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【锂解问答】特斯拉为何将18650电池更换为21700电池?

高工锂电技术与应用2022-08-23 16:18:05
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编者按


毫无疑问,特斯拉(Tesla)的成功极大地促进了国内18650动力电池的蓬勃发展,不仅电池厂持续发力扩产能,同时也带动了上游原材料厂、设备供应商,下游特色Pack生产厂的发展,创造了不少机会,应该是大功一件。

 

然而,在最近,特斯拉确认超级电池工厂(Gigafactory)投产后要生产21700型号来代替现有18650,这让国内的很多18650厂,甚至车企又一次的“躁动”起来了,设备厂也跃跃欲试,谈各种解决方案,讲21700的各种优势。

 

特斯拉为何会将18650电池更换为21700电池,背后的考量因素是什么,又向行业释放出了什么信号?来自知乎的作者吴彬对此作了深入解答。


  20167月底,Gigafactory迎来大批参观者,Tesla 放出消息,将会采用新规格的21-70电池,取代之前使用的18650电池,会用在Model 3以及未来的Model s/x上面。

 

  21-70电池是指直径21mm,高度70mm的圆柱卷绕式电池,而18650电池则是指直径18mm,高度65mm的圆柱卷绕式电池。可以看到,Tesla不仅换了电池规格,把规格的命名方式也换了(按照以往的惯例,21-70电池应该叫21700电池)。这个消息印证了我在2014年发表的两个回答:


特斯拉为什么要使用 18650 规格的圆柱形锂离子电池?  

吴彬的回答:“我认为,Tesla当时采用18650电池,的确是最优选择。但是,随着Tesla在电池领域的经验不断积累,他们应该会尝试其他构型的电池”
   
Tesla Motors为什么要将其专利开放,技术开源?   

吴彬的回答:“Tesla的技术路线非常独特,使用数千节18650电池来构建电池组。这条技术路线是Tesla在公司初创时所做出的选择。对其他的电动汽车生产商来说,这种选择未必值得效仿。事实上,Gigafactory投产后,Tesla未必还会坚持18650。有消息称将采用”20700”电池,即高度为70 mm,直径为20 mm的圆柱形电池。”


  电池规格只限定了电池的尺寸大小,单从规格是很难判断出这种电池相对于之前的18650电池有多大的技术进步。即使都是相同的18650规格,现在各家电池企业的产品质量也是良莠不齐,就像即使都叫酱香型白酒,有的可以上国宴,有的只能上流水席。我更关心的是,Tesla 做出变化规格的决定,反映了这家公司怎样的现状及心态。我认为至少有如下几点值得探讨:

 

  1.Tesla借由与松下深度合作的Gigafactory 掌握了电池单体生产技术,进而打通从原材料、电池单体、电池模块、电池组到传动系统、整车的整套技术链条,并且可以在自己完全控制的技术链里优化若干基础部件达到最佳整体性能。

 

  单体电池的构型选择、容量设计和尺寸设计是电动汽车里面一个很重要的问题,关系到上上下下、方方面面的很多因素。Tesla之前没有单体电池生产能力,选择18650电池是在自身需求与市场供给之前所找到的一个艰难平衡点。

 

  通过投资Gigafactory及与松下的战略合作,Tesla 具备了单体电池的研发生产能力,必然会重新审视产品设计流程,选择生产最适合自己的单体。

 

  在回答为什么要采用新构型电池时, CTO JB Straubel 在回答问题时提到:

 

  JB: Weve spent a lot of time on this actually. Its kind of interesting. There are a bunch of tradeoffs. There are some things that get better when you make the cell size bigger, and some things that get worse. 18650 was sort of an accident of history. That was what was standardized for early products. So we revisited all of those tradeoffs and came to this size, which is quite a bit bigger. If you have them next to each other, the actual volume of materials inside is substantially more. And overall it’s about cost optimization.”

 

  Ref: 11 Key Tesla Gigafactory, Model 3, Solar, & Elon Romance Takeaways From Todays Statements

 

  我试着翻译一下,大概意思是这样的:

 

  我们在这个(单体电池选择)问题上花费了大量的时间。这是一个很有趣的问题,包含着许多相互制衡的矛盾因素。当你把电池尺寸增加时,有一些性能会变好,但另一些会变差。18650这一构型得到广泛使用只是出于历史的巧合,我们早期的产品也使用了这一构型。

 

  我们重新审视了这些互相制衡的矛盾,最终优化得到现在的21-70构型,比之前的18650要大一些。如果你把这些圆柱形的21-70电池排在一起,最终是可以(在一个固定的包内)得到更多的活性物质(进而得到更多容量)。总的来说,这是一个成本优化问题。

 

  CEO Elon Musk 则说:

 

  “It really comes from the first principles of physics and economics. Thats the way we try to analyze everything. To say like if no cell existed in the world, what size should it be? What is the size that would achieve the product characteristics were looking for, but would be fundamentally optimal? 18650 is not optimal.”

 

  Ref: 11 Key Tesla Gigafactory, Model 3, Solar, & Elon Romance Takeaways From Todays Statements

 

  Musk的大概意思是说:

 

  这真的是从物理和经济两方面因素做出的计算结果决定的(看他用了他经典的 first principle thinking 梗,学习ab initio的同学要吐槽下这算哪门子第一性)。这是我们分析一切事物的方法。假设这个世界上本来没有单体电池,那我们要怎么去设计它?这个设计应当满足我们对最终产品特性的要求。18650(Tesla来说)不是最优设计。

 

  2.宣布采用新规格电池,意味着对Gigafactory产量和品质控制的自信。

 

  Gigafactory的年产量号称将与现在全球所有电池企业年产量之和相当,颇有美帝海军吊打全球之风。在如此大的产量之下,微小的非良品率也意味着极大的非良品量(资料称目前业界最佳的松下、三星、LG18650电池生产线一次直通率在98%以上,国内一般在90%左右)

 

  大量的非良品(只是容量、电阻等未达到要求,不是安全问题),满足不了电动汽车的极严苛要求,还可以转而消化在无人机、笔记本电脑等其他领域。Tesla放弃使用18650规格意味着失去了部分现有的消化途径。

 

  这可能反映了:1)Tesla对良品率有充分的自信;2)Gigafactory的巨大产量将使Tesla在电池市场拥有极大话语权,大到让这些现有的消化途径采用21-70构型。

 

  为什么Gigafactory要如此丧心病狂地追求大产量?为了降低电池成本,希望能将规模效应发挥到极致。

 

  Picture source: Tesla Gigafactory tour roundup and tidbits: This is the coolest factory in the world

 

  最后来个彩蛋,如何形容Gigafactory生产电池的速度?Elon Musk淡淡地说,比机枪射出子弹的速度还快。

 

  “The exit rate of cells from Gigafactory will be faster than bullets from a machine gun.

 

  对比之前某笔记本宣传其厚度比硬币的直径还薄,我觉得我们的企业还需要学习一个。



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