马斯克：下一步我干啥，你猜
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作者 | 孙鸣远
题图 | ThirdRowTesla
出品 | 虎嗅汽车组
2月19日，路透社和几家外媒发布了一条关于特斯拉与宁德时代合作的新消息，让业内人士和特斯拉粉丝们争论不休。多家媒体据所谓“内部人员消息”得知，特斯拉将采用宁德时代“无钴”锂离子电池（下文统一用“锂电池”代替），但没有进一步的任何细节消息。
之后特斯拉对此并未作任何回应，而宁德时代对此的回应是：“一切以公告为准。”
依据“无钴”锂离子电池的线索，人们联想到了宁德时代量产的LFP锂电池（LiFePO4，磷酸铁锂电池），又因为LFP锂电池较低的能量密度，继而想到了去年9月宁德时代在2019德国法兰克福车展上展出的CTP（Cell to Pack，电芯直接整合进电池包）技术，并以此猜测特斯拉将会采用宁德时代的LFP锂电池以及CTP技术，甚至是宁德时代超级快充（8%~80%仅用15分钟）等技术。
一时间，关于LFP电池和CTP技术的各种猜测不绝于耳，但抛去无聊的争论之外，其实最核心的问题就一个：“特斯拉真的会采用LFP电池么，如果采用LFP电池是否导致特斯拉续航退步？”
要解释清楚这个问题，得从电动车续航开始讲起。
续航之王
特斯拉之所以能在电动汽车领域站稳脚步，除了自动驾驶、操纵性等一些优点之外，最关键的就是其续航一直领先于其他对手。早在2012年特斯拉发布的初代Model S，其续航甚至比现在几家豪华车企的电动车还要优秀，不仅如此，特斯拉随后在更新换代以及不断升级后，Model S的续航更加夸张。
马斯克近期在推特发布了一条信息称：“特斯拉Model S的EPA续航已经升级至390英里（630公里），近几个月生产的特斯拉Model S/X续航都已经超过了EPA测试的标称续航，同时将会通过OTA升级给现有用户升级，提高续航。”
官网Model 3续航数据已经从此前的373英里（600公里）改为了390英里（630公里），Model X续航数据从此前的328英里（528公里）改为了351英里（565公里）。且根据马斯克所说，该数据依然是保守估计，如果更换轮胎续航能超过400英里（644公里）。
（注意马斯克的第二条回复：最近几个月非常多的硬件改进，划重点，下文要用）
此处不多解释为什么不同测试工况下的续航不同，只需要记住续航最接近真实情况的是EPA工况，其次是WLTP工况（目前国内采用的国标综合工况法就是这种），最后是NEDC工况。根据大量数据的对比，可以大致算出国标工况续航/EPA续航约等于1.14，也就是说在中国标称的续航数，除以1.14后基本就是美国市场EPA续航数值。拿两边市场相同硬件的Model 3长续航版本举例，国内标注的续航为590公里，美国标注的续航为322英里（518公里），比值为1.138，而早期国内采用的NEDC则要除以1.43才约等于EPA续航。
回到主题，特斯拉能够称霸电动车续航多年，并非只是电池技术的优秀所能达到的，是电机、BMS（Battery Management System，电池管理系统）、温度管理系统、风阻系数等多方面技术综合的结果。举个简单的例子，市面上拥有比特斯拉电池包更大容量的电动车，其续航却不如特斯拉的比比皆是。
那么既然续航如此之好，为何要换电池呢？
三元锂电池的优劣
市面上由于特斯拉的影响以及电动车发展的必要，对电池的能量密度要求越来越高，原因很简单，能量密度决定着在有限空间和重量范围内，能够加装多大的电池，从而影响续航能力。而三元锂电池（镍盐、钴盐、锰盐、三种复合正极材料被称之为三元）由于其优秀的能量密度，所以认定为是最合适的方案。
NCA也好，NCM也好，根据其不同材料的占比，被称之为811、622等多个名称。下文皆以行业普遍采用的811结构为标准。
基于三元锂电池的工作原理（电池知识参考笔者另一篇文章：200电池进化史），要实现较好的能量密度，钴元素不可缺少，钴能够为化学结构带来热稳定性（安全性）和高能量密度，而镍元素比例的提高也可以提高能量密度。但由于钴的价格非常昂贵，所以电池产业逐渐增加镍的比例，同时配合其他元素去稳定化学结构，以保证安全性，比如锰和铝，这也是为什么行业中主流方案皆是NCM（镍钴锰酸）和NCA（镍钴铝酸）三元锂电池。
但问题来了，首先是三元锂电池中，镍、钴、锰元素皆为有毒元素，所以发生意外时，其元素的释放可能导致安全问题；其次，镍元素在地壳含量排名24位，锰在地壳含量排名12位，虽然钴也不算稀有，排在31位，但其资源绝大多数储存在刚果，由于政治动乱、童工使用、暴动等各种原因，加上产业寡头的控制，钴的开采不仅存在“血钻”的影响，价格还在连年攀升，2018年时，每磅镍为4美元，每磅锰为0.93美元，而钴则是40美元每磅，且数字还在上升。
并且不仅钴的开采和价格有问题，镍的开采同样存在危机。虽然全球镍资源储量丰富，但由于镍矿资源以硫化镍矿和红土镍矿为主，而硫化镍经过长期开采面临枯竭，导致红土镍矿需求增高。然而红土镍矿的主要产地印尼在2019年10月曾发布禁令，禁止红土镍矿对外出口，从而导致镍的价格也进而上涨。
由于上述多种原因，其实行业内多家企业都在寻求答案，即便暂时找不到替代品，也想方设法减少钴的使用。例如特斯拉历代采用的锂离子电池，其实一直在减少钴的使用。
根据2018年马斯克在推特的消息，特斯拉所采用的电池，其钴的使用已经低至3%，并且称下一代电池产品将会杜绝钴的使用。
此外，特斯拉在去年收购超级电容&固态电池公司Maxwell、爆出100万英里寿命的电池配方专利，和前一阵收购初创电池公司SilLion、特斯拉在弗里蒙特建造电池生产线，都在显示特斯拉一直在寻求新电池技术。
(专利中100万英里寿命的新电池配方名字)
那么LFP电池的争议点在哪呢？
特斯拉目前采用的是松下提供的NCA（镍钴铝酸）三元锂电池，其单电芯能量密度目前在250Wh/kg左右，而LFP单电芯能量密度最高仅有190Wh/kg，所以根据“数值大”获胜原则，推导出如果特斯拉采用LFP锂电池则会导致续航下降。
但实际情况并非如此，仅计算单电芯能量密度是不够的，电动车所搭载的“能量来源”是电池包，而非单个电芯，电芯需要加入安全系统、温度管理系统、BMS等诸多硬件之后，整合为电池包，才能被电动车所使用。
虽然特斯拉所采用的NCA锂电池的确由于配方和技术优势，达到了较高的能量密度，但是由于要保证温控及安全性，特斯拉整个电池包的能量密度差不多在170Wh/kg左右。而宁德时代目前已经搭载于量产车的LFP锂电池虽然单体能量密度仅有175Wh/kg左右，但采用了CTP技术其系统的能量密度已经能够做到160Wh/kg。
(资料来源：CIAPS，GGII，松下财报，特斯拉财报，中金公司研究部)
此外更重要的是，从Model S到Model 3的电池包变化就能看出，特斯拉也在采用类CTP技术。需要说明的是，几乎所有电动车所采用的电池包，无论是圆柱形电池，还是方型电池和软包电池，全部都是由单个单芯（Cell）组成电池模组（Module），再整合入电池包（Pack），这种方式具有维修时可以单独换某一个模组、便于工厂生产等优点，但缺点也很明显，由于模组的存在，所以会导致更多的结构增加重量和占用体积，由此导致整个系统的能量密度下降。所以特斯拉在后来设计Model 3时，就简化了模组的存在，由原来Model S的15个模组（另一个版本16个模组），简化为了Model 3仅有的4个模组，由此大大提高了整套系统的能量密度。
（Model S电池包）
（Model 3电池包）
马斯克在今年1月参加Third Row Tesla的播客节目时，曾提到设计Model S时考虑了维修便捷以及更换电池包等因素，所以将电池包设计为多模组，而现在Model 3不能便捷更换电池包，加之整个电池和电池系统技术逐渐成熟，未来将会考虑CTP技术，将电芯直接装入电池包进行统一管理，从而进一步提升系统能量密度。
（特斯拉在2013年展示的Model S换电技术，后来并没有推向市场，但在展示阶段，换一次电池总共花费1分35秒）
这种趋势是全行业的，比如宁德时代在2019法兰克福车展展出的CTP技术，比亚迪在去年年末展出的“刀片”电池技术，全部都是从电池包角度入手，在电池技术本身没有突破性进展时，通过结构设计入手，在保证安全、性能的同时，通过提高电池包中电芯的占用率，从而提高整套系统的能量密度。
（宁德时代CTP技术）
（比亚迪“刀片电池”CTP技术）
根据宁德时代的说法，采用CTP技术后，其电池包的零部件数将减40%，系统能量密度未来将会提升到200Wh/kg左右，按照特斯拉目前Model 3的75kW·h（实际容量在80kW·h左右）电池包，同样重量（477.3kg），如果搭载宁德时代CTP电池包后，其总能量将提升至95kW·h左右（实际容量）。
此外LFP锂电池中，不仅几种元素都非常丰富，且相比于三元锂电池，毒性低很多。最重要的是LFP锂电池价格相对较低，因为近几年三元锂电池的需求暴增，和沃特玛的暴雷，导致库存量激增，从而使得LFP锂电池的价格陡降。
根据GGII数据，三元与铁锂PACK的不含税价格为0.83、0.75元/Wh，而到2020年，根据CIAPS数据，三元与铁锂PACK的不含税价格已下降至0.77、0.64元/Wh，而三元与铁锂电芯的价格已下降至0.64、0.51元/Wh。铁锂当前单位价格低于三元15%以上。根据中金公司研究部对宁德时代成本的测算，材料价格导致的正极成本下降与更简单的热管理、BMS导致的电池包环节成本的下降使得宁德时代当前三元成本较铁锂低20%以上。
不仅如此，LFP锂电池还有一个重大优势，那就是LFP锂电池安全性和寿命要高于三元锂电池。
三元锂电池中，之所以特斯拉采用NCA锂电池，是因为虽然相较于NCM锂电池来说，安全性稍差一些，但其优点也很明显，能量密度高、寿命长、充放电性能好（动力、快充等方面）；而LFP虽然能量密度不如三元锂电池，但寿命较长，一般的三元锂电池充放电寿命在1500~2000次之间，而LFP锂电池则能做到4000次左右的循环寿命；另外电池安全中最关键的热失控问题，在三元锂电池中一般为200~300度，而LFP锂电池则为350~500度。
毫无缺点的LFP锂电池？
如果对锂电池稍作了解，或者看过笔者那篇2019年诺贝尔化学奖文章（200年电池进化史）的，就会发现对锂电池做出巨大贡献的约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough），不仅极大推动了锂化合物在锂电池中的发展，他还在锂电池方面做出了更多的贡献。
1997年，一方面由于钴酸锂结构在长时间使用后会发生“崩塌”，造成性能下降，另一方面钴矿石非常昂贵，导致其成本太高。75岁的古迪纳夫又发明出了LFP锂电池，震惊了世界，而当古迪纳夫90岁之时，他又做出了另一个决定，研究全固态电池技术……
或许从上文分析中你会觉得LFP电池好像除了单体电芯能量密度稍低之外，似乎一切都很完美，那么从1997年就研发成功的LFP电池，为何迟迟没能被电动车采用呢？
LFP电池并非没有被采用，而是因为其安全性和寿命长，被广泛用于公共交通序列的电动车，但也因为其能量密度差的原因，迟迟不被家用车所青睐，只能用于固定线路的大巴等车辆。
上文说系统能量密度似乎已经不弱了，但是未考虑振实密度问题，也就是单位体积下的能量数，特斯拉Model 3所采用21700三元锂电池（NCA）其单体单芯振实密度能达到773Wh/L，即便是一般的三元锂电池单体单芯也能做到500Wh/L左右，而LFP锂电池单体单芯则平均在210Wh/L左右。
(一般情况下，LFP、NMC、NCA锂电池能量密度、振实密度和标称电压)
从而导致的问题是，在有限的电动车空间中，如果采用LFP锂电池，要么牺牲空间，要么牺牲总能量，由此也不难发现，市面上采用LFP锂电池的车辆几乎无一例外车内空间十分局促。此外，LFP锂电池还存在几个问题。首先是在制备过程中，氧化铁在高温环境下肯能被还原成单质铁，从而可能导致电池的微短路，导致危险产生；其次是制造成本相对较高，虽然其材料成本并不高，但由于生产工艺问题，LFP锂电池成品率较低，导致产品一致性差。
此外最重要的，根据笔者近期体验的Model 3长续航版本以及数据来看，特斯拉所采用NCA锂电池受温度影响不严重，0度左右“损耗”大约在10%左右，-10度左右在15%左右；而LFP锂电池则在低温下表现非常差，0度左右“损耗”就高达30%~40%左右。
那么特斯拉会采用LFP锂电池么？
其实从透漏消息的来源来看，由于没有任何细节信息，结合前一阵宁德时代发布的合作公告，特斯拉并未明确说明与宁德时代的合作方式。
（宁德时代此前发布的双方合作公告）
宁德时代在中国的确是锂电池行业的巨头，其LFP锂电池市场占有率和三元锂电池市场占有率皆超过的一半，但并不代表特斯拉将大量转型将LFP锂电池应用于国产版Model 3或者Model Y身上，这一切不过是有些人的臆想罢了。
不过根据马斯克在播客的所谈CTP技术应用，以及前一阵宣布将在中国建立设计和研发中心等消息来看，很有可能特斯拉只是与宁德时代进行技术合作，展开前瞻性的准备性研发 ，从而为风云突变的电池市场做准备。
1月19日，特斯拉宣布计划在中国建立设计工作室和研发中心，且公布了新的设计图纸。特斯拉还发布了招聘启事，将招募设计师和其他工作人员。同时，特斯拉还广泛征集富含中国元素的特斯拉设计图纸，征集截止日期为2020年2月1日。
特斯拉与松下之间的关系可谓是错综复杂，一方面马斯克强压松下电池降低生产成本，另一方面内华达超级工厂由双方出资；表面看上去松下电池因为特斯拉的快速发展，会过得非常好，实际上松下电池直到2019年Q4季度也才实现盈利。反过来，特斯拉也受制于松下的供货量，从而导致能源产品和产量受限。
所以松下和特斯拉都需要新的盟友来保证自身的利益，松下前一阵与丰田签订合同成立电池工作，而特斯拉则在中国建厂后分别向LG和宁德时代投出了橄榄枝。这其实都无可厚非，毕竟作为企业，生存下去才是王道。
其实对于特斯拉来说，电池是谁家的并不重要，关键是产品足够好，成本足够低，剩下难题的对于马斯克来说，“不可能”向来都不是问题。
马斯克曾在无数次采访中被问及如何成功的秘诀，他无一例外都会提到一个看似简单却很难做到的原则——第一性原则。两千多年前，亚里士多德对该原则的解释是：“在每一个系统的探索中，存在第一原则，是一个最基本的命题或假设，不能被省略或删除，也不能被违反。”
简单理解就是把事情或问题拆分开为最基本的组成，从源头解决问题。平时人们总会以“模仿”的思维模式“学习”别人，虽然有利于站在巨人的肩膀上获得便利和节省时间，但如果你身边站着的都是“错误”的巨人呢？第一性原则所指的就是跳出惯性思维，打破可参考的经验，回归事物本身，想方设法达到目的。
举个简单的例子，你要吃一个美食，发现店铺卖的太贵了，你最终放弃了，因为按照惯性思维，价格超出了自己能接受的范围，所以不了了之。而使用第一性原则的思维则是，既然你要吃一个美食，关键是如何得到这个美食，既然买不到，那么查一下这道美食的材料价格是多少，发现能够接受，所以为了吃到这个美食，你完全可以通过自己购买材料，然后借助菜谱动手制作，最终享用到这个美食。整个事情的关键在于你对目标有多坚定，以及跳出“多数人”的惯性思维，回归解决问题的本质，然后想尽一切办法尝试去实现。
特斯拉曾在2007年公开过初代产品Roadster电池系统的技术细节，解释了为何当初选用松下18650圆柱形锂离子电池。其中最为关键的三点分别是：安全、性能、成本，作为一家致力于将电动车推向全世界的车企，安全是底线，性能是招牌，而成本则是命脉。松下的18650锂电池是特斯拉工程师在尝试了500多家供应商之后，能够保证成本基础上，做到安全和性能兼并的唯一选择。
马斯克此时所要达到的目的是“让更多的人了解和购买特斯拉电动车”，那么就必须要“保证公司活下去”，而活下去的基础是“产品足够好且能盈利”，那么无论后面通过什么方式去实现，都必须建立在这一级基础上，所以要实现盈利势必意味着成本控制，否则既不能满足“性价比高”也不能满足“盈利”。
所以选用NCA锂电池是当时市场最优选择，而为了应对其可能存在的安全问题，特斯拉在安全性上大费周章。基于松下18650锂电池已经是确定方向后，要解决的就是庞大的BMS电池系统管理问题，以及被动安全和主动安全问题。
根据Munro Association公司拆解特斯拉Model 3的研究报告，特斯拉的BMS系统无论是硬件高集成度和效率，还是电路板的软硬件控制系统，都属于业界佼佼者；而热管理系统更是令人震撼，通过胶质材料填充进不同圆形锂电池之间，加上波浪形的液冷管道，特斯拉热管理系统在相对严苛环境下，将电池单体之间温差控制在8度之内，并保证不同模块之间温差在9度之内。
（绿色为胶质，提供固定和散热，以及热保护）
（特斯拉电池包热管理示意图）
同样的，仍然基于上述原则，由于电池的能量密度对比汽油来说要差很多，50kWh的电池也仅仅抵得上22.7升汽油，所以任何不必要的能源浪费对电动车来说都是“灾难”。
（整套热管理专利）
所以为了解决空调的耗电以及热能源浪费，特斯拉团队还为此研发了一套集合电机、电路板、空调、电池热管理于一体的系统，并仅用一个水壶大小的水箱，就能高效完成所有系统之间的温度管理。
（或许是特斯拉团队的工程师非常自豪这个Super bottle，在量产零配件版本中，在水箱体外面都印有一个特斯拉超人形象）
绕了一大圈，其想表达的核心意思是，对于特斯拉来说，采用哪种产品或者技术，本质上只用看它是否符合特斯拉的“目标”。如果符合，那么即便有困难，也会有一群工程师想办法攻克，只要是有益于特斯拉对产品的愿景以及成本的控制。
但显然，LFP锂电池除了寿命之外，并未填补多少特斯拉的痛点。因为LFP锂电池的另一个优势安全性，特斯拉通过软硬件配合已经将NCA锂电池电池包做到相当优秀了。目前特斯拉电池包防护结构能支撑外部温度800度左右的高温考验，而特斯拉之前失火事件只存在于2016年前Model S车型中第一代未升级的电池包，随后升级过的Model 3在全球累计几十万销量情况下，仅有几例醉驾后发生严重事故，导致电池包严重受损失火的，关键的是这几例事故中乘客都安全离开了车辆。
仅剩的最大优势就是成本降低，然而由于产能和技术革新，三元锂电池的价格整体也都在不断降低中。
所以依照上述所有的分析，以及马斯克一贯的做事风格，此次特斯拉与宁德时代的“无钴电池合作”消息，笔者猜测只会有二种可能性：一是根据马斯克前一阵在推特发布“将在中国快速推进太阳能屋顶以及能源系统”的消息，其LFP锂电池可能应用于特斯拉能源系统，而非Model 3国产版；二是根据LFP目前在量产车应用情况，和特斯拉在电池领域的一系列动作来看，特斯拉很可能与宁德时代在“无钴”电池领域展开深度技术合作，为将来的电池供应商做提前准备，而非现阶段大批量使用。
仅仅依靠结构的变化获得的系统能量密度提升，还远不足以颠覆电池行业或电动车领域。而特斯拉将在4月举办的“电池及动力总成大会”或许才会真正公布一些颠覆行业的内容。
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