特斯拉汽車新技術(shù)專題研究：4680電芯、CTC技術(shù)和一體化壓鑄技術(shù)

1、特斯拉汽車新技術(shù)專題研究：4680電芯、CTC技術(shù)和一體化壓鑄技術(shù)1、 4680電芯：進(jìn)一步優(yōu)化能量、續(xù)航、功率和成本1.1 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源目標(biāo)，需要更具擴(kuò)展性的能源解決方案三大方面：在2020年9月22日特斯拉電池日上，馬斯克表示，可持續(xù)能源未來將由三個(gè)部分組成，分別是：可持續(xù)能源生產(chǎn)，儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車。為了加速向可持續(xù)能源過渡，需要生產(chǎn)更多價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能以及以更少的投資建設(shè)更多的電池工廠。新的計(jì)量單位“太瓦時(shí)”：特斯拉提出了terawatt“太瓦時(shí)”（萬億度）這一新的計(jì)量單位，terawatt是gigawatt“吉瓦時(shí)”（十億度）的一千倍。特斯拉認(rèn)為,若實(shí)現(xiàn)真正向可持續(xù)能源的過渡，

2、需要每年20terawatt 的電池產(chǎn)量。按照現(xiàn)在內(nèi)華達(dá)超級(jí)工廠每年150 gigawatt 的電池產(chǎn)量，需要建設(shè)135座超級(jí)工廠，顯然這種方案的可拓展性不足。改善電動(dòng)車成本曲線，生產(chǎn)更多價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)向可持續(xù)能源的過渡。近年來，電池成本曲線的改善趨于平緩，因此若想在改善成本曲線上實(shí)現(xiàn)突破，需要重新思考電池的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)方式。五大措施：特斯拉通過電芯設(shè)計(jì)、電芯工廠、陽極材料、陰極材料、整車整合這五大措施提升電池的性能和質(zhì)量、車輛的續(xù)航里程，從而改善成本曲線。1.2 4680電芯：從第二代2170電芯到第三代4680電芯2020年9月22日，馬斯克在特斯拉電池日上發(fā)布了第三代4

3、680電芯，采用了無極耳、新型硅材料、無鈷技術(shù)；4680在電池容量、能量、續(xù)航里程、功率和成本方面均進(jìn)行優(yōu)化提升。命名方式：前兩位代表直徑，46mm；后兩位代表高度，80mm。 亮點(diǎn)：第三代電芯具有更大的成本優(yōu)勢。2170作為特斯拉的第二代電芯，能量比第一代1865提升了50%；4680相比2170的能量提升5倍、續(xù)航里程提升16%、功率提升6倍、在電池組層面每千瓦時(shí)成本降低14%。 合作伙伴：目前，特斯拉的合作伙伴有松下、寧德時(shí)代和LG，未來可能有更多合作伙伴。4680電芯在安全性方面實(shí)現(xiàn)了突破：46mm的電芯直徑，單位表面積的散熱壓力更大，從而影響充電速度和循環(huán)使用壽命。特斯拉采用的解決方

4、法是采用無極耳技術(shù)。 無極耳技術(shù)可提高導(dǎo)電面積，降低內(nèi)阻，提高電流，更易規(guī)?；a(chǎn)：無極耳技術(shù)簡化了電池生產(chǎn)過程中的繞制和涂料流程，提高導(dǎo)電面積，從而降低電芯內(nèi)阻，提高電流。更低的內(nèi)阻可以限制電池發(fā)熱；更大的電流可以提升充電速度，4680電芯的充電速度可媲美2170電芯。電芯單體體積增大，充分利用電芯空隙：相比方形電池和軟包電池電芯間的緊密連接，4680的圓柱弧形表面，能夠一定程度上限制電池之間的熱傳遞。圓柱電芯即便充分接觸，各電芯之間仍留有較大的間隙，從而減少電芯之間的熱傳遞；并且，特斯拉通過電芯的橫向排布，電芯間插入液冷散熱片等方法，進(jìn)一步優(yōu)化溫控效果，從而提升車輛的續(xù)航里程。1.3 陽極

5、：采用新型硅材料，成本降低5%，續(xù)航提升20%高度加工的硅材料，成本較高，不具可擴(kuò)性：由于硅本身的特性，在充滿鋰離子時(shí)其體積會(huì)膨脹四倍，壓力會(huì)導(dǎo)致硅粒子絕緣，最終損失電池容量。因此，目前工業(yè)使用的硅都是經(jīng)過高度加工的，例如以氧化硅、碳化硅等形式，并且較為昂貴。新型硅材料，降低電池成本，提升續(xù)航里程：特斯拉使用原始的硅作為陽極材料，不對(duì)硅本身進(jìn)行加工，而是通過電極設(shè)計(jì)和涂層設(shè)計(jì)入手。并且在此方法下，相同的硅材料可生產(chǎn)的電池?cái)?shù)量將大幅提升。在電池組層面，陽極每千瓦時(shí)成本降低5%，成本降至1.2$/KWh，車輛的續(xù)航里程增加20%。硅材料處理過程：使用彈性離子導(dǎo)電聚合物涂層穩(wěn)定表面。該涂層通過一種非

6、?？蓴U(kuò)展化的方法應(yīng)用于表面，沒有化學(xué)氣相沉積，然后通過由高彈性粘合劑形成的堅(jiān)固網(wǎng)絡(luò)將其集成到電極中。1.4 陰極：無鈷化“高鎳陰極”無鈷化“高鎳陰極”：陰極可采用鐵、鈷、鎳等材料，不同的材料的區(qū)別在于：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可以容納的鋰離子數(shù)量。鈷的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定但是成本較高，鎳可以更好的兼具成本和能量密度。特斯拉采用無鈷化的“高鎳陰極”，每千瓦時(shí)成本降低15%。1.5 4680電芯的挑戰(zhàn)：電芯的一致性問題是提升電池容量帶來的挑戰(zhàn)之一。4680電芯相比2170直徑增大兩倍以上，容積是2170電芯的5倍，這導(dǎo)致在電芯的生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)電芯容量、電芯內(nèi)阻的不一致性問題。電池組遵循“木桶原理”：電池組由電芯

7、單體組成，電池組遵循“木桶原理”，即電池組的容量、壽命取決于容量最低、壽命最短的那根電芯。電芯容量的不一致性，會(huì)導(dǎo)致電池組的容量損失；內(nèi)阻的不一致性會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電芯的發(fā)熱量不同，相同的電流，大內(nèi)阻電芯的發(fā)熱量更大，因此劣化速度更快，折損整個(gè)電池組的壽命。1.6 4680電芯：產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及影響4680電芯有可能以標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的形式推進(jìn)應(yīng)用。第一代圓柱電芯18650是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品，第三代圓柱電芯4680的容量更大，其可用性在很多領(lǐng)域都可以推進(jìn)，有可能成為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，目前國外的松下、LG、SDI和SK以及國內(nèi)億緯鋰能、比克電池等都在4680電芯方面有所布局。2、 CTC技術(shù)：電池既是能源設(shè)備，也是結(jié)構(gòu)本身2.

8、1 物理層面的架構(gòu)創(chuàng)新在2020年9月的電池日上，特斯拉除了發(fā)布了4680電芯外，還發(fā)布了全新的整包封裝技術(shù) CTC（Cell to Chassis），即取消Pack設(shè)計(jì)，直接將電芯或模組安裝在車身上。 電池既是能源設(shè)備，也是結(jié)構(gòu)本身。應(yīng)用CTC技術(shù)后的新架構(gòu)是物理層面的創(chuàng)新，將電池組作為車身結(jié)構(gòu)的一部分，連接前后兩個(gè)車身大型鑄件，取消原有座艙底板，取代以電池上蓋，座椅直接安裝在電池上蓋上。CTC技術(shù)也并非僅適用4680電芯，同樣適用其2170電芯，預(yù)計(jì)未來還會(huì)兼容其它尺寸電芯。2.2 進(jìn)一步優(yōu)化成本曲線CTC技術(shù)有助于將車輛的結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)一步單元化，從而進(jìn)一步降低制造成本。馬斯克曾表示，采用了

9、CTC技術(shù)后，配合一體化壓鑄技術(shù)，可以節(jié)省370個(gè)零部件，為車身減重10%，將每千瓦時(shí)的電池成本降低7%。2.3 國內(nèi)企業(yè)的布局情況寧德時(shí)代計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)集成化CTC，2030年實(shí)現(xiàn)智能化CTC。根據(jù)寧德時(shí)代董事長曾毓群介紹，寧德時(shí)代的集成化CTC技術(shù)不僅會(huì)重新布置電池，還會(huì)納入包括電機(jī)、電控、DC/DC、OBC等動(dòng)力部件；智能化CTC技術(shù)將進(jìn)一步通過智能化動(dòng)力域控制器優(yōu)化動(dòng)力分配和降低能耗。我們認(rèn)為，CTC方案是未來電動(dòng)汽車電池成組技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著電動(dòng)汽車對(duì)于便捷性、輕量化的要求提升，CTC將逐漸成為技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要方向。3、 一體化壓鑄技術(shù)：減輕重量、減少部件、降低成本3

10、.1 一體化壓鑄的優(yōu)勢：減少部件、減輕重量、降低成本2020年9月的電池日上，特斯拉宣布Model Y將采用一體式壓鑄后地板總成，將原來通過零部件沖壓、焊接的總成一次壓鑄成型，相比原來可減少79個(gè)部件，制造成本因此下降40%。并且，特斯拉宣布下一步計(jì)劃將應(yīng)用2-3個(gè)大型壓鑄件替換由370個(gè)零件組成的整個(gè)下車體總成，重量將進(jìn)一步降低10%，對(duì)應(yīng)續(xù)航里程可增加14%。3.2 一體化壓鑄的壁壘：Giga Press壓鑄機(jī)和鋁合金配方特斯拉的一體化壓鑄機(jī)Giga Press，由特斯拉和壓鑄機(jī)廠商IDRA Group聯(lián)合定制，深度參與了軟硬件的設(shè)計(jì)制造，其大小與房子相當(dāng)，長19.5米、高5.3米，重達(dá)4

11、10噸。除了壓鑄機(jī)定制設(shè)計(jì)與開發(fā)的技術(shù)壁壘之外，如果沒有大批量生產(chǎn)帶來的規(guī)模效益，車企很難分?jǐn)倝鸿T工藝使用的昂貴的壓鑄機(jī)和壓鑄模具的綜合成本。Giga Press所使用的鋁合金材料是特斯拉為改進(jìn)生產(chǎn)工藝的獨(dú)家配方，是一種不需要涂層和熱處理的高強(qiáng)度合金。由前蘋果合金專家查爾斯柯伊曼主導(dǎo)研發(fā)，柯伊曼2016年加入特斯拉，同時(shí)領(lǐng)導(dǎo)特斯拉和Space X的材料工程團(tuán)隊(duì)。3.3 一體化壓鑄的未來：白車身一次壓鑄成型特斯拉未來可能實(shí)現(xiàn)白車身一次壓鑄成型，從而完全取消組裝生產(chǎn)線。2019年7月特斯拉發(fā)布名為“汽車車架的多面一體成型鑄造機(jī)和相關(guān)鑄造方法”的專利，根據(jù)專利信息，該壓鑄機(jī)包括一個(gè)具有車身蓋件模具的中心部分，以及多個(gè)可相對(duì)蓋件模具平移的凸壓模具部分，多個(gè)凸壓模具可在中心區(qū)匯合后，負(fù)責(zé)不同部件的壓鑄，最終完成完整或部分的一體