李梓楠

特斯拉在2020年9月展示的4680大圓柱電池樣品，容量、充電速度等性能較普通圓柱電池大幅提升。

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(zhuǎn)向可持續(xù)能源。

中國正在快速接近這個目標(biāo)。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(nèi)，與燃油車齊平，明年還會繼續(xù)下降。造車新勢力、問界等原本瞄準(zhǔn)25萬-40萬元市場的品牌也在推出更便宜的車型。乘聯(lián)會估計(jì)，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Model 3和Model Y已經(jīng)沒有剛上市時的價格優(yōu)勢。特斯拉全球唯一的新車型Cybertruck在2024年的產(chǎn)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(chǎn)。到那時，Model 3已經(jīng)賣了八年，Model Y已經(jīng)賣了五年，期間只有不改變外形的一輪改款。

使特斯拉陷入五年車型真空期的一大癥結(jié)是4680電池量產(chǎn)延期多年。

特斯拉2020年發(fā)布4680電池。在研發(fā)之初，馬斯克認(rèn)為電池制造效率太低，特斯拉可以重新發(fā)明電池制造流程，拋棄常規(guī)做法，降低50%成本。

4680電池原計(jì)劃在2021年開始量產(chǎn)，但直到今年年中才小規(guī)模量產(chǎn)。特斯拉美國得州工廠過去四個月只生產(chǎn)了1000萬顆4680電芯，只夠裝1.2萬輛Cybertruck。

據(jù)了解，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(chǎn)量要求。到明年二季度，松下會開始給特斯拉供應(yīng)4680電池，但產(chǎn)能只夠裝載約6萬輛車。

從Roadster到Model 3，再到Model Y，特斯拉在數(shù)代新車型上都運(yùn)用“第一性原理”的思考方式：即重新思考那些大多數(shù)人習(xí)以為常的慣例與陳規(guī)，追根溯源分析是否合理，再從物理學(xué)原理出發(fā)尋找新的更簡單和便宜的解決辦法，完成那些業(yè)內(nèi)專家視為不可能的目標(biāo)。4680電池是這種做法的延續(xù)。

《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(zhàn)權(quán)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(jì)劃2%的錢就造出了能飛上太空的Starship。

特斯拉和馬斯克執(zhí)掌的其他技術(shù)公司似乎總能憑第一性原理另辟蹊徑，證明傳統(tǒng)觀念是錯的，一次次取得技術(shù)領(lǐng)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(chǎn)能和定價，而它的量產(chǎn)時間和性能都沒有達(dá)到最初發(fā)布時的目標(biāo)。這是近年被不少公司奉為至寶的第一性原理的另一面：當(dāng)遇上復(fù)雜創(chuàng)新，從原理出發(fā)推導(dǎo)重來常常只是一趟艱難旅程的起點(diǎn)。

重新發(fā)明電池和電池工廠

馬斯克提出過“白癡指數(shù)”：用零件的價格除以這個零件所需原材料的成本。這個數(shù)字越大，說明這個零部件“越白癡”，要么是中間環(huán)節(jié)太多，要么是制造效率太低。

每當(dāng)遇到一個白癡指數(shù)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(shù)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(shù)”是7：當(dāng)時每千瓦時電池的鋰、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(shù)字已是索尼、松下等電池公司努力20年的結(jié)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(shù)”仍有2，當(dāng)時整車的實(shí)際白癡指數(shù)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Model 3的售價）才能保持毛利，馬斯克認(rèn)為這還不夠便宜。

同在2020年，特斯拉宣布將研發(fā)制造售價約2.5萬美元（按當(dāng)時匯率計(jì)算約為15萬元人民幣）的低價電動車，以進(jìn)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(biāo)的是一個完整的電池降本計(jì)劃。自2018年起，特斯拉成立代號“跑路者”（Roadrunner）的項(xiàng)目組，開始籌劃自研和自產(chǎn)電池。

第一性原理思考的本意是：不停質(zhì)疑你能質(zhì)疑的所有事，直到只剩下基礎(chǔ)的事實(shí)與原理。特斯拉工作法中的第一條就是“質(zhì)疑每項(xiàng)要求”。

以這個視角看電池制造，特斯拉圍繞降本目標(biāo)更改了圓柱電池的尺寸，簡化了延續(xù)幾十年的濕法生產(chǎn)再烘干的繁復(fù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了新的電池與制造流程。

特斯拉選擇大圓柱結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)，能提升單個電池中的能量物質(zhì)占比，進(jìn)而提升電池能量密度。

這一設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)速度高于方形物體。方形電池龍頭寧德時代每分鐘能生產(chǎn)25個電芯，而圓柱電池龍頭松下每分鐘能生產(chǎn)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。

大圓柱能大幅減少縫隙。一位電池公司研發(fā)負(fù)責(zé)人表示，車用圓柱電池直徑控制在45毫米-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(shí)際會帶來一系列相互矛盾的改進(jìn)。只把電池做大，極耳，即連接電池內(nèi)外部電路的導(dǎo)電部分就要承擔(dān)更多電流，更容易熱失控，增大安全隱患。

“既然極耳不聽話，那就扔掉它?！瘪R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(dāng)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黏合劑、液態(tài)溶劑混合，然后涂在薄薄的箔片上。加工完的極片要在長達(dá)100米、溫度達(dá)90度的烘箱中烘烤12個小時，在這個過程中充分蒸發(fā)有毒的溶劑和水分——整個工序極大增加制造成本。

特斯拉認(rèn)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(shè)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(jī)閃光燈等領(lǐng)域的電能儲存設(shè)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(tài)黏合劑，因此不需要烘烤，理論上制造起來更便宜、更快，對環(huán)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(chǎn)能的設(shè)備支出減少三分之一，將電極生產(chǎn)車間的占地面積和能源損耗減少90%。

目前一條方形電池產(chǎn)線的設(shè)備支出約為1.7億元人民幣，而4680電池產(chǎn)線的設(shè)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(chǎn)效率。馬斯克羨慕啤酒等飲料制造業(yè)和造紙業(yè)的連貫與超高效率：造啤酒時，生產(chǎn)線沒有任何斷點(diǎn)，啤酒瓶封上蓋后才會離開生產(chǎn)線，但電池的部分部件造完后，通常都要暫時離開生產(chǎn)線，靠小車運(yùn)到下一個車間，再回到流水線上?，F(xiàn)在最快的電池生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)速度為6公里/小時，而最快的啤酒生產(chǎn)線可達(dá)30公里/小時。

特斯拉為此大幅合并了電池制造工序，開發(fā)集合多個工藝的設(shè)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(jī)，這些任務(wù)本來需要三臺不同的設(shè)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(shè)備投資成本和70%的工廠占地面積。

當(dāng)時的特斯拉將4680電池視為大規(guī)模擴(kuò)張的基礎(chǔ)：用投資更少的電池工廠生產(chǎn)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(fā)和新一輪產(chǎn)能擴(kuò)張，形成增長飛輪，助力特斯拉在2030年實(shí)現(xiàn)一年賣2000萬輛車的宏大目標(biāo)。

完美的設(shè)計(jì)，艱難的制造

做大電池，去掉弄濕電機(jī)再烘干的“白癡部分”。這些顯而易見的改進(jìn)在過去數(shù)十年的電池工業(yè)中從未被實(shí)踐，因?yàn)槔щy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(huán)境的控制要求較低，汽車制造的主要任務(wù)是成品組裝，改進(jìn)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(guān)性更強(qiáng)，前一個工序的成品就是后一個工序的原料。改進(jìn)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(shù)，去掉烘干等步驟，就需要把烘干前的所有環(huán)節(jié)都變成“干”的。這占整個電池制造流程的50%，且對環(huán)境、精度的控制遠(yuǎn)高于其余工序。

濕法電極的核心是涂布。它的任務(wù)像抹奶油，把帶有黏結(jié)劑的糊狀電池正負(fù)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(xiàn)已能做到每分鐘涂100米。涂布速度越快、質(zhì)量控制越難。細(xì)微提升背后，靠的是數(shù)十億次嘗試中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。

干法電極同樣要在金屬箔片上附著正負(fù)極材料，但正負(fù)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(fā)了新的黏結(jié)劑。

2020年，特斯拉申請了干法電極黏結(jié)劑專利，它改進(jìn)了鋰電池原本采用的PVDF黏結(jié)劑。從微觀層面看，這種新粘結(jié)劑被滾壓后會纖維化，就像一張網(wǎng)。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(dāng)時的特斯拉并不清楚要在正負(fù)極材料里混合多少黏結(jié)劑：黏結(jié)劑比例高了，電池中帶能量的物質(zhì)就會變少，能量密度會變低，且黏結(jié)劑會阻礙鋰離子在電池中的流動，這會縮短電池循環(huán)壽命；但黏結(jié)劑比例太低，材料的附著力又不夠。

衡量黏結(jié)劑效果的一個直觀標(biāo)準(zhǔn)是電池首效（第一次充放電時電池的電量占設(shè)計(jì)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(xiàng)目的電池公司只能做到85%，但還未達(dá)到量產(chǎn)電池的水準(zhǔn)。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(huán)次數(shù)可超過1000次，但目前主流的電池的循環(huán)次數(shù)超過2500次?！彼f。

材料研發(fā)還只解決了約20%的量產(chǎn)難題，接下來還有設(shè)備研發(fā)。

干法電極設(shè)備需要用合適的力度將材料中的黏結(jié)劑滾壓成合適的纖維化狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這件事很簡單。但大規(guī)模生產(chǎn)要求設(shè)備能連續(xù)、精準(zhǔn)地處理整個任務(wù)。

輥壓要多次進(jìn)行，如果只壓一次，就沒有足夠的操作空間來調(diào)整設(shè)備參數(shù)。特斯拉公開的專利中，采用了三個滾輪，分兩次執(zhí)行輥壓動作。但一位接近設(shè)備供應(yīng)商的人士稱，特斯拉后來將輥壓設(shè)備的滾輪數(shù)量增加到了七個。

越來越多的滾輪確實(shí)提升了精度上限，但又增加了調(diào)試難度，每調(diào)整一次前面的滾輪，后續(xù)所有滾輪的參數(shù)都會變化。

在制造領(lǐng)域時常靈光乍現(xiàn)，敢于嘗試的特斯拉，也不得不陷入這樣的低效怪圈。調(diào)試設(shè)備和工藝沒有捷徑，它需要一次次嘗試。且往往牽一發(fā)動全身，改一處得調(diào)整多個環(huán)節(jié)。去掉弄濕正負(fù)極材料再烘干的“多余環(huán)節(jié)”，比馬斯克最初想象得難得多。

特斯拉的做法是自己設(shè)計(jì)設(shè)備，再找鋰電設(shè)備公司做代工生產(chǎn)，幫助克服一些設(shè)備問題。

一位曾接觸過特斯拉的設(shè)備供應(yīng)商人士稱，特斯拉會給到設(shè)備核心圖紙，并限制供應(yīng)商修改設(shè)計(jì)?！白罱K的結(jié)果是，設(shè)備工程師不懂工藝，特斯拉的人不懂設(shè)備，設(shè)備供應(yīng)商花了很長時間才造出能用的設(shè)備，但依然不符合特斯拉的要求?！彼f。

2021年，特斯拉找了多家電池設(shè)備供應(yīng)商制造設(shè)備，其中部分設(shè)備方案現(xiàn)已被舍棄。據(jù)了解，一家龍頭鋰電設(shè)備供應(yīng)商曾向特斯拉提供了整條4680產(chǎn)線設(shè)備，并派出一個近50人的工程團(tuán)隊(duì)去得州協(xié)助特斯拉優(yōu)化產(chǎn)線，該團(tuán)隊(duì)已在2022年底撤走。

生產(chǎn)設(shè)備的另一個難點(diǎn)是焊接機(jī)。

原本的電池極耳只有一小片，而4680電池采用全極耳設(shè)計(jì)，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(jī)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(bào)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(xì)枝末節(jié)上他們也把不準(zhǔn)，于是就花錢找人幫他圓夢?！币晃辉O(shè)備供應(yīng)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(huán)節(jié)遇到了良率挑戰(zhàn)。

到去年末，特斯拉的4680電池生產(chǎn)良率只有92%。依照電池行業(yè)測算，4680電池的良率要超過95%，才能壓低成本，實(shí)現(xiàn)商用。

特斯拉生產(chǎn)線的效率也遠(yuǎn)未達(dá)到行業(yè)的預(yù)期。一位設(shè)備廠商人士稱，今年初，特斯拉4680電池的生產(chǎn)效率約為85個/分鐘，此前行業(yè)認(rèn)為4680電池的效率上限是350個/分鐘。

當(dāng)特斯拉的生產(chǎn)線以更快的速度運(yùn)行時，制造過程中的品控難題還會繼續(xù)出現(xiàn)。

“即使只漏掉0.001%的灰塵和碎片，這些東西也會導(dǎo)致電池短路，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不會放大細(xì)微的可能性，但工廠會。你會一直發(fā)現(xiàn)新的失敗方式?！碧厮估姵仨?xiàng)目負(fù)責(zé)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?！皢栴}不止在生產(chǎn)，設(shè)計(jì)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。”一位特斯拉工程師說。

只有特斯拉才敢這樣造電池

據(jù)行業(yè)人士測算，如果不執(zhí)著于干法電極，4680電池也能將Model Y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(biāo)的一半，但放在動力電池行業(yè)已是了不起的成就，松下、寧德時代需要至少三年才能達(dá)成類似的降本成果。

特斯拉卻堅(jiān)持開發(fā)干法電極工藝，甚至不惜拖延Cbyertruck和下一代車的交付節(jié)奏。在馬斯克的設(shè)想里，4680電池并不只服務(wù)年銷200萬輛的特斯拉當(dāng)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(dá)到這個目標(biāo)。今年3月，特斯拉已完成車型研發(fā)，并突破了更大規(guī)模的一體壓鑄技術(shù)。4680電池成了阻礙計(jì)劃的最后一塊絆腳石。

汽車行業(yè)，只有特斯拉會這樣不惜代價超前投入技術(shù)，并將自己的商業(yè)擴(kuò)張與技術(shù)突破綁定在一起。收益與風(fēng)險(xiǎn)都被放大。

特斯拉此前的成功和當(dāng)下的遭遇，都出自第一性原理衍生的方法論：拋棄行業(yè)成規(guī)、質(zhì)疑原有要求，從最本質(zhì)的物理學(xué)出發(fā)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(zhàn)和顛覆的是某一技術(shù)階段產(chǎn)生的老做法或習(xí)慣，而現(xiàn)在已經(jīng)有新技術(shù)可以繞開曾經(jīng)的制約。馬斯克敏銳地看出過去的限制已不復(fù)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(shù)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(shù)與工程水平。

有些情況下，馬斯克的想法剛好能找到技術(shù)與工程支持：當(dāng)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(jī)的公司——力勁。

SpaceX使用的33臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)推進(jìn)方案也是前蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)70年代嘗試過卻失敗的設(shè)想?；鸺l(fā)動機(jī)在推流時會互相影響，需要實(shí)時調(diào)整發(fā)動機(jī)設(shè)置。當(dāng)時的計(jì)算機(jī)無法同時控制這么多發(fā)動機(jī)。而到SpaceX落地這一設(shè)想的2023年，計(jì)算機(jī)算力和算法已能完成復(fù)雜任務(wù)——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(diǎn)，重新思考了那些多年來被不假思索接受的習(xí)慣。在歷史悠久的汽車業(yè)和航天業(yè)，大型廠商日復(fù)一日沿既定生產(chǎn)流程追求生產(chǎn)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(dāng)特斯拉的目標(biāo)無法被當(dāng)下的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它也得付出巨大的時間與金錢投入，才能緩慢前進(jìn)一點(diǎn)點(diǎn)。

2017年量產(chǎn)Model 3時，特斯拉曾栽過跟頭：馬斯克當(dāng)時認(rèn)為可以用機(jī)械臂完全取代人工，這是制造業(yè)的必然。但他高估了整個自動化技術(shù)的水平，機(jī)械臂連簡單的梳理電線都做不好。特斯拉隨即陷入產(chǎn)能地獄，馬斯克重新把工人召回工廠才走出危機(jī)。

電池制造也是這樣一個領(lǐng)域：它涉及多學(xué)科復(fù)雜任務(wù)，工序之間環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)動全身。“用濕的正負(fù)極材料涂布、再烘干”，這是馬斯克最初認(rèn)為多此一舉的環(huán)節(jié)。但刪除這個環(huán)節(jié)，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(shí)驗(yàn)室里完成上述流程，接下來它還得解決大規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化兩個相輔相成的難題。100萬輛電動車對應(yīng)十多億顆電芯，這需要在同一套設(shè)備上重復(fù)數(shù)十億次生產(chǎn)工藝，并達(dá)到一定的良率基準(zhǔn)線，且控制好成本。

多位行業(yè)人士預(yù)測，特斯拉會在2025年大規(guī)模量產(chǎn)4680電池，但最終量產(chǎn)的版本性能將比2020年發(fā)布時的版本大幅縮水。特斯拉目前生產(chǎn)的4680電池能量密度只有265Wh/kg，比行業(yè)預(yù)測的330Wh/kg低近20%。搭載這款電池的Cybertruck的最高續(xù)航只有547公里，遠(yuǎn)低于此前800公里的目標(biāo)。

從4680電池發(fā)布至今，特斯拉用三年時間只實(shí)現(xiàn)了最初目標(biāo)的三分之一，量產(chǎn)了工藝更簡單的干法石墨負(fù)極，但接下來還有更難的干法硅負(fù)極和正極。

站在殘酷的商業(yè)競爭角度：慢，有時不可接受。特斯拉的產(chǎn)品節(jié)奏被打亂。在最應(yīng)該乘勝追擊的時刻，特斯拉的新車斷檔幾年。

而站在技術(shù)進(jìn)化的角度，特斯拉給整個行業(yè)探了路：4680電池統(tǒng)一了大圓柱動力電池的尺寸標(biāo)準(zhǔn)；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?yán)砟钔卣怪岭姵馗裟さ炔考?680電池可能正在帶動動力電池制造的一次技術(shù)革命。