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2021年11月08日 | 特斯拉在高镍三元和铁锂电池间的选择平衡
2021-11-08 来源：2030出行研究室
特斯拉用什么样的电池，一直是业内关注的焦点。
特斯拉近期在发布会上表示将全面转型，产品大规模使用磷酸锂电池——在全球范围内使用磷酸铁锂作为标准版本车型的电池。而随后赣锋锂业与特斯拉签署了《产品供应合同》，约定自2022年1月1日起至2024年12月31日，由赣锋锂业及赣锋国际向特斯拉供应电池级氢氧化锂产品。
特斯拉到底怎么样用电池，磷酸铁锂和高镍三元的选择场景分别是什么样的，这值得我们仔细考虑。
特斯拉之前的规划，是很清楚的——
1）长循环寿命：这是特斯拉规划的入门级产品和储能站（的电池选择），优先考虑使用寿命（充放电次数），电池会主要使用磷酸铁锂电池。可以预期的是，基于磷酸铁锂电池的入门级车型就是特斯拉所说的“25000美金车型”的电池选择。
2）长续航（中级产品）：这是特斯拉根据客户的需求，优先考虑续航里程，电池需要较高的能量密度，目前是围绕镍和锰来做的无钴电池；
3）重量敏感的产品（高端产品）：在皮卡、重卡领域，由于需要考虑带载能力，所以性能优先，需要采用高镍电池，这也是特斯拉目前自主开发的重要领域。
随着特斯拉的战略更新，我们能看到磷酸铁锂电池的应用快速突破了现有的Power wall和Model Y。目前长距离的车型也开始往高镍电池的方向走。
图1 特斯拉2020年Battery Day上演示的电池分配
PART 1：特斯拉的大逻辑
特斯拉CEO Elon Musk在10月的投资者会议上为特斯拉设立新目标——到2030年特斯拉的电动汽车年销售量将突破2000万辆。而目前特斯拉的产能，在中国超过了45万台，加州超过了60万台，柏林工厂有望于未来几周正式投产，按照每周5000台Model Y的产量估算，短期内年产能拉高到24万台左右，后续也可能拉高到上海工厂的规模。而德州将来作为特斯拉的总部，预期的产能也会加码到50万台左右。所以从2022年开始，预期特斯拉的总体产能在明年可以实现200万台左右的规模。
表1 特斯拉的产能布局
从特斯拉（电池）的技术路线来看，从松下的18650到21700，再导入LG Chem，然后加入了宁德时代的方壳铁锂，特斯拉牢牢把握住了主动权。在电池的选择上来看，目前特斯拉是全球最大的动力电池采购的大户，并且和第二名的差距还在持续拉大。从2020年的时间点来看，特斯拉组织了自己的人才体系，从4680这种大圆柱的规格来设计和制造电芯工艺，真正切入电动汽车的核心，是相当让人敬佩的。而这些新的设计也在柏林工厂的开业仪式上得到了展示，我们不光看到了4680的电池，也看到了围绕4680电池做的CTC设计。
图2 柏林工厂是Model Y 结构化电池的基地，也是4680电池的主力
说实话，在柏林工厂看到的电芯样品、电池系统设计的截面，包括特斯拉的细节设计是很让人震撼的。特斯拉在具体的设计中继续采用电芯侧面冷却的方式，4680从车身横向布置，把电池和电动汽车本身做了考虑深度结合的设计，展示了真正把电池完全嵌入到车体里面去思考和优化。
图3 特斯拉的4680 Model Y的结构设计
高镍电池，是特斯拉降低对于钴的依赖，降低对于电池成本的考虑的核心要素。从今年以来，由于磷酸铁锂电池的需求量快速提升，碳酸锂的价格在快速攀升。如下图所示，某种意义上来说，特斯拉把新增的需求，从之前NCA+和NMC811的量转化为磷酸铁锂，降低了钴的需求，实现了钴价格的稳定；同时也减少了一些镍资源的需求。
图4 IEA对于金属材料的需求分解
实际按照特斯拉之前的布局来看，高镍正极材料的开发，特斯拉想要实现在材料端15%的价格下降，这项技术储备是有战略意义的。
图5 特斯拉的高镍材料开发
从特斯拉公布的路径来看，当前的磷酸铁锂电池主要是依靠中国的供应商来做的，而高镍电芯的开发则一方面依靠自己的团队，一方面也在推动松下、LG Chem这样本身的供应商跟上，在高镍电池方面特斯拉有信心在续航里程上提升54%（电芯设计、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献提升16%、20%、4%、14%）；单位成本下降56%（电芯设计、电芯工厂、负极、正极及电芯底盘集成分别贡献下降14%、18%、5%、12%、7%），也就是预期电芯的成本可以从2021年的100美金/kWh下降到2025年56美金/kWh；而单位投资额下降69%，这代表特斯拉可以大幅提高自己的产线能力，自己制造更多的电芯（五项措施带来的贡献分别下降7%、34%、4%、16%、8%）。
图6 特斯拉需求的成本
而2021年最重要的事情还是4680大圆柱电池真正从PPT到实际的落地，从18650到21700再到46800，特斯拉的优选路径还是圆柱电芯，这次大圆柱电芯直径46mm、高度80mm、容量可提升5倍，续航提升16%，成本下降14%。这里最大的挑战是快充速度——由于体积变大，电芯内部的热量在超级快充散热很难解决，所以这里通过创新无极耳设计，降低电流距离实现内阻下降。
图7 特斯拉的大圆柱电芯技术
PART 2：高镍电芯的安全性问题
这个问题之前已经介绍过，今天再重复下，Soteria（一家围绕电池安全设计的公司）的安全解决方案主要包括：Soteria在对样品进行阐述时表示其使用了811/石墨5Ah软包叠片电池，然后进行了最严苛的针刺测试——针刺后的电池还可以用，从容量保持率来看能保持93%。我们可以理解为，在特斯拉导入相似的设计以后，高镍电池的安全性完全得到了保障。
1）Dreamweaver separator 高温隔膜：Dreamweaver可能是无纺布隔膜，按照Soteria的说法在300℃的温度下非常稳定，没有明显的收缩。采用芳纶纤维增强以后，温度可以进一步在550°C保持稳定。
2）聚合物基的金属镀层集流体：Soteria的集流体是它安全设计的核心技术，Polymer使用的材料对比。
高镍电池安全设计，要从隔膜和复合集流体两方面综合作用来达到效果——耐高温隔膜不会发生热收缩导致大面积短路的情况，聚合物基集流体升温后会熔断起到类似电芯里面保险丝的作用。
图8 Soteria 的解决方案
小结：
从长远来看，高镍电池提供给了我们更高的能量密度，并且对资源的需求主要体现大宗的镍需求上，这个是很容易解决的。所以我想我们一定要密切关注技术的发展。
史海拾趣
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