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的思考方式：即重新思考那些大多数人习以为常的惯例与陈规追根溯源分析是否合理再从物理学原理出发寻找新的更简单和便宜的解决办法完成那些业内专家视为不可能的目标4680 电池是这种做法的延续《马斯克传》中多次描述了第一性原理手到擒来的过程在制造 SpaceX 火箭时马斯克挑战权威提出用更便宜的不锈钢替换碳纤维制造火箭最终只花 NASA 登月计划 2% 的钱就造出了能飞上太空的 Starship特斯拉和马斯克执掌的其它技术公司似乎总能凭第一性原理另辟蹊径证明传统观念是错的一次次取得技术领先但在 4680 电池上特斯拉的做法遇阻这款电池决定着特斯拉下一代车的产能和定价而它的量产时间和性能都没有达到最初发布时的目标这是近年被不少公司奉为至宝的第一性原理的另一面：当遇上复杂创新从原理出发推导重来常常只是一趟艰难旅程的起点重新发明电池和电池工厂马斯克提出过 白痴指数：用零件的价格除以这个零件所需原材料的成本这个数字越大说明这个零部件 越白痴要么是中间环节太多要么是制造效率太低每当遇到一个白痴指数过高的部件特斯拉就会重新思考流程、革新制造方式以降低成本使该指数尽量回归 1马斯克追求让汽车的制造成本无限接近汽车所用的钢铁、铝、硅、锂等材料的成本之和2007 年马斯克查询伦敦金属交易所的电池材料价格后算出电池的 白痴指数 是 7：当时每千瓦时电池的锂、钴、镍等材料的成本只有 82 美元但锂电池售价却超过 600 美元这一数字已是索尼、松下等电池公司努力 20 年的结果特斯拉在 2014 年与松下合资建立电池超级工厂期望以此降低电池成本但到 2020 年锂电池的 白痴指数 仍有 2当时整车的实际白痴指数已小于 1.5特斯拉仍得把汽车卖到 4 万美元（约 30 万元人民币也就是 Model 3 的售价）才能保持毛利马斯克认为这还不够便宜同在 2020 年特斯拉宣布将研发制造售价约 2.5 万美元（按当时汇率计算约为 15 万元人民币）的低价电动车以进入更主流汽车市场与丰田卡罗拉等最畅销车型直接竞争支撑这一目标的是一个完整的电池降本计划自 2018 年起特斯拉成立代号 跑路者（Roadrunner）的项目组开始筹划自研和自产电池第一性原理思考的本意是：不停质疑你能质疑的所有事直到只剩下基础的事实与原理特斯拉工作法中的第一条就是：质疑每项要求以这个视角看电池制造特斯拉围绕降本目标更改了圆柱电池的尺寸简化了延续几十年的湿法生产再烘干的繁复环节设计了新的电池与制造流程特斯拉选择大圆柱结构：把圆柱电池的尺寸从直径 21 毫米、长 70 毫米提升至直径 46 毫米、长 80 毫米这即是 4680 电池名称的由来更大的圆柱结构能提升单个电池中的能量物质占比进而提升电池能量密度特斯拉使用的三种不同尺寸的圆柱电池图源：松下官方这一设计兼顾了制造效率与成本目前主流的动力电池分为圆柱和方形电池圆柱形物体在流水线中的运转速度高于方形物体方形电池龙头宁德时代每分钟能生产 25 个电芯而圆柱电池龙头松下每分钟能生产 300 个 2170 电芯圆柱电池的弊端是在封装为电池包时圆柱与圆柱间会有缝隙空间利用率低于方形电池圆柱电池在排列时会留下缝隙大圆柱能大幅减少缝隙一位电池公司研发负责人表示车用圆柱电池直径控制在 45- 50 毫米时能最好地兼顾电池容量和空间利用率如果尺寸再大加工难度会提高对空间利用率的提升也会变少尺寸变大 看着只是一个小改动实际会带来一系列相互矛盾的改进只把电池做大极耳即连接电池内外部电路的导电部分就要承担更多电流更容易热失控增大安全隐患图中突出的绿色和灰色部分为正负极耳来源：逸飞激光招股书既然极耳朵不听话那就扔掉它 马斯克说特斯拉随即去掉了电池极耳改为让整个电池底部和外壳充当极耳这即是 全极耳（也称 无极耳）工艺它能加快电池充电速度还让电池更容易散热——电池外壳体积比原本的小片突起的极耳更大更容易散热电池公司在过去 30 年一直使用湿法工艺它们将电池材料与有毒的粘合剂、液态溶剂混合然后涂在薄薄的箔片上加工完的极片要在长达 100 米、温度达 90 度的烘箱中烘烤 12 个小时在这个过程中充分蒸发有毒的溶剂和水分——整个工序极大增加制造成本特斯拉认为湿法工艺很低效：既然极片要做成 干 的为什么要先把极片弄湿、再烘干这就是马斯克觉得电池制造的白痴部分湿法涂布的设备、人工、厂房成本占整个电池制造的 22.76%2019 年 2 月特斯拉花 2.19 亿美元买下超级电容（用于摄像机闪光灯等领域的电能储存设备）公司 Maxwell将超级电容器的干法电极工艺改用到锂电池中直接把极片做成干的干法电极不使用液态粘合剂因此不需要烘烤理论上制造起来更便宜、更快对环境的破坏也更小马斯克说仅靠这个工艺特斯拉就能将单位产能的设备支出减少三分之一将电极生产车间的占地面积和能源损耗减少 90%目前一条方形电池产线的设备支出约为 1.7 亿元人民币而 4680 电池产线的设备支出仅需 5000 万-6000 万元特斯拉还希望加速电池流水线来提升生产效率马斯克羡慕啤酒等饮料制造业和造纸业的连贯与超高效率：造啤酒时生产线没有任何断点啤酒瓶封上盖后才会离开生产线但电池的部分部件造完后通常都要暂时离开生产线靠小车运到下一个车间再回到流水线上现在最快的电池生产线运转速度为 6 公里 / 小时而最快的啤酒生产线可达 30 公里 / 小时特斯拉为此大幅合并了电池制造工序开发集合多个工艺的设备如 2021 年特斯拉在柏林工厂启用了切割、卷绕和焊接的三合一一体机这些任务本来需要 3 台不同的设备才能完成按马斯克在 2020 年的说法整个 4680 电池方案能减少约 20% 的电池的制造成本35% 的设备投资成本和 70% 的工厂占地面积当时的特斯拉将 4680 电池视为大规模扩张的基础：用投资更少的电池工厂生产储能和汽车电池再用更便宜的电池制造售价 2.5 万美元的廉价车型刺激销量、赚取更多利润再投入到研发和新一轮产能扩张形成增长飞轮助力特斯拉在 2030 年实现一年卖 2000 万辆车的宏大目标完美的设计艰难的制造做大电池去掉弄湿电机再烘干的 白痴部分这些显而易见的改进在过去数十年的电池工业中从未被实践因为困难重重第一个难题是流程改造汽车制造流程相对短且对精度和环境的控制要求较低汽车制造的主要任务是成品组装改进一个组装工序很少影响前后工序电池制造则是将材料变成成品流程相关性更强前一个工序的成品就是后一个工序的原料改进一个工序意味着也要修改前后工序特斯拉为了使用干法电极技术去掉烘干等步骤就需要把烘干前的所有环节都变成 干 的这占整个电池制造流程的 50% 且对环境、精度的控制远高于其余工序湿法电极的核心是涂布它的任务像抹奶油把带有粘结剂的糊状电池正负极材料均匀涂抹在金属箔片上涂抹厚度一般只有 30 微米宁德时代等电池公司致力于提升涂布速度现已能做到每分钟涂 100 米涂布速度越快、质量控制越难细微提升背后靠的是数十亿次尝试中总结的经验干法电极同样要在金属箔片上附着正负极材料但正负极材料为干粉状附着力弱它不像抹奶油而更像撒沙子且同样追求均匀度和速度为把沙子撒地均匀、粘得牢固特斯拉研发了新的粘结剂2020 年特斯拉申请了干法电极粘结剂专利它改进了锂电池原本采用的 PVDF 粘结剂从微观层面看这种新粘结剂被滚压后会纤维化就像一张网这让原本在平面上撒沙子变成 就像在棉花糖上撒沙子一位干法电极工艺专家说但当时的特斯拉并不清楚要在正负极材料里混合多少粘结剂：粘结剂比例高了电池中带能量的物质就会变少能量密度会变低且粘结剂会阻碍锂离子在电池中的流动这会缩短电池循环寿命；但粘结剂比例太低材料的附着力又不够衡量粘结剂效果的一个直观标准是电池首效（第一次充放电时电池的电量占设计容量的比例）一位拆解过 4680 电池的工程师称特斯拉在今年年中的样品能将首效做到 88%而其他参与该项目的电池公司只能做到 85%但还未达到量产电池的水准目前主流的动力电池首效超过 92%以这个首效推算特斯拉 4680 电池的循环次数可超过 1000 次但目前主流的电池的循环次数超过 2500 次 他说材料研发还只解决了约 20% 的量产难题 接下来还有设备研发干法电极设备需要用合适的力度将材料中的粘结剂滚压成合适的纤维化状态在实验室环境中这件事很简单但大规模生产要求设备能连续、精准地处理整个任务辊压要多次进行如果只压一次就没有足够的操作空间来调整设备参数特斯拉公开的专利中采用了三个滚轮分两次执行辊压动作但一位接近设备供应商的人士称特斯拉后来将辊压设备的滚轮数量增加到了 7 个目前行业使用的干法电极设备越来越多的滚轮确实提升了精度上限但又增加了调试难度每调整一次前面的滚轮后续所有滚轮的参数都会变化在制造领域时常灵光乍现敢于尝试的特斯拉也不得不陷入这样的低效怪圈调试设备和工艺没有捷径它需要一次次尝试且往往牵一发动全身改一处得调整多个环节去掉弄湿正负极材料再烘干的 多余环节比马斯克最初想象得难得多特斯拉的做法是自己设计设备再找锂电设备公司做代工生产帮助克服一些设备问题一位曾接触过特斯拉的设备供应商人士称特斯拉会给到设备核心图纸并限制供应商修改设计最终的结果是设备工程师不懂工艺特斯拉的人不懂设备设备供应商花了很长时间才造出能用的设备但依然不符合特斯拉的要求 他说2021 年特斯拉找了多家电池设备供应商制造设备其中部分设备方案现已被舍弃《晚点 LatePost》了解到一家龙头锂电设备供应商曾向特斯拉提供了整条 4680 产线设备并派出一个近 50 人的工程团队去得州协助特斯拉优化产线该团队已在 2022 年底撤走生产设备的另一个难点是焊接机原本的电池极耳只有一小片而 4680 电池采用全极耳设计需要焊接的极耳面积成倍增加焊接面积越大就越容易出错焊接机输出的能量过大会焊穿极耳能量不够焊接就不牢固两种情况都会让电池报废特斯拉到今年也没有明确定义焊接效果要做到什么样特斯拉从源头去革新但到落地的细枝末节上他们也把不准于是就花钱找人帮他圆梦 一位设备供应商人士称特斯拉并未给出更好的极耳焊接控制方案此外特斯拉还在激光密封等环节遇到了良率挑战到去年年末特斯拉的 4680 电池生产良率只有 92%依照电池行业测算4680 电池的良率要超过 95%才能压低成本实现商用特斯拉生产线的效率也远未达到行业的预期一位设备厂商人士称今年初特斯拉 4680 电池的生产效率约为 85 个 / 分钟此前行业认为 4680 电池的效率上限是 350 个 / 分钟当特斯拉的生产线以更快的速度运行时制造过程中的品控难题还会继续出现即使只漏掉 0.001% 的灰尘和碎片这些东西也会导致电池短路实验室环境不会放大细微的可能性但工厂会你会一直发现新的失败方式 特斯拉电池项目负责人德鲁·巴格利诺在今年 3 月的投资者日上说目前特斯拉的 4680 电池制造方案还未定型问题不止在生产设计也在修改时常是一个流程还没顺完就要开始做下一个版本 一位特斯拉工程师告诉《晚点 LatePost》只有特斯拉才敢这样造电池据行业人士测算如果不执着于干法电极4680 电池也能将 Model Y 的成本削减约 8%也就是将电池成本削减 20%虽然这还不到马斯克目标的一半但放在动力电池行业已是了不起的成就松下、宁德时代需要至少三年才能达成类似的降本成果特斯拉却坚持开发干法电极工艺甚至不惜拖延 Cbyertruck 和下一代车的交付节奏在马斯克的设想里4680 电池并不只服务年销 200 万辆的特斯拉当下而是要支持年销 2000 万辆的未来只有更便宜的电池才能支持特斯拉造出 2.5 万美元的廉价车型达到这个目标今年 3 月特斯拉已完成车型研发并突破了更大规模的一体压铸技术4680 电池成了阻碍计划的最后一块绊脚石汽车行业只有特斯拉会这样不惜代价超前投入技术并将自己的商业扩张与技术突破绑定在一起收益与风险都被放大特斯拉此前的成功和当下的遭遇都出自第一性原理衍生的方法论：抛弃行业成规、质疑原有要求从最本质的物理学出发重新想一件事该怎么做这一方法论能行得通的情境往往是：特斯拉要挑战和颠覆的是某一技术阶段产生的老做法或习惯而现在已经有新技术可以绕开曾经的制约马斯克敏锐地看出过去的限制已不复存在捅破了那层资深专家脑中隐形的 不可能直抵解决之道这需要技术直觉和判断但马斯克或任何个人都难以客观全面地评估一个时期的整体技术与工程水平有些情况下马斯克的想法刚好能找到技术与工程支持：当他从玩具制造上想到一体压铸时地球上刚好存在一家能制造出 6000 吨压铸机的公司——力劲SpaceX 使用的 33 台发动机并联推进方案也是前苏联科学家在 1970 年代尝试过却失败的设想火箭发动机在推流时会互相影响需要实时调整发动机设置当时的计算机无法同时控制这么多发动机而到 SpaceX 落地这一设想的 2023 年计算机算力和算法已能完成复杂任务——主流 AI 芯片的算力是 50 年前的 10 亿倍在以上这些例子中马斯克回到原点重新思考了那些多年来被不假思索接受的习惯在历史悠久的汽车业和航天业大型厂商日复一日沿既定生产流程追求生产效率的极致难有跳出来思考的意识或余裕第一性原理的局限则是它不可能超越时代限制当特斯拉的目标无法被当下的技术实现它也得付出巨大的时间与金钱投入才能缓慢前进一点点2017 年量产 Model 3 时特斯拉曾栽过跟头：马斯克当时认为可以用机械臂完全取代人工这是制造业的必然但他高估了整个自动化技术的水平机械臂连简单的梳理电线都做不好特斯拉随即陷入产能地狱马斯克重新把工人召回工厂才走出危机电池制造也是这样一个领域：它涉及多学科复杂任务工序之间环环相扣牵一发动全身用湿的正负极材料涂布、再烘干这是马斯克最初认为多此一举的环节但删除这个环节就需要把整个从混料、涂布、模切到烘干的工艺都推倒重来即使特斯拉能在实验室里完成上述流程接下来它还得解决大规模量产和商业化两个相辅相成的难题100 万辆电动车对应十多亿颗电芯这需要在同一套设备上重复数十亿次生产工艺并达到一定的良率基准线且控制好成本多位行业人士预测特斯拉会在 2025 年大规模量产 4680 电池但最终量产的版本性能将比 2020 年发布时的版本大幅缩水特斯拉目前生产的 4680 电池能量密度只有 265Wh/kg 比行业预测的 330Wh/kg 低近 20%搭载这款电池的 Cybertruck 的最高续航只有 547 公里远低于此前 800 公里的目标从 4680 电池发布至今特斯拉用 3 年时间只实现了最初目标的 1/3量产了工艺更简单的干法石墨负极但接下来还有更难的干法硅负极和正极站在残酷的商业竞争角度：慢有时不可接受特斯拉的产物节奏被打乱在最应该乘胜追击的时刻特斯拉的新车断档几年而站在技术进化的角度特斯拉给整个行业探了路：4680 电池统一了大圆柱动力电池的尺寸标准；目前宁德时代等电池巨头也开始探索干法电极工艺将这一工艺理念拓展至电池隔膜等部件4680 电池可能正在带动动力电池制造的一次技术革命题图来源：特斯拉 X 账号、看到苏苏终于获得幸福的生活我的心情久久不能平静