重金屬污染，比如鉛酸電池里的鉛，鎳鎘電池里的鎘，而鋰離子電池內(nèi)部的原料毒性較低（鋰離子電池中鈷的占比大約為1-3%，），一般不會對土壤造成重金屬殘留。”

馬斯克在2020年“電池日”上也曾公開表示：“廢舊電池可以進(jìn)行收回利用，用于低配車型或者太陽能等有儲能需求的領(lǐng)域，這樣也能進(jìn)一步降低電池的使用成本。”

對此，馮旭寧說：“電池回收一般分兩類，一類是在高負(fù)荷下用完之后，到低負(fù)荷下繼續(xù)使用，比如一些5G通信基站可以利用電動汽車淘汰下來的舊電池；另一類就是直接報(bào)廢，通過物理法破碎成原材料，分離出電池中的有用金屬，比如銅、鋁、鈷、鎳等，再重新送回電池廠加工成電池，這方面回收效率非常高，接近100%。”

與此同時(shí)，吳凡也指出了現(xiàn)階段電池回收產(chǎn)業(yè)存在的一些問題：“第一，電池廠商多且使用很分散，廢電池收集缺乏有效渠道；第二，電池剩余壽命以及回收價(jià)格評估難；第三，電池拆解難度大，且存在一定安全隱患；第四，電池回收涉及行業(yè)眾多，商業(yè)模式需要進(jìn)一步探索和完善。”

從硬件研發(fā)到軟件布局，特斯拉在下一盤大棋

以往，人們對于傳統(tǒng)燃油汽車的認(rèn)知僅僅停留在“硬件”層面，認(rèn)為汽車只是一個(gè)代步工具而已。到了如今的新能源汽車時(shí)代，人們發(fā)現(xiàn)原來汽車也是可以搭載操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能化的。

在電動汽車的硬件中，電池?zé)o疑是最為核心的部分；而在軟件中，全自動駕駛是核心，比如特斯拉的FSD（FullSelf-Driving）在業(yè)內(nèi)就像標(biāo)桿一般的存在，且收費(fèi)不菲。據(jù)了解，目前特斯拉FSD套件在中國的售價(jià)高達(dá)6.4萬元。“特斯拉的業(yè)務(wù)布局將會變得和蘋果越來越像，未來，特斯拉可能會變成一個(gè)服務(wù)商，不單靠賣汽車硬件，更多的是通過軟件服務(wù)實(shí)現(xiàn)盈利。”一位業(yè)內(nèi)資深人士告訴DeepTech。

從電動汽車硬件到車載系統(tǒng)軟件，從電池技術(shù)、整車組裝，到FSD以及軟件生態(tài)，不難看出，特斯拉正在下一盤大棋。