4680的艱難誕生，只有特斯拉才敢這樣造電池
時間:2023-12-06 08:33來源:晚點LatePost 作者:李梓楠
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馬斯克2006年公布了一個偉大的愿景：造越來越便宜的電動車，替代燃油車、加速世界轉向可持續能源。
中國正在快速接近這個目標。這里的新能源汽車平均售價已從去年的20多萬元降到18萬元以內，與燃油車齊平，明年還會繼續下降。造車新勢力、問界等原本瞄準25萬-40萬元市場的品牌也在推出更便宜的車型。乘聯會估計，2024年中國每賣100輛車，就會有42輛是新能源車。
只是，特斯拉卻正在缺席這個它參與開啟的變革。至少在未來18個月里，特斯拉在中國市場不會有全新車型。它的Model3和ModelY已經沒有剛上市時的價格優勢。特斯拉全球唯一的新車型Cybertruck在2024年的產量只有12.5萬輛，且主要在美國交付。這款造型未來的皮卡起售價約43萬元人民幣，是2019年首次公布時的1.5倍。
特斯拉早先宣布的新車，低于15萬元人民幣的大眾車型最早也得等到2025年二季度才能量產。到那時，Model3已經賣了8年，ModelY已經賣了5年，期間只有不改變外形的一輪改款。
使特斯拉陷入5年車型真空期的一大癥結是4680電池量產延期多年。
特斯拉2020年發布4680電池。在研發之初，馬斯克認為電池制造效率太低，特斯拉可以重新發明電池制造流程，拋棄常規做法，降低50%成本。
4680電池原計劃在2021年開始量產，但直到今年年中才小規模量產。特斯拉美國得州工廠過去4個月只生產了1000萬顆4680電芯，只夠裝1.2萬輛Cybertruck。
《晚點LatePost》了解到，今年下半年，特斯拉開始找中國電池公司代工電池極片以滿足產量要求。到明年二季度，松下會開始給特斯拉供應4680電池，但產能只夠裝載約6萬輛車。
從Roadster到Model3，再到ModelY，特斯拉在數代新車型上都運用“第一性原理”的思考方式：即重新思考那些大多數人習以為常的慣例與陳規，追根溯源分析是否合理，再從物理學原理出發尋找新的更簡單和便宜的解決辦法，完成那些業內專家視為不可能的目標。4680電池是這種做法的延續。
《馬斯克傳》中多次描述了第一性原理手到擒來的過程。在制造SpaceX火箭時，馬斯克挑戰權威，提出用更便宜的不銹鋼替換碳纖維制造火箭，最終只花NASA登月計劃2%的錢就造出了能飛上太空的Starship。
特斯拉和馬斯克執掌的其它技術公司似乎總能憑第一性原理另辟蹊徑，證明傳統觀念是錯的，一次次取得技術領先。
但在4680電池上，特斯拉的做法遇阻。這款電池決定著特斯拉下一代車的產能和定價，而它的量產時間和性能都沒有達到最初發布時的目標。這是近年被不少公司奉為至寶的第一性原理的另一面：當遇上復雜創新，從原理出發推導重來常常只是一趟艱難旅程的起點。
重新發明電池和電池工廠
馬斯克提出過“白癡指數”：用零件的價格除以這個零件所需原材料的成本。這個數字越大，說明這個零部件“越白癡”，要么是中間環節太多，要么是制造效率太低。
每當遇到一個白癡指數過高的部件，特斯拉就會重新思考流程、革新制造方式以降低成本，使該指數盡量回歸“1”。馬斯克追求讓汽車的制造成本無限接近汽車所用的鋼鐵、鋁、硅、鋰等材料的成本之和。
2007年，馬斯克查詢倫敦金屬交易所的電池材料價格后，算出電池的“白癡指數”是7：當時每瓦時電池的鋰、鈷、鎳等材料的成本只有82美元，但鋰電池售價卻超過600美元，這一數字已是索尼、松下等電池公司努力20年的結果。
特斯拉在2014年與松下合資建立電池超級工廠，期望以此降低電池成本。但到2020年，鋰電池的“白癡指數”仍有2，當時整車的實際白癡指數已小于1.5。特斯拉仍得把汽車賣到4萬美元（約30萬元人民幣，也就是Model3的售價）才能保持毛利，馬斯克認為這還不夠便宜。
同在2020年，特斯拉宣布將研發制造售價約2.5萬美元（按當時匯率計算約為15萬元人民幣）的低價電動車，以進入更主流汽車市場，與豐田卡羅拉等最暢銷車型直接競爭。
支撐這一目標的是一個完整的電池降本計劃。自2018年起，特斯拉成立代號“跑路者”（Roadrunner）的項目組，開始籌劃自研和自產電池。
第一性原理思考的本意是：不停質疑你能質疑的所有事，直到只剩下基礎的事實與原理。特斯拉工作法中的第一條就是：“質疑每項要求”。
以這個視角看電池制造，特斯拉圍繞降本目標更改了圓柱電池的尺寸，簡化了延續幾十年的濕法生產再烘干的繁復環節，設計了新的電池與制造流程。
特斯拉選擇大圓柱結構：把圓柱電池的尺寸從直徑21毫米、長70毫米提升至直徑46毫米、長80毫米，這即是“4680”電池名稱的由來。更大的圓柱結構，能提升單個電池中的能量物質占比，進而提升電池能量密度。
特斯拉使用的三種不同尺寸的圓柱電池。圖源：松下官方。
這一設計兼顧了制造效率與成本。目前主流的動力電池分為圓柱和方形電池。圓柱形物體在流水線中的運轉速度高于方形物體。方形電池龍頭寧德時代每分鐘能生產25個電芯，而圓柱電池龍頭松下每分鐘能生產300個2170電芯。圓柱電池的弊端是，在封裝為電池包時，圓柱與圓柱間會有縫隙，空間利用率低于方形電池。
圓柱電池在排列時會留下縫隙。
大圓柱能大幅減少縫隙。一位電池公司研發負責人表示，車用圓柱電池直徑控制在45-50毫米時能最好地兼顧電池容量和空間利用率，如果尺寸再大，加工難度會提高，對空間利用率的提升也會變少。
“尺寸變大”看著只是一個小改動，實際會帶來一系列相互矛盾的改進。只把電池做大，極耳，即連接電池內外部電路的導電部分就要承擔更多電流，更容易熱失控，增大安全隱患。
圖中突出的綠色和灰色部分為正負極耳。來源：逸飛激光招股書。
“既然極耳朵不聽話，那就扔掉它。”馬斯克說。特斯拉隨即去掉了電池極耳，改為讓整個電池底部和外殼充當極耳，這即是“全極耳”（也稱“無極耳”）工藝，它能加快電池充電速度，還讓電池更容易散熱——電池外殼體積比原本的小片突起的極耳更大，更容易散熱。
電池公司在過去30年一直使用濕法工藝。它們將電池材料與有毒的粘合劑、液態溶劑混合，然后涂在薄薄的箔片上。加工完的極片要在長達100米、溫度達90度的烘箱中烘烤12個小時，在這個過程中充分蒸發有毒的溶劑和水分——整個工序極大增加制造成本。
特斯拉認為濕法工藝很低效：既然極片要做成“干”的，為什么要先把極片弄濕、再烘干？這就是馬斯克覺得電池制造的白癡部分。濕法涂布的設備、人工、廠房成本占整個電池制造的22.76%。
2019年2月，特斯拉花2.19億美元買下超級電容（用于攝像機閃光燈等領域的電能儲存設備）公司Maxwell，將超級電容器的干法電極工藝改用到鋰電池中，直接把極片做成干的。
干法電極不使用液態粘合劑，因此不需要烘烤，理論上制造起來更便宜、更快，對環境的破壞也更小。馬斯克說，僅靠這個工藝，特斯拉就能將單位產能的設備支出減少三分之一，將電極生產車間的占地面積和能源損耗減少90%。
目前一條方形電池產線的設備支出約為1.7億元人民幣，而4680電池產線的設備支出僅需5000萬-6000萬元。
特斯拉還希望加速電池流水線，來提升生產效率。馬斯克羨慕啤酒等飲料制造業和造紙業的連貫與超高效率：造啤酒時，生產線沒有任何斷點，啤酒瓶封上蓋后才會離開生產線，但電池的部分部件造完后，通常都要暫時離開生產線，靠小車運到下一個車間，再回到流水線上�，F在最快的電池生產線運轉速度為6公里/小時，而最快的啤酒生產線可達30公里/小時。
特斯拉為此大幅合并了電池制造工序，開發集合多個工藝的設備。如2021年，特斯拉在柏林工廠啟用了切割、卷繞和焊接的三合一一體機，這些任務本來需要3臺不同的設備才能完成。
按馬斯克在2020年的說法，整個4680電池方案能減少約20%的電池的制造成本，35%的設備投資成本和70%的工廠占地面積。
當時的特斯拉將4680電池視為大規模擴張的基礎：用投資更少的電池工廠生產儲能和汽車電池，再用更便宜的電池制造售價2.5萬美元的廉價車型，刺激銷量、賺取更多利潤，再投入到研發和新一輪產能擴張，形成增長飛輪，助力特斯拉在2030年實現一年賣2000萬輛車的宏大目標。
完美的設計，艱難的制造
做大電池，去掉弄濕電機再烘干的“白癡部分”。這些顯而易見的改進在過去數十年的電池工業中從未被實踐，因為困難重重。
第一個難題是流程改造。
汽車制造流程相對短，且對精度和環境的控制要求較低，汽車制造的主要任務是成品組裝，改進一個組裝工序很少影響前后工序。電池制造則是將材料變成成品，流程相關性更強，前一個工序的成品就是后一個工序的原料。改進一個工序，意味著也要修改前后工序。
特斯拉為了使用干法電極技術，去掉烘干等步驟，就需要把烘干前的所有環節都變成“干”的。這占整個電池制造流程的50%，且對環境、精度的控制遠高于其余工序。
濕法電極的核心是涂布。它的任務像抹奶油，把帶有粘結劑的糊狀電池正負極材料均勻涂抹在金屬箔片上，涂抹厚度一般只有30微米。寧德時代等電池公司致力于提升涂布速度，現已能做到每分鐘涂100米。涂布速度越快、質量控制越難。細微提升背后，靠的是數十億次嘗試中總結的經驗。
干法電極同樣要在金屬箔片上附著正負極材料，但正負極材料為干粉狀，附著力弱，它不像抹奶油，而更像撒沙子，且同樣追求均勻度和速度。
為把沙子撒地均勻、粘得牢固，特斯拉研發了新的粘結劑。
2020年，特斯拉申請了干法電極粘結劑專利，它改進了鋰電池原本采用的PVDF粘結劑。從微觀層面看，這種新粘結劑被滾壓后會纖維化，就像一張網。這讓原本在平面上撒沙子變成“就像在棉花糖上撒沙子”，一位干法電極工藝專家說。
但當時的特斯拉并不清楚要在正負極材料里混合多少粘結劑：粘結劑比例高了，電池中帶能量的物質就會變少，能量密度會變低，且粘結劑會阻礙鋰離子在電池中的流動，這會縮短電池循環壽命；但粘結劑比例太低，材料的附著力又不夠。
衡量粘結劑效果的一個直觀標準是電池首效（第一次充放電時電池的電量占設計容量的比例）。一位拆解過4680電池的工程師稱，特斯拉在今年年中的樣品能將首效做到88%，而其他參與該項目的電池公司只能做到85%，但還未達到量產電池的水準。目前主流的動力電池首效超過92%。
“以這個首效推算，特斯拉4680電池的循環次數可超過1000次，但目前主流的電池的循環次數超過2500次。”他說。
材料研發還只解決了約20%的量產難題，接下來還有設備研發。
干法電極設備需要用合適的力度將材料中的粘結劑滾壓成合適的纖維化狀態。在實驗室環境中，這件事很簡單。但大規模生產要求設備能連續、精準地處理整個任務。
輥壓要多次進行，如果只壓一次，就沒有足夠的操作空間來調整設備參數。特斯拉公開的專利中，采用了三個滾輪，分兩次執行輥壓動作。但一位接近設備供應商的人士稱，特斯拉后來將輥壓設備的滾輪數量增加到了7個。
目前行業使用的干法電極設備。
越來越多的滾輪確實提升了精度上限，但又增加了調試難度，每調整一次前面的滾輪，后續所有滾輪的參數都會變化。
在制造領域時常靈光乍現，敢于嘗試的特斯拉，也不得不陷入這樣的低效怪圈。調試設備和工藝沒有捷徑，它需要一次次嘗試。且往往牽一發動全身，改一處得調整多個環節。去掉弄濕正負極材料再烘干的“多余環節”，比馬斯克最初想象得難得多。
特斯拉的做法是自己設計設備，再找鋰電設備公司做代工生產，幫助克服一些設備問題。
一位曾接觸過特斯拉的設備供應商人士稱，特斯拉會給到設備核心圖紙，并限制供應商修改設計。“最終的結果是，設備工程師不懂工藝，特斯拉的人不懂設備，設備供應商花了很長時間才造出能用的設備，但依然不符合特斯拉的要求。”他說。
2021年，特斯拉找了多家電池設備供應商制造設備，其中部分設備方案現已被舍棄�！锻睃cLatePost》了解到，一家龍頭鋰電設備供應商曾向特斯拉提供了整條4680產線設備，并派出一個近50人的工程團隊去得州協助特斯拉優化產線，該團隊已在2022年底撤走。
生產設備的另一個難點是焊接機。
原本的電池極耳只有一小片，而4680電池采用全極耳設計，需要焊接的極耳面積成倍增加。焊接面積越大，就越容易出錯。焊接機輸出的能量過大會焊穿極耳，能量不夠焊接就不牢固，兩種情況都會讓電池報廢。
“特斯拉到今年也沒有明確定義焊接效果要做到什么樣。特斯拉從源頭去革新，但到落地的細枝末節上他們也把不準，于是就花錢找人幫他圓夢。”一位設備供應商人士稱，特斯拉并未給出更好的極耳焊接控制方案。此外，特斯拉還在激光密封等環節遇到了良率挑戰。
到去年年末，特斯拉的4680電池生產良率只有92%。依照電池行業測算，4680電池的良率要超過95%，才能壓低成本，實現商用。
特斯拉生產線的效率也遠未達到行業的預期。一位設備廠商人士稱，今年初，特斯拉4680電池的生產效率約為85個/分鐘，此前行業認為4680電池的效率上限是350個/分鐘。
當特斯拉的生產線以更快的速度運行時，制造過程中的品控難題還會繼續出現。
“即使只漏掉0.001%的灰塵和碎片，這些東西也會導致電池短路，實驗室環境不會放大細微的可能性，但工廠會。你會一直發現新的失敗方式。”特斯拉電池項目負責人德魯·巴格利諾在今年3月的投資者日上說。
目前，特斯拉的4680電池制造方案還未定型。“問題不止在生產，設計也在修改，時常是一個流程還沒順完，就要開始做下一個版本。”一位特斯拉工程師告訴《晚點LatePost》。
只有特斯拉才敢這樣造電池
據行業人士測算，如果不執著于干法電極，4680電池也能將ModelY的成本削減約8%，也就是將電池成本削減20%。雖然這還不到馬斯克目標的一半，但放在動力電池行業已是了不起的成就，松下、寧德時代需要至少三年才能達成類似的降本成果。
特斯拉卻堅持開發干法電極工藝，甚至不惜拖延Cbyertruck和下一代車的交付節奏。在馬斯克的設想里，4680電池并不只服務年銷200萬輛的特斯拉當下，而是要支持年銷2000萬輛的未來。
只有更便宜的電池才能支持特斯拉造出2.5萬美元的廉價車型，達到這個目標。今年3月，特斯拉已完成車型研發，并突破了更大規模的一體壓鑄技術。4680電池成了阻礙計劃的最后一塊絆腳石。
汽車行業，只有特斯拉會這樣不惜代價超前投入技術，并將自己的商業擴張與技術突破綁定在一起。收益與風險都被放大。
特斯拉此前的成功和當下的遭遇，都出自第一性原理衍生的方法論：拋棄行業成規、質疑原有要求，從最本質的物理學出發重新想一件事該怎么做。
這一方法論能行得通的情境往往是：特斯拉要挑戰和顛覆的是某一技術階段產生的老做法或習慣，而現在已經有新技術可以繞開曾經的制約。馬斯克敏銳地看出過去的限制已不復存在，捅破了那層資深專家腦中隱形的“不可能”，直抵解決之道。
這需要技術直覺和判斷。但馬斯克或任何個人都難以客觀全面地評估一個時期的整體技術與工程水平。
有些情況下，馬斯克的想法剛好能找到技術與工程支持：當他從玩具制造上想到一體壓鑄時，地球上剛好存在一家能制造出6000噸壓鑄機的公司——力勁。
SpaceX使用的33臺發動機并聯推進方案也是前蘇聯科學家在1970年代嘗試過卻失敗的設想�；鸺l動機在推流時會互相影響，需要實時調整發動機設置。當時的計算機無法同時控制這么多發動機。而到SpaceX落地這一設想的2023年，計算機算力和算法已能完成復雜任務——主流AI芯片的算力是50年前的10億倍。
在以上這些例子中，馬斯克回到原點，重新思考了那些多年來被不假思索接受的習慣。在歷史悠久的汽車業和航天業，大型廠商日復一日沿既定生產流程追求生產效率的極致，難有跳出來思考的意識或余裕。
第一性原理的局限則是它不可能超越時代限制。當特斯拉的目標無法被當下的技術實現，它也得付出巨大的時間與金錢投入，才能緩慢前進一點點。
2017年量產Model3時，特斯拉曾栽過跟頭：馬斯克當時認為可以用機械臂完全取代人工，這是制造業的必然。但他高估了整個自動化技術的水平，機械臂連簡單的梳理電線都做不好。特斯拉隨即陷入產能地獄，馬斯克重新把工人召回工廠才走出危機。
電池制造也是這樣一個領域：它涉及多學科復雜任務，工序之間環環相扣，牽一發動全身。“用濕的正負極材料涂布、再烘干”，這是馬斯克最初認為多此一舉的環節。但刪除這個環節，就需要把整個從混料、涂布、模切到烘干的工藝都推倒重來。
即使特斯拉能在實驗室里完成上述流程，接下來它還得解決大規模量產和商業化兩個相輔相成的難題。100萬輛電動車對應十多億顆電芯，這需要在同一套設備上重復數十億次生產工藝，并達到一定的良率基準線，且控制好成本。
多位行業人士預測，特斯拉會在2025年大規模量產4680電池，但最終量產的版本性能將比2020年發布時的版本大幅縮水。特斯拉目前生產的4680電池能量密度只有265Wh/kg，比行業預測的330Wh/kg低近20%。搭載這款電池的Cybertruck的最高續航只有547公里，遠低于此前800公里的目標。
從4680電池發布至今，特斯拉用3年時間只實現了最初目標的1/3，量產了工藝更簡單的干法石墨負極，但接下來還有更難的干法硅負極和正極。
站在殘酷的商業競爭角度：慢，有時不可接受。特斯拉的產品節奏被打亂。在最應該乘勝追擊的時刻，特斯拉的新車斷檔幾年。
而站在技術進化的角度，特斯拉給整個行業探了路：4680電池統一了大圓柱動力電池的尺寸標準；目前，寧德時代等電池巨頭也開始探索干法電極工藝，將這一工藝理念拓展至電池隔膜等部件。4680電池可能正在帶動動力電池制造的一次技術革命。
題圖來源：特斯拉X賬號
1957年，人造物體第一次進入宇宙，繞著地球飛了三個星期。人類抬頭就能在夜幕里看到一顆小小的閃光劃過天空，與神話里的星宿并行。
這樣的壯舉跨越種族與意識形態，在全球各地激起了喜悅之情。但并不是我們可能猜想的那種為人類壯舉所感動的勝利喜悅。根據政治哲學家漢娜·阿倫特（HannahArendt）當年的觀察，人們的情緒更接近于一種等待多時的寬慰——科學終于追上了預期，“人類終于在擺脫地球這個囚籠的道路上邁出了第一步”。
人們總是根據技術探索，快速調整著自己對世界的預期。當科幻作家的一樁暢想變成現實，往往是技術終于追上了人們的預期，或者用阿倫特的話說，“科技實現并肯定了人們的夢想既不瘋狂也不虛無。”
今天這樣的時候，多一點夢想是更好的。
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