費文緒/編譯

特斯拉超級電池工廠的成敗攸關(guān)之年

費文緒/編譯

● 終于，特斯拉的鋰離子電池將要從超級電池工廠下線了，但它會給特斯拉帶來豐厚收益嗎？

3年前，特斯拉汽車公司宣布了建設(shè)超級電池工廠（Gigafactory）的計劃，這個鋰離子電池工廠橫亙在美國內(nèi)華達(dá)州斯帕克斯市外炎熱的丘陵上。此前，從未有人提過與此類似的建議。特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）宣稱，該超級電池工廠將成為世界上最大的建筑物，占地面積相當(dāng)于107個美式足球場，每年生產(chǎn)的鋰電池產(chǎn)能至少是35千兆瓦時，超過2013年全球鋰電池產(chǎn)能的總和。

“這個超級電池工廠必須很大，因為這個世界很大?！瘪R斯克在2015年7月表示。超級電池工廠將使電池比以前更便宜，電池價格的下降反過來刺激電動汽車銷量的上漲，這將極大降低各地的石油消耗量。

超級電池工廠允諾推動鋰電池迅速達(dá)到前所未有的規(guī)模，這成為清潔能源產(chǎn)業(yè)變大變強(qiáng)的象征。建設(shè)超級電池工廠的設(shè)想同時也轉(zhuǎn)變了汽車制造業(yè)和儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑。相互競爭的汽車制造商在電動汽車研發(fā)方面的投入加倍，儲能企業(yè)則增加電池產(chǎn)量并降低電池價格。根據(jù)能源市場研究公司Navigant Research的分析，特斯拉的推動是2017年電動汽車電池銷量預(yù)計增長60%背后的主導(dǎo)因素。超級電池工廠沒有生產(chǎn)一塊單獨的電動汽車電池就做到了這一切，不過這種情況即將發(fā)生變化。在接下來幾個月的時間里，完全內(nèi)部生產(chǎn)的首個電池包將在流水線上完成裝配。到年中，超級電池工廠將需要每秒為特斯拉Model 3汽車生產(chǎn)75塊鋰離子電池，Model 3是特斯拉備受期待的一款大眾電動汽車。超級電池工廠還需增加“電力墻”（Powerwall）和“電源組”（Powerpack）的產(chǎn)量，這是特斯拉為住宅、商業(yè)和實用程序開發(fā)的儲能系統(tǒng)。為了持續(xù)滿足訂單需求，超級電池工廠必須在2017年內(nèi)達(dá)到35千兆瓦時的年產(chǎn)能。簡而言之，超級電池工廠必須在2017年從人們崇拜的偶像變成高效的大規(guī)模生產(chǎn)商。

超級電池工廠仍然還是一個進(jìn)展中的工程。固定存儲單元已經(jīng)在那里組裝，但用的是進(jìn)口的電池單元。據(jù)特斯拉稱，到 2016年底超級電池工廠開始批量生產(chǎn)。但是，特斯拉在超級電池工廠項目上的合作伙伴日本松下公司告訴IEEE Spectrum雜志說，其實他們能保證的開始批量生產(chǎn)的最早時間是2017年4月。

“特斯拉還要證明很多東西，”馬克·穆羅（Mark Muro）說，他是位于華盛頓的智庫布魯金斯學(xué)會里研究制造業(yè)的高級研究員，“他們在一個很短的時間架構(gòu)下嘗試新穎的流程，并聲稱能夠重塑制造業(yè)和其他一切。他們投入了很多東西在這上面，這是一場豪賭。”

2017年年中，特斯拉汽車公司的超級電池工廠將開始為特斯拉Model 3汽車每秒生產(chǎn)75塊鋰離子電池，Model 3是特斯拉備受期待的一款大眾電動汽車

對特斯拉而言，投資電池制造業(yè)是必要的行為。當(dāng)其他汽車制造商依賴專門為電動汽車設(shè)計的袋狀鋰離子電池時，特斯拉使用和筆記本電腦電池相同的18650型圓柱形鋰離子電池來充當(dāng)其首批電動汽車的電源。這些電池是向松下公司購買的。如果特斯拉只生產(chǎn)高端電動汽車，比如Model X和Model S車型，那么這個方法是可行的。若要盈利，特斯拉需要開拓售價3.5萬美元的Model 3車型的大眾市場，而且每年需至少生產(chǎn)50萬輛。Navigant Research公司駐底特律的高級研究分析師薩姆·阿布爾薩米德（Sam Abuelsamid）說，電池供應(yīng)商不可能保證這個規(guī)模的電池供應(yīng)，除非特斯拉自己也參與其中。

特斯拉和松下合作建設(shè)的超級電池工廠正是做這個事情。鋰電池巨頭松下公司帶來了專家、供應(yīng)鏈和資本，在50億美元的項目總投資中貢獻(xiàn)了16億美元。據(jù)報道，內(nèi)華達(dá)州政府為特斯拉提供了價值13億美元的獎勵措施。其余投資來自特斯拉。

超級電池工廠體現(xiàn)了垂直整合的愿景，原材料從一端進(jìn)入，完成的產(chǎn)品從另一端出去。一切工序都從電池自動生產(chǎn)流水線上開始，這條流水線屬于松下公司并由其操縱。在那里，活性粉末與一種液體混合形成漿料，然后涂覆在金屬箔上形成陰極和陽極。金屬箔和多孔隔膜一起卷成圓柱狀，并裝滿用鋰離子導(dǎo)電的電解液，然后加上電池蓋帽就成為了一塊電池，看起來就像大號的AA電池。

在特斯拉的超級電池工廠，成百上千的電池與電子元件和冷卻系統(tǒng)一起封裝，成為一個完整的電池組件。Model 3的電池包將被運往加州弗里蒙特的汽車工廠，而Powerpack和Powerwall則直接投放市場。

在特斯拉讓其超級電池工廠運轉(zhuǎn)起來的3年間，特斯拉的競爭者們也沒有停滯不前。阿布爾薩米德說，超級電池工廠讓經(jīng)濟(jì)實惠的Model 3看起來快要成為現(xiàn)實了，這迫使汽車制造商大鱷們拿他們自己的大眾市場電動汽車與目標(biāo)續(xù)航里程346公里的Model 3較量。一些與之競爭的電動汽車已經(jīng)或者很快將擺放在展廳，其中領(lǐng)頭的是通用汽車公司續(xù)航里程383公里的雪佛蘭博爾特電動車，起價37 495美元?，F(xiàn)代和福特也有望在2017年，尼桑和大眾有望在2018年，推出續(xù)航里程長的大眾市場電動汽車。

不斷升級的電動汽車?yán)顺狈催^來促使電池研發(fā)和制造業(yè)的提升，不僅日本的松下如此，韓國的LG化學(xué)和三星集團(tuán)、中國的比亞迪也是如此。與此同時，價格戰(zhàn)則導(dǎo)致電池價格大幅下跌。波士頓一家關(guān)注可再生能源行業(yè)的市場研究機(jī)構(gòu)GTM Research的儲能總監(jiān)拉維·曼加尼 （Ravi Manghani）指出，自從2014年以來，一些固定存儲系統(tǒng)的成形電池包價格就從每千瓦時400美元下降到200美元以下。類似的價格下跌也沖擊了汽車市場，通用汽車公司表示，他們以每千瓦時145美元的價格向LG公司購買了2017年的博爾特電動車電池包的電池。

據(jù)特斯拉說，超級電池工廠的地面將比類似的設(shè)施對空間的浪費更少，電池的產(chǎn)能增至3倍。這張照片攝于2016年7月，當(dāng)時超級電池工廠正式開工，但沒有開始全規(guī)模生產(chǎn)

超級電池工廠帶來的最大影響可能還是對它自己。2016年4月，在特斯拉揭開Model 3設(shè)計的神秘面紗后，將近40萬份預(yù)訂單就蜂擁而來。一個月后，馬斯克鄭重宣告，特斯拉會在2017年至少完成其中10萬份訂單，從7月開始生產(chǎn)，然后在2018年生產(chǎn)出50萬輛電動汽車。因此，工廠要在2017年達(dá)到35千兆瓦時的電池產(chǎn)能，比原定計劃提前了兩年。

進(jìn)展如此迅速的理由很充分：特斯拉將很快失去聯(lián)邦補(bǔ)貼。在一家制造商賣出第20萬輛電動汽車之后的18個月內(nèi)，每購買一輛電動汽車所享受的7 500美元的美國聯(lián)邦所得稅抵免將逐漸降為零。特斯拉將先于其競爭對手在2017年達(dá)到這個臨界值。而且不像其他汽車制造商可以拿傳統(tǒng)汽車和卡車的利潤補(bǔ)貼其電動汽車，特斯拉專售電動汽車。

電池仍然是電動汽車最昂貴的部件。特斯拉一開始就宣稱，在Model 3投產(chǎn)的第一年內(nèi)，超級電池工廠將使每千瓦時的電池包成本下降超過30%。但是超級電池工廠是否能提供電池成本上的競爭優(yōu)勢，還是一個未決問題。Navigant Research估計，通用汽車公司的博爾特電動車每60千瓦時的電池成本為16 200～16 800美元。阿布爾薩米德推斷，Model 3每55千瓦時的電池成本會在13 000～16 500美元之間。

馬斯克吹捧了超級電池工廠的規(guī)模效益。但是，專家們對于大規(guī)模生產(chǎn)電池的好處并不那么樂觀?？突仿〈髮W(xué)關(guān)于電動汽車電池生產(chǎn)的新研究考慮了影響鋰電池生產(chǎn)的一系列因素，包括安裝和操作機(jī)器的成本、勞動力、生產(chǎn)周期和意料外的停工時間。研究者們對袋狀鋰電池和受到特斯拉青睞的圓柱形電池進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)其規(guī)模效益趨近于1千兆瓦時，而松下和其他電池生產(chǎn)商早已達(dá)到了這種體量的規(guī)模效益。博士生麗貝卡·謝茲（Rebecca Ciez）指出：要達(dá)到超過1千兆瓦時電池容量的規(guī)模效益，你只需建立多個并行生產(chǎn)程序就行。使用更大型的生產(chǎn)機(jī)器并不能節(jié)省成本。她跟隨卡耐基梅隆大學(xué)的工程學(xué)教授、儲能電池設(shè)計和制造商阿奎昂能源公司的創(chuàng)始人杰伊·惠特克（Jay Whitacre）一起領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。

俄亥俄州立大學(xué)汽車研究中心主任喬治·里佐尼（Giorgio Rizzoni）也認(rèn)為規(guī)模效益是有限的，并且說卡耐基梅隆大學(xué) “對于這個規(guī)模效益的上限，建立了一個可信的分析模型?！崩镒裟嶂赋觯瑒?chuàng)新的生產(chǎn)方法、廢棄物減少、電池和組件組裝的垂直整合都可以降低超級電池工廠的成本。

但是準(zhǔn)確地說，大幅度的成本降低來自哪里呢？比如，松下就說其超級電池工廠的機(jī)器與其他鋰離子電池生產(chǎn)所用的機(jī)器并無區(qū)別。馬斯克和特斯拉首席技術(shù)官施特勞貝爾（J.B.Straubel）盛贊了沒有浪費空間的工廠布局。施特勞貝爾說：“工廠每層上的所有東西基本上幾乎都是互相緊挨著的?！彼麄冋f，結(jié)果是超級電池工廠的產(chǎn)能增至3倍。

但是，每平方英尺更大的產(chǎn)量可能對電池成本的下降并無太大裨益。在卡耐基梅隆大學(xué)的分析模型中，工廠因素只占到了電池成本的大約3%。一些專家告訴IEEE Spectrum雜志，更緊湊的空間布局會導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備更難維修和更換，實際上對產(chǎn)品的產(chǎn)量和生產(chǎn)線利用反而有害。

而超級電池工廠的垂直整合有可能遺漏了所有因素中最大的成本下降因素：電極材料的生產(chǎn)?？突仿〈髮W(xué)的謝茲指出，鎳鈷鋁氧化物和鎳錳鈷粉末的供應(yīng)商命令大幅提高售價。特斯拉拒絕對超級電池工廠是否將生產(chǎn)這些粉末作出評論。

埃隆·馬斯克欲在全球布局超級電池工廠，2017年是成敗攸關(guān)的一年

布魯金斯學(xué)會的穆羅說，超級電池工廠的勞動力可能也是一個挑戰(zhàn)。特斯拉已經(jīng)承諾在本州雇用超級電池工廠預(yù)計 6 000名員工中的一半。穆羅說這一點很難做到，他與人合著的在2014年發(fā)表在《內(nèi)華達(dá)經(jīng)濟(jì)報》的一份報告認(rèn)定，內(nèi)華達(dá)州的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育中存在著“熟練度危機(jī)”。

看上去確實有可能降低成本的一個舉措與超級電池工廠沒多大關(guān)系，反而與松下電池的設(shè)計有更大的關(guān)系。他們將常用的18650型鋰電池（型號18650指直徑為18毫米、長度為65毫米的圓柱形電池）加長了3毫米，直徑加寬了5毫米?？突仿〈髮W(xué)估計，大一些的設(shè)計版式以及粘稠的電極材質(zhì)能使電池的成本下降大約25%。但是卡耐基梅隆大學(xué)的研究還表明，通過對袋狀電池進(jìn)行類似的處理，電池的成本還可能下降更大。通用汽車公司就已發(fā)話說：其博爾特電動車的電池成本到2020年有望降至每千瓦時100美元。

與此同時，Model 3是否將在2017年中準(zhǔn)備好上市還不確定，錯過預(yù)定日期堪稱特斯拉的傳統(tǒng)。2015年8月《華爾街日報》的一篇分析文章發(fā)現(xiàn)，過去5年中，特斯拉沒能完成的馬斯克親自制定的計劃有20項，而且其他目標(biāo)“幾乎平均每年”有10個沒能達(dá)成。Navigant的阿布爾薩米德預(yù)測，Model 3將比計劃的上市時間推遲1年。

Model 3若不能如期上市，可能導(dǎo)致特斯拉囤積大量的電池。盡管松下與特斯拉合作協(xié)議的細(xì)節(jié)是保密的，但是特斯拉最新一個季度的報告承認(rèn)，特斯拉承諾購買超級電池工廠生產(chǎn)的17億美元的電池，抵消了松下在超級電池工廠投資的16億美元。

這些電池一部分將用到Powerwall和 Powerpack上。效用尺度的Powerpack已經(jīng)在不斷擴(kuò)大的市場中贏得了大量訂單。南加州愛迪生電力公司的一所變電站正在安裝的1個80兆瓦時的Powerpack系統(tǒng)，是目前世界上最大的鋰離子電池儲能項目。特斯拉最近推出的太陽能屋頂將提升家用尺寸的Powerwall的銷量。但是鋰儲能對大多數(shù)房主而言還是太過昂貴。GTM Research的曼加尼指出：“要得到住宅區(qū)一定程度的采用，成本就必須降到目前的一半甚至1/4?！?/p>

在所有這些不確定因素中，有一點是確定的：可能真會出現(xiàn)不好的結(jié)果。馬斯克和他的各個合資企業(yè)已經(jīng)捉襟見肘，尤其是處理Model X的缺陷問題，這一問題導(dǎo)致特斯拉在《消費者報告》最新的可靠性排名中墊底；拯救最近收購的債務(wù)纏身的太陽能安裝公司SolarCity；還要為因2016年9月發(fā)射平臺爆炸而陷困的美國太空探索技術(shù)公司SpaceX解決糾紛。以上這些努力只要走錯任何一步，都會受到痛苦的懲罰。

馬斯克自己已經(jīng)感受到了壓力。2016年10月，馬斯克在與行業(yè)分析師們的一次盈收電話會議中說，2015年去特斯拉的弗里蒙特工廠露營以及修理阻礙電動汽車生產(chǎn)率的“破碎”要素很可能讓我折壽一年甚至更多。在2015年7月的一篇博客中，也就是超級電池工廠開工典禮前夕，他承認(rèn)自己正在做的事情很瘋狂。想到美國業(yè)已失敗的一長串汽車制造商的名單，馬斯克在博客中寫道，“創(chuàng)辦一家汽車公司是白癡，創(chuàng)辦一家電動汽車公司則是白癡的平方。 ”

[資料來源：IEEE Spectrum][責(zé)任編輯：朝 云]

本文作者彼得·費爾利 （Peter Fairley），IEEE Spectrum雜志特約編輯，20年來一直致力于跟蹤報道能源技術(shù)及其對全球環(huán)境的影響，描繪了把可再生能源和電動汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁鞲偁幷叩墓こ毯驼邉?chuàng)新。