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特斯拉电池日开启电池革命新时代

日期:2020-09-28    来源:OFweek 锂电网

国际充换电网

2020
09/28
16:35
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关键词: 特斯拉 宁德时代 动力电池

1. 综合技术改革实现降本增效

特斯拉于美国当地时间2020年9月22日,在加州弗里蒙特工厂召开2020年度股东大会,并举办电池日发布会,主要针对压缩成本、产能不足等限制因素,从技术改革、生产模式、自建产线等方面提出解决方案。

通过降本提效,使未来特斯拉电动汽车续航里程增加54%、度电成本减低56%、投资成本减少69%,并提出三年内推出定价仅25,000美元新车型的发展目标。

特斯拉发布全新4680电池(高80mm,直径46mm),电量提高5倍、续航提高16%、功率提高6倍、成本降低14%。电池体积和能量密度增大使得散热难度增大,为此4680采用无极耳设计,通过激光技术把极耳去掉,使电芯集流体与电芯盖板/外壳直接相连,接触面积增大从而增大电流、降低传导距离、减小电芯内阻5-20倍,解决散热问题,简化生产工序,减少发热量延长电池寿命,并提高充放电峰值功率。

2017年,特斯拉引入Jeff Dahn研究团队,2020年1月宣布自建1条电池试验线,2020年5月正式披露“无极耳”电池专利。弗里蒙特工厂生产的试验线约一年时间达到1GWh产能,正在考虑提高到2GWh。

正极材料领域主要通过无钴化+生产工艺优化达到降本增效的目的。钴盐产品中,硫酸钴和氯化钴是最为重要的中间品。其中硫酸钴下游主要应用领域为锂电原料,不仅用来制备钴酸锂电池原料四氧化三钴,也是三元前驱体的主要原料之一,钴价上涨对三元电池生产商产生非常大的成本压力?;诩际醭墒於燃俺杀究刂乒婊?,我们认为磷酸铁锂将是无钴电池的主要选项。

摆脱对钴的依赖。由于供给端嘉能可收缩产能,需求端3C+动力持续增长,硫酸钴等今年已上涨20%,并仍然处于增长通道。

CTP技术使LFP应用更广泛。CTP技术通过取消模组,减少结构件和重量,能量密度提升10-15%,成本降低可达10%,采用LFP的CTP电池能量密度可达160Wh/kg,续航超过400km,能够满足低配版本需要。

宁德时代LFP技术储备丰厚。2019年宁德时代总装机32GWh,其中三元21GWh,磷酸铁锂11GWh,均为国内第一。LFP主要之前用于客车,经过长期验证,将其复用至乘用车具备条件。

特斯拉在电池日发布其正极材料技术路线的产品排布矩阵:

基础款量产车型(Model 3/Y标准续航版):使用磷酸铁锂,优先考虑使用寿命(充放电次数)

中高端车型(Model S/X,Model 3/Y高性能版,Powerwall):继续使用三元,以保证长续航

能量密集车型(Semi/Cybertruck):高镍三元,钴含量0,性能优先。

正极材料的生产加工环节占其成本构成的35%,通过正极生产环节工艺优化,不再用硫酸盐和前驱体,直接用电解冶炼金属做正极,可使得投资额下降66%,生产成本下降76%。

干电极技术可大幅提高电池能量密度,并有效降低生产成本。特斯拉于2019年2月5日宣布以 2.18 亿美元溢价 55% 收购Maxwell,并于当年5月完成了交易,以获得干电极和超级电容两项核心技术。

干电极技术原理是生产时先对电极进行湿法处理,利用干电极技术,将粉末状的材料压成膜,Maxwell于2004年完成了干电极制造专利的申请,并且已经成功应用于NCM、NCA、LFP等正极材料,目前已经能够实现以下目标:

生产环节上 10 倍的空间利用率和 1/10 的能源消耗

单体能量密度从300Wh/kg提升至500Wh/kg

无溶剂技术将延长电池寿命到2倍,同时对于环境更为友好,可支持下一代无钴、固态电池技术。

减少溶剂搅拌、烘干设备使得成本下降10~20%。

通过负极材料体系更新换代,用硅基代替碳基,提高电池能量密度。硅能量密度远高于石墨,石墨负极能量密度372mAh/g,硅材料理论可达4200mAh/g,可存储锂含量为石墨负极的9倍,同时硅基原材料易获得,成本低。但由于存在热膨胀性差的致命缺陷,膨胀可达自身体积4倍,应用范围有限。

特斯拉对重新进行硅负极设计,给硅元素裹上弹性覆膜材料,不需要用CVD,通过涂层材料方式,聚合物粘结剂解决硅膨胀问题,负极成本降到1.2美元/kWh,并提升20%续航。

特斯拉发布集成式底盘方案,使电池直接成为车架的一部分,进一步去模组化,电池结构更加紧凑,提升车体强度。去模组化一直是特斯拉降低PACK成本、提高电池安全性的重要途径之一。PACK环节在电池成本构成中占比30%左右,通过改变电芯集成形式、减少模组数量,从而减少电芯外零部件的使用、降低装配成本以及简化生产流程。

充分发挥自建电池一体化优势,减少中间环节和零部件数量,降低成本。底盘分为前、中、后三大块,电池只是中间那块,车头和车尾是由合金铸造而成的两个巨大单体结构,特斯拉自主研发满足铸造要求的合金材料,实现集成式底盘。通过一体化生产,可实现电池加工度电节省成本49%、零部件减少79个,底盘零部件减少370件、整车减重10%、续航提升14%的优化目标,下一代电动车续航可达1,000km。

2 .长期布局自建电池产线

特斯拉自2012年量产Model S,尤其是2016年之后Model 3面市以来,电池及整车厂产能一直是制约其发展的重要因素。从2013年起特斯拉便开始与Panasonic合作在美国内达华州建设电池工厂,但由于产线建设速度低于预期,整车环节依然面临供不应求的问题。尤其是2016年之后,Model 3在北美推出并开启预售,需求全面向好。但供给方面的实际情况是,尽管北美地区次年便按规划实现了交付,但是亚洲和欧洲的实际交付时间,因受产能限制推迟了半年之久。产出不及预期,盈利水平下滑,导致市值大幅缩水。

整车厂方面,未来一年半时间内启动三家新工厂,乘用车重心将放在Model 3和Model Y的市场拓展上,目前全球各车型年产能达69万辆,以及年底将近80万辆。弗里特蒙工厂、上海工厂,以及正在建设规划的柏林、德克萨斯工厂均覆盖Model 3/Y产线。其中弗里蒙特工厂Model 3/Y年产能40万辆,预计年底达50万辆,上海工厂Model 3年产20万辆,Model Y将于2021年首批交付。Model 3/Y目前全球总年产能60万辆。

其余车型目前仅在美国本土工厂有所规划。全球Model S和Model X订单将集中于美国弗里蒙特工厂生产,同时Roadster亦或最终落地于弗里蒙特工厂。美国新工厂选址于德克萨斯州奥斯汀,工厂主要生产新车型Cybertruck电动皮卡、Semi电动卡车,以及面向北美东部市场的Model 3和Model Y,这是特斯拉首次确认Semi电动卡车的生产地点,并计划于2021年实现量产。

特斯拉上海工厂达产,对国内动力电池市场结构产生冲击。2020H1圆柱电池装机量3.2GWh,同比增长12.8%,市占率达18.5%,提升9 pct。特斯拉上半年在国内完成销量4.64万辆,市占率11.8%,仅次于比亚迪6.08万辆居于第二。

电池厂产能方面,特斯拉2022年后自建电池开始批量生产,目前仍需向现有供应商松下、LG、宁德扩大采购。特斯拉在电池日上提出2022年100GWh、2030年3TWh的产能建设目标,以2022年单车带电量60kWh计算,约合160万辆电动汽车,以2030年电动车和储能各50%产能、单车带电量80kWh计算,则约1800万辆车。

LG Chem和宁德时代成为特斯拉供货商之前的近十年间,Panasonic是特斯拉唯一供货商,且Panasonic锂电池产能绝大多数集中在与特斯拉合建的超级工厂中。然而由于长年以来特斯拉盈利水平低于预期,Panasonic对产能扩张的态度并不积极,在一定程度上限制了特斯拉的出货水平。两者对于产能扩张的分歧态度成为特斯拉积极寻求新的锂电池供应商的原因之一。

LG Chem进入特斯拉电池供应链后采取积极的产能扩张规划,2020年8月松下在内达华超级工厂增建一条新电芯生产线,预计2020年产能将提升至78GWh,并计划于2023年建成总产能共计110GWh。

我国电动车市场空间广阔,为满足多方需求并抢占市场空间,宁德时代同样在进行大规模扩产,预计2020年底,总产能将达到91GW,并规划于2022年建成157GW的产能规模。

2022年前动力电池仍采用外供为主的方式,正极技术路线以三元+磷酸铁锂为主,其中磷酸铁锂应用于国产版标准续航版Model 3&Y,由宁德时代供货;三元以NCA+2170为当前产能投放的绝对主力,主要由松下、LG供货。

2022年后电池则以自供为主,4860圆柱+干电极的技术路线逐渐成为主力,逐步实现无钴化,最大化发挥圆柱电池优势,实现降本。无极耳4860大电芯试验线预计一年达到1GWh产能,电量提高5倍、续航提高16%、功率提高6倍、成本降低14%。

2022年前依然需要松下、LG、宁德时代的供货,短期对电池生产企业业绩冲击不大,长期会促使动力电池企业加大研发投入和材料体系、工艺提升速度,并对其他新能源车企产生模仿效应,更多新能源车企加大在电池布局。同时对传统车企而言,特斯拉2.5万美元的电动车将对中端燃油车产生巨大冲击,未来三年是传统车企电动化转型的最后黄金时机。

特斯拉对电池技术的革命,将大幅降低储能成本,提升行业天花板,利好电动车长期竞争力提升,加速“光+储”替代传统能源的速度。


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