特斯拉宣布其电池技术已取得重大突破,并计划在接下来几年内全面替换传统汽车。这一更新将大大降低电动汽车的能耗、环保性和续航里程。这将是电动车行业的一个重大转折点,推动全球可持续发展和减碳行动。
阴阳电极是电动汽车电池的关键部件,如果此事可行,那电池生产成本可以降低30%,这有望使每辆电动汽车的成本降低数千元。
在当前对于电动汽车的成本、效能、环保等要求不断提升的大背景下,这些消息在行业引起了不小的轰动。
不过特斯拉才是最早将该技术应用于新型电池制造工艺的汽车制造商,马斯克曾说,干法涂布是一项革命性的技术,对于降低锂电池成本来说,干法是关键部分之一。
锂电池大规模量产面临的最大难点就是干法涂布技术的突破。
正因为如此,干法涂布技术被看作是电池行业的游戏颠覆者,除了特斯拉和 LG,三星 SDI、大众、 SK On、宝马、松下,以及国内的宁德时代、亿纬锂能和蜂巢等公司也都在研发干法涂布技术。
但没有想到LG最先公布了规模商业时间表,而且LG是特斯拉电池供应商之一,从今年8月开始将批量为特斯拉提供4680大电池,届时将极大缓解特斯拉电池产能问题。
无独有偶,就在LG干法消息出来后,特斯拉同样被爆出计划在年底前量产装车完全采用干法电极的4680电池,而且这将是4680电池的“完全体”版本。
在此次技术定型后,特斯拉接下来会全力提升生产良率和效率,扩大产能,这也将彻底改变特斯拉。
竞争开始加速,究竟谁才会成为第一个真正的颠覆者?
创新干式技术的多重挑战
极片制作是生产电池的核心工序,目前应用广泛的工艺是湿法电极工艺即湿法涂布,就是先将正极或者负极材料溶解到特定溶剂中,加入粘合剂和添加剂之后形成浆料,再通过涂布机压贴到极片表面,然后再烘干,将溶剂回收等。
在传统湿法工艺中,涂布干燥及溶剂回收环节,分别占设备、人工、厂房成本和能源成本的22.76%和53.99%,以及整个电池制造流程工序的50%。
在马斯克看来,既然极片最终还是要烘干,为什么要先把极片弄湿后再烘干,而不是直接用干极片?如果剔除这一部分,是否可以节省这些成本和工序?
干湿电极工艺的核心区别在于是否使用溶剂,其中干法电极生产工艺的主要步骤是将少量粘合剂与正/负极粉末混合,然后让混合的正/负极和粘合剂粉末挤压成薄膜,最后再将这层薄膜压到金属箔集流体上制成成品电极,整个过程始终保持无溶剂干燥状态,也就是剔除了打湿再烘干的步骤。
体现在电池上,则在能量密度、循环寿命、成本缩减以及环保方面都有很大的提升。
马斯克也曾提到,仅靠这个工艺,特斯拉就能将单位产能的设备支出减少三分之一,将电极生产车间的占地面积和能源损耗减少90%。
但实验室的理论与实际的规模商业化还是有非常大的区别的。
首先湿法涂布可以把带有粘结剂的糊状电池正负极材料均匀快速涂抹在金属箔片上,而干法涂布的挑战在于如何将干粉均匀快速涂抹在金属片,这涉及粘合剂多少的问题,粘合剂多了会影响电池的能效,少了又不够将材料很好的粘合,特斯拉还没有在这二者之间取得最优解。
其次还有设备的问题,比如如何将材料中的粘结剂物料压成合适的纤维化状态,这就是对设备的挑战,马斯克曾在投资者说明会上提到,正极粉料非常硬,在通过万公里压胶把正极粉体压制到一个特定的厚度时,就像披萨面团一样被压扁,这导致压胶压力超荷,发生位置偏移甚至变形,有时甚至会损坏极片设备,“这是我们没有预料到的。”
整个工艺的改变所涉及到的远不止材料和碾压的问题,马斯克亲口承认说,为了实现优质的量产电池,需要对Maxwell的干法涂布技术进行大量的工程设计,这一点目前还没有完全实现,这也说明当时特斯拉还没有全面突破干法电极极片制造技术。
助力特斯拉大规模扩张的重要基础
特斯拉的干法涂布,正是为了其成本更低、能量密度更大的4680大圆柱电池。
2020年电池日上,特斯拉首次发布4680大圆柱电池和干法涂布技术,4680指的是直径46毫米,高度80毫米,按照特斯拉的官方说法,这种电池单体容量高,电池排列缝隙小,空间利用率高,也就拥有比传统圆柱电池更高的能量密度,当然也意味着更高的续航,同时也更加安全,并且可以大幅提高充电速度。
当然尺寸的增加并不是无上限的,根据特斯拉的实验数据,这款全新的无极耳电池,相比于特斯拉采用的 2170电池,单体能量密度提高5倍,达到300Wh/kg,充放电效率提升了6倍。
反映在电池上,则在能量密度和循环寿命、成本缩减以及环保方面都有很大的提升。
马斯克也曾提到,仅靠这个工艺,特斯拉就能将单位产能的设备支出减少三分之一,将电极生产车间的占地面积和能源损耗减少90%。
除了电池本身,在汽车制造环节也能有明显的成本改善,以Model Y为例,如果使用4680,所需要的电芯数量只有传统电芯数量的1/5,同时每个电芯的焊接点也从4个减少为2个,这样一来在工艺和流程上的成本也降低了。
作为特斯拉的首个自研自产大电池,4680是综合了整体性能和经济性两方面的最佳结果,所以马斯克才会在电池日上充满信心地说,新一代的无极耳电池全方位超越了有极耳电池,4680成为了特斯拉未来在电池方面降低成本、提升效能,并助力特斯拉实现大规模扩张的重要基础。
经过这次干法改革,电动车领域有望迎来前所未有的成本降低、效率提升、能源节约和环境保护等方面的变化,通过采用干法来替代传统的湿法技术,特斯拉不仅可以将原有生产的能量密度和成本降至最低,还可以确保电费水平得到显著的提升,干法还能够有效缩短电池零部件的制造周期,确保电池生产和交付过程中的生产线稳定运行,进一步降低企业的运营成本。
随着干法技术的进步,技术企业将有机会提升自身的生产效率和产品质量,从而使企业在市场中获得更大的市场份额和竞争优势,而对于消费者来说,这一变革也将极大地提升产品的使用体验和使用寿命。
特斯拉公司在干法领域的决策不仅为其带来了丰厚的利润,也为行业内潜在的竞争提供了新思路,在持续推动技术创新的同时,特斯拉也考虑了与其他企业合作的可能性,特斯拉可以寻找与家电、汽车制造等领域相关的合作伙伴,共同推进干法技术研发和应用。
总的来看,干法技术对于特斯拉的影响巨大,不仅关系到电动汽车产业的发展前景,也将深刻影响其自身品牌价值和市场定位,预计随着技术不断进步,干法技术有望在未来带给汽车制造业全新的启示,推动全球新能源汽车的发展,改变汽车行业的一套新的标准。
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