如何評價Tesla Gigafactory量產的Model 3專用 21-70 鋰電池？

01-09

Gigafactory 裡面著重介紹了這個新的21-70電池，說是會用在Model 3以及未來的Model s／x上面：
出於宣傳目的，Tesla的工作人員只是說這個成本低，容量大，安全。想問一下專業人士這個電池是否有其宣傳那麼厲害？與目前常見的18650有多少優勢？

謝邀。

這個消息是確實的。2016年7月底， Gigafactory迎來大批參觀者，Tesla 放出消息，將會採用新規格的21-70電池，取代之前使用的18650電池。

（Picture source: https://twitter.com/JudeBurger/status/759207588231872512/photo/1?ref_src=twsrc%5Etfw）

21-70電池是指直徑21 mm，高度70 mm的圓柱卷繞式電池，而18650電池則是指直徑18 mm，高度65 mm的圓柱卷繞式電池。可以看到，Tesla不僅換了電池規格，把規格的命名方式也換了（按照以往的慣例，21-70電池應該叫21700電池）。這個消息印證了我在2014年發表的兩個回答：

特斯拉為什麼要使用 18650 規格的圓柱形鋰離子電池？ - 吳彬的回答

我認為，Tesla當時採用18650電池，的確是最優選擇。但是，隨著Tesla在電池領域的經驗不斷積累，他們應該會嘗試其他構型的電池。

Tesla Motors 為什麼要將其專利開放，技術開源？ - 吳彬的回答

Tesla的技術路線非常獨特，使用數千節18650電池來構建電池組。這條技術路線是Tesla在公司初創時所做出的選擇。對其他的電動汽車生產商來說，這種選擇未必值得效仿。事實上，Gigafactory投產後，Tesla未必還會堅持18650。有消息稱將採用"20700"電池，即高度為70 mm，直徑為20 mm的圓柱形電池。

電池規格只限定了電池的尺寸大小，單從規格是很難判斷出這種電池相對於之前的18650電池有多大的技術進步。即使都是相同的18650規格，現在各家電池企業的產品質量也是良莠不齊，就像即使都叫醬香型白酒，有的可以上國宴，有的只能上流水席。

我更關心的是，Tesla 做出變化規格的決定，反映了這家公司怎樣的現狀及心態。我認為至少有如下幾點值得探討：

1. Tesla 藉由與松下深度合作的 Gigafactory 掌握了電池單體生產技術，進而打通從原材料、電池單體、電池模塊、電池組到傳動系統、整車的整套技術鏈條，並且可以在自己完全控制的技術鏈里優化若干基礎部件達到最佳整體性能。

單體電池的構型選擇、容量設計和尺寸設計是電動汽車裡面一個很重要的問題，關係到上上下下、方方面面的很多因素。Tesla 之前沒有單體電池生產能力，選擇18650電池是在自身需求與市場供給之前所找到的一個艱難平衡點。通過投資 Gigafactory 及與松下的戰略合作，Tesla 具備了單體電池的研發生產能力，必然會重新審視產品設計流程，選擇生產最適合自己的單體。

在回答為什麼要採用新構型電池時， CTO JB Straubel 在回答問題時提到，

JB: 「We』ve spent a lot of time on this actually. It』s 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 Today"s Statements

我試著翻譯一下，大概意思是這樣的：

我們在這個（單體電池選擇）問題上花費了大量的時間。這是一個很有趣的問題，包含著許多相互制衡的矛盾因素。當你把電池尺寸增加時，有一些性能會變好，但另一些會變差。18650這一構型得到廣泛使用只是出於歷史的巧合，我們早期的產品也使用了這一構型。我們重新審視了這些互相制衡的矛盾，最終優化得到現在的21-70構型，比之前的18650要大一些。如果你把這些圓柱形的21-70電池排在一起，最終是可以（在一個固定的包內）得到更多的活性物質（進而得到更多容量）。總的來說，這是一個成本優化問題。

CEO Elon Musk 則說

「It really comes from the first principles of physics and economics. That』s 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 we』re looking for, but would be fundamentally optimal? 18650 is not optimal.」
Ref: 11 Key Tesla Gigafactory, Model 3, Solar, Elon Romance Takeaways From Today"s Statements

Musk的大概意思是說，

這真的是從物理和經濟兩方面因素做出的計算結果決定的（看他用了他經典的 "first principle thinking" 梗，學習ab initio的同學要吐槽下這算哪門子第一性）。這是我們分析一切事物的方法。假設這個世界上本來沒有單體電池，那我們要怎麼去設計它？這個設計應當滿足我們對最終產品特性的要求。18650（對Tesla來說）不是最優設計。

關於各種電池結構的相對優缺點，請參考我的回答：

鋰離子電池不同封裝方式的對比：具體軟包方形柱狀電池封裝的對比？ - 吳彬的回答

2. 宣布採用新規格電池，意味著對Gigafactory產量和品質控制的自信。

Gigafactory的年產量號稱將與現在全球所有電池企業年產量之和相當，頗有美帝海軍吊打全球之風。在如此大的產量之下，微小的非良品率也意味著極大的非良品量（資料稱目前業界最佳的松下、三星、LG的18650電池生產線一次直通率在98%以上，國內一般在90%左右）。大量的非良品（只是容量、電阻等未達到要求，不是安全問題），滿足不了電動汽車的極嚴苛要求，還可以轉而消化在無人機、筆記本電腦等其他領域。Tesla放棄使用18650規格意味著失去了部分現有的消化途徑。這可能反映了：1）Tesla對良品率有充分的自信；2）Gigafactory的巨大產量將使Tesla在電池市場擁有極大話語權，大到讓這些現有的消化途徑採用21-70構型。

為什麼Gigafactory要如此喪心病狂地追求大產量？為了降低電池成本，希望能將規模效應發揮到極致。

Picture source: Tesla Gigafactory tour roundup and tidbits: 『This is the coolest factory in the world』最後來個彩蛋，如何形容Gigafactory生產電池的速度？Elon Musk淡淡地說，比機槍射出子彈的速度還快。

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

這是一個兼具美感和力度感的比喻，看第一幅圖的電池像不像子彈？

對比之前某筆記本宣傳其厚度比硬幣的直徑還薄，我覺得我們的企業還需要學習一個。

我還沒看到這個新聞，這個以前傳聞做20700的新的電池在降低每千瓦時成本上的優勢是很明顯的，10%的直徑增量帶來的是33%的體積增加以及相應的能量增加，而每節電池的生產成本幾乎相同。至於為什麼是20700而不是其他更大的電池，就像特斯拉說的有很多trade off，不得兩全。根據這個新聞，比原先傳聞的20700更大，大約比18650大46.5%。另外能量密度方面也傳聞有提升。

一般來講，電池數量減少可以減少BMS的複雜程度；更高的能量密度（體積能量密度和重量能量密度都有提升）也有助於減輕和減小電池包體積。

介紹一些詳細的估計數據，信息來源於Total battery consulting的presentation。特斯拉電池成本估計為14年$210/kWh，15年$180/kWh。根據這個估計，即使不考慮Model3的規模效應，只考慮每節21-70帶來的46.5%的額外能量，成本也可以降到$123/kWh，這樣Model3裝上85kWh的電池包也只要$10,443，總價$35,000，剩下$24,556，做一輛不用變速箱油箱尾氣系統和發動機的SUV架子以及支付其他費用綽綽有餘了。當然Gigafactory剛開始不能utilization 100%，頭幾年還是要虧的。也許向其他汽車廠商供應21-70電池是個快速實現規模效應的好辦法。

Jefferies的分析師以前預測說Gigafactory全部投產能把成本降到$125/kWh。特斯拉只要不作大死還是可以混下去的。目前更大的問題是裝配的capacity，還有mobile eyes好像不願意給tesla提供更新的技術了，希望它自己的研發能在自己能支撐的成本下趕上來。

160805。修改了對體積密度的錯誤描述，成本降低效果試算對象更換為21-70電池。