4680的艰难诞生，只有特斯拉才敢这样造电池

第一原则可以启发探索的正确方向，但它不是道路本身。

李文毅·齐南小米平板3 频闪

编辑程曼琪黄俊捷

2006年，马斯克宣布了一个伟大的愿景:制造越来越便宜的电动汽车，取代燃油汽车，加速世界向可持续能源的转变。

中国正在迅速接近这一目标。这里的新能源汽车平均售价从去年的20多万元降到了18万元以下，与燃油车齐平，明年还会继续下降。原本定位25-40万元市场的品牌，如造车新势力、问天世界等，也在推出更便宜的车型。该联合会估计，2024年中国每售出100辆汽车，就有42辆是新能源汽车。

然而，特斯拉在其参与的这场变革中缺席。至少在未来18个月内，特斯拉在中国市场不会有全新的车型。它的Model 3和Model Y刚上市时没有价格优势。特斯拉全球唯一的新车型Cybertruck在2024年的产量仅为12.5万辆，而且主要在美国交付。这款未来皮卡的起步价约为43万元，是2019年首次公布时的1.5倍。

特斯拉早前宣布，新车和15万元以下的大众车型最早也要到2025年第二季度才能量产。到那时，Model 3已经卖了8年，Model Y也卖了5年，期间只有一轮改款没有改变外形。

让特斯拉陷入五年model 空期的一大症结就是4680电池的量产推迟了很多年。

特斯拉在2020年发布了4680电池。在研发之初，马斯克认为电池制造效率太低，特斯拉可以重新发明电池制造工艺，放弃常规做法，将成本降低50%。

4680电池原计划2021年开始量产，但直到今年年中才开始量产。特斯拉在美国德克萨斯州的工厂在过去的四个月里只生产了1000万块4680电池，只够装12000辆Cybertruck。

LatePost了解到，今年下半年，特斯拉开始寻找中国电池公司制造电池极片，以满足生产要求。到明年第二季度，松下将开始向特斯拉供应4680块电池，但产能仅够装载约6万辆汽车。

从Roadster到Model 3再到Model Y，特斯拉使用了“第一原理”这种全新的思维方式:重新思考大多数人习惯的约定俗成和刻板印象，追根溯源分析它们是否合理，然后从物理学原理中寻找新的、更简单、更廉价的解决方案，以达到业内专家认为不可能的目标。4680电池是这种做法的延续。

在马斯克的传记中，多次描述了第一原理的过程。在制造太空探索技术公司火箭时，马斯克挑战权威，提出用更便宜的不锈钢代替碳纤维来制造火箭。最终，可以在月球上飞行的星际飞船的建造成本仅为美国国家航空航天局登月计划的2%。

特斯拉和马斯克运营的其他科技公司似乎总能找到新的方法，用第一原理证明传统观念是错误的，并一次又一次地获得技术领先地位。

然而，在4680电池上，特斯拉的做法受阻。这款电池决定了特斯拉下一代汽车的产能和定价，其量产时间和性能都没有达到最初的发布目标。这是近年来被很多公司奉为至宝的第一原理的另一面:当遇到复杂的创新时，从原理推导出来往往只是艰难旅程的起点。

重新发明电池和电池工厂

马斯克提出“白痴指数”(Idiot index)，将一个零件的价格除以这个零件所需的原材料成本。这个数字越大，这个零件就越“傻逼”要么中间环节太多，要么制造效率太低。

每当一个白痴指数过高的部件，特斯拉就会重新思考工艺，创新制造方法，以降低成本，使指数回到“1 & quot。马斯克追求的是让汽车的制造成本无限接近汽车使用的钢、铝、硅、锂等材料的成本之和。

2007年，马斯克在伦敦金属交易所查询电池材料价格，算出电池“白痴指数”为7:当时每瓦时电池的锂、钴、镍等材料成本仅为82美元，但锂电池价格超过600美元。这个数字是索尼和松下等电池公司20年努力的结果。

特斯拉在2014年与松下建立了一个电池超级工厂，希望降低电池成本。但到了2020年，锂电池的“白痴指数”仍有2，届时整车的实际白痴指数还不到1.5。特斯拉还是要把车卖到4万美元(约合30万人民币，这是Model 3的价格)才能维持毛利。马斯克认为这还不够便宜。

同样在2020年，特斯拉宣布将研发制造价格约为2.5万美元(按当前汇率约合15万元人民币)的低价电动汽车，以进入更主流的汽车市场，与丰田卡罗拉等畅销车型直接竞争。

支持这一目标的是一个完整的电池成本降低计划。自2018年起，特斯拉成立了代号为“Runners”road runner的项目组，开始规划自研自产电池。

第一性原理思维的初衷是:不断质疑一切，直到只剩下基本的事实和原理。特斯拉工作方法中的第一条规则是:“查询每一个需求”。

从这个角度看电池制造，特斯拉围绕降低成本的目标，改变了圆柱形电池的尺寸，简化了湿法生产和再干燥的复杂环节，设计了新的电池和制造工艺。喷嘴结构图三视图

特斯拉选择了大圆柱结构:圆柱电池的尺寸从直径21 mm、长70 mm增加到直径46 mm、长80 mm，也就是“4680 & quot电池名称的由来。较大的圆柱形结构可以增加单体电池中能量物质的比例，从而提高电池的能量密度。

特斯拉使用三种不同尺寸的圆柱形电池。资料来源:松下官方。

这种设计兼顾了制造效率和成本。目前主流动力电池分为圆柱形和方形电池。在装配线上，圆柱形物体比方形物体跑得快。方形电池龙头当代安培科技有限公司每分钟可生产25块电池，圆柱形电池龙头松下每分钟可生产300块2170块电池。圆柱形电池的缺点是封装成电池组时，柱与柱之间会有空隙，并且空之间的利用率低于方形电池。

圆柱形电池排列时会留有空隙。

大柱可以大大减少间隙。某电池企业R&D负责人表示，汽车圆柱形电池的直径控制，最能平衡空之间的电池容量和利用率，尺寸越大，加工难度越大，空之间的利用率提升就越少。

“尺寸更大“看似很小的改变，实际上会带来一系列矛盾的改进。只有把电池做大，极耳，也就是连接电池内外电路的导电部分，才会承受更大的电流，更容易失控，增加安全隐患。

图中突出的绿色和灰色部分是正极和负极接线片。来源:一飞激光招股说明书。

“既然极耳不听话，那就扔了吧。”马斯克说。特斯拉立即将电池极耳取下，换上了整个电池底部和外壳，这就是“共极耳”(又称“无极耳”)技术，它可以加快电池的充电速度，同时也让电池更容易散热——电池外壳比原来的小突起极耳更大，更容易散热。

电池公司在过去的30年里一直使用湿法工艺。他们将电池材料与有毒粘合剂和液体溶剂混合，然后涂在薄箔上。加工好的极片要在长100米、温度90度的烘箱中烘烤12小时，期间有毒溶剂和水分被充分蒸发——整个过程大大增加了制造成本。

特斯拉认为湿法效率低下:既然极片是要做“操”的没错，为什么要先把极片弄湿再烘干？这就是马斯克认为的电池制造的白痴部分。湿涂的设备、人工和车间成本占整个电池制造的22.76%。

2019年2月，特斯拉斥资2.19亿美元收购超级电容器Maxwell(用于相机闪光灯等领域的电能存储设备)，将超级电容器的干电极工艺改为锂电池，直接使极片变干。

干电极不使用液体粘合剂，所以不需要烘烤。理论上，它更便宜，更快，对环境的危害更小。马斯克表示，仅通过这一工艺，特斯拉就可以将单位产能的设备支出降低三分之一，并将电极生产车间的占地面积和能耗降低90%。

目前一条方形电池生产线的设备支出在1.7亿元左右，而4680电池生产线的设备支出只需要5000万-6000万元。

特斯拉还希望加快电池装配线，以提高生产效率。马斯克羡慕啤酒和其他饮料制造和造纸行业的连贯性和超高效率:在制造啤酒时，生产线上没有断点，啤酒瓶在密封之前不会离开生产线，但电池的某些部分制造完成后，他们通常会暂时离开生产线，用汽车运送到下一个车间，然后返回流水线。目前最快的电池生产线运行速度为6 km/h，而最快的啤酒生产线可以达到30 km/h。

正因如此，特斯拉对电池制造工艺进行了大幅合并，开发出了集成多道工序的设备。例如，2021年，特斯拉在柏林工厂推出了切割、缠绕和焊接三合一机器。这些任务最初需要三台不同的设备来完成。

根据马斯克2020年的预测，整个4680电池方案可以降低约20%的电池制造成本、35%的设备投资成本和70%的工厂占地面积。

当时，特斯拉将4680电池视为大规模扩张的基础:利用投资较少的电池工厂生产储能和汽车电池，然后利用更便宜的电池制造2.5万美元的廉价车型，刺激销售，赚取更多利润，再投入研发和新一轮产能扩张，形成增长飞轮，帮助特斯拉实现2030年年销售2000万辆汽车的宏伟目标。

完美的设计，困难的制造

把电池放大，把湿电机拆下来再干“傻逼部分”。由于困难重重，这些显而易见的改进在过去的几十年里从未在电池行业实践过。

第一个问题是流程改造。

汽车制造流程相对较短，对精度和环境控制要求较低。汽车制造的主要任务是成品的装配，改进一个装配工艺很少会影响前后的工艺。电池制造是把材料变成成品，工艺更相关。前一道工序的成品是后一道工序的原料。改进一个过程意味着修改前面和后面的过程。

为了使用干电极技术，特斯拉需要把干之前的所有环节都改成“操”是的。这占整个电池制造过程的50%，对环境和精度的控制远高于其他工艺。

湿电极的核心是涂层。它的任务就像涂抹奶油一样，将带有粘合剂的膏状电池正负极材料均匀涂抹在金属箔上，涂抹的厚度一般只有30微米。当代安培科技有限公司和其他电池公司致力于提高涂布速度，现在他们可以每分钟涂布100米。涂布速度越快，质量控制越困难。潜移默化的改进背后，靠的是亿万次尝试总结出来的经验。

干电极也需要将正负极材料附着在金属箔上，但正负极材料都是干粉，附着力很弱。它更像是撒沙子而不是抹黄油，它也追求均匀和速度。

为了将沙子均匀地铺开并牢牢地粘在一起，特斯拉开发了一种新的粘合剂。

2020年，特斯拉申请了干电极粘结剂专利，改进了原本用于锂电池的PVDF粘结剂。从微观上看，这种新的粘合剂在被卷起后会纤维化，就像一张网。这就让原本撒在飞机上的沙子变成了“就像把沙子撒在棉花糖上一样。一位干电极技术专家说。

但当时特斯拉并不知道在正负极材料中要混合多少粘结剂:粘结剂比例高，电池中含能物质就会少，能量密度低，粘结剂会阻碍锂离子在电池中的流动，从而缩短电池的循环寿命；但是粘合剂比例太低，材料的附着力不够。

衡量粘结剂效果的一个直观标准是电池的首效(首次充放电时电池电量占设计容量的比例)。一位拆解4680电池的工程师表示，特斯拉今年年中的样品可以达到第一种效果的88%，而参与该项目的其他电池公司只能达到85%，但还没有达到量产电池的水平。目前主流动力电池首效超过92%。

“以此首效计算，特斯拉4680电池的循环次数可超过1000次，但目前主流电池的循环次数超过2500次。”他说。

材料研发只解决了20%左右的量产问题，其次才是设备研发。

干电极设备需要用合适的力将材料中的粘结剂卷成合适的纤维状。在实验室环境中，这非常简单。然而，大规模生产要求设备能够连续准确地处理整个任务。

碾压应多次进行。如果只按一次，将没有足够的操作时间空来调整设备参数。在特斯拉公布的专利中，使用三个滚轮进行两次滚动动作。然而，一位接近设备供应商的人士表示，特斯拉后来将轧制设备的辊子数量增加到了7个。

行业中目前使用的干电极设备。

越来越多的滚轮确实提高了精度上限，但也增加了调试难度。每次调整前辊时，所有后续辊的参数都会发生变化。

经常在制造领域，敢于尝试的特斯拉，也不得不陷入这样的低效循环。调试设备和技术没有捷径，需要反复尝试。而且经常牵一发而动全身，换个地方调整几个环节。移除湿的阳极和阴极材料，然后干燥“多余的环节”这比马斯克最初想象的要困难得多。

特斯拉的做法是自己设计设备，然后找锂电池设备公司做代工生产，帮助克服一些设备问题。

一位与特斯拉有过接触的设备供应商表示，特斯拉会给出设备的核心图纸，并限制供应商修改设计。”最终的结果是设备工程师不知道流程，特斯拉的人不知道设备，设备供应商花了很长时间才造出可用的设备，但还是达不到特斯拉的要求。”他说。

2021年，特斯拉找到多家电池设备供应商制造设备，其中一些现在已经废弃。LatePost了解到，一家领先的锂电池设备供应商已经为特斯拉提供了整个4680生产线设备，并派出了一个近50人的工程团队前往德克萨斯州，帮助特斯拉优化生产线。2022年底撤队。

生产设备的另一个难点是焊机。

原来的电池极耳只有一小块，而4680电池采用全极耳设计，极耳需要焊接的面积增加了一倍。焊接面积越大，越容易出错。焊机输出能量太大就会焊穿焊片，能量不够就会不稳定。在这两种情况下，电池都将报废。

“特斯拉今年还没有明确定义焊接效果应该是怎样的。特斯拉从源头上创新，但他们不确定落地的细节，于是花钱找人帮他实现梦想。”一位设备供应商表示，对于焊片焊接，特斯拉并没有给出更好的控制方案。此外，特斯拉在激光密封等环节也遇到了良品率挑战。

到去年年底，特斯拉的4680电池生产良率只有92%。根据电池行业的测算，4680电池的良率应该超过95%，这样才能降低成本，实现商业化。

特斯拉生产线的效率与业界的预期相差甚远。一家设备制造商表示，今年年初，特斯拉4680电池的生产效率约为85 PCs/min。此前业界认为4680电池的效率上限是350 PCs/min。

当特斯拉的生产线以更快的速度运行时，制造过程中的质量控制问题就会不断出现。

“哪怕只漏掉0.001%的灰尘碎片，这些东西都会导致电池短路，实验室环境不会放大细微的可能性，但工厂会。你总会找到失败的新方法。”特斯拉电池项目负责人德鲁·巴格利诺(Drew Baglino)在今年3月的投资者日上表示。

目前，特斯拉的4680电池制造方案尚未最终确定。”问题不仅仅是生产，设计也在修改。通常情况下，下一个版本会在一个流程完成之前启动。”一名特斯拉工程师告诉LatePost。

只有特斯拉敢这样做电池。

据业内人士估计，如果不拘泥于干电极，4680电池也能让Y型降低8%左右的成本，即降低20%的电池成本。虽然这还不到马斯克目标的一半，但这是动力电池行业的一个显著成就，松下和当代安培科技有限公司至少需要三年时间才能达到类似的成本降低结果。

特斯拉坚持开发干电极技术，甚至推迟了Cbyertruck和下一代汽车的交付节奏。在马斯克的愿景中，4680电池不仅服务于年销量200万辆的特斯拉，还支撑着年销量2000万辆的未来。

只有更便宜的电池才能支撑特斯拉打造一款2.5万美元的廉价车型来实现这一目标。今年3月，特斯拉已经完成了整车模型的研发，并突破了更大规模的一体化压铸技术。4680电池成为该计划的最后一块绊脚石。

在汽车行业，只有特斯拉会不惜代价提前投入技术，将业务拓展与技术突破捆绑在一起。好处和风险都被放大了。

特斯拉之前的成功和现在的经验，都来自于第一原理衍生出的方法论:抛弃行业惯例，质疑最初的要求，从最本质的物理出发重新思考该怎么做。

这种方法论能起作用的情况往往是:特斯拉想要挑战和颠覆某个技术阶段产生的旧的做法或习惯，但是现在有新的技术可以绕过之前的约束。马斯克敏锐地意识到，过去的限制已经不复存在，穿透无形的“不可能”，直奔解决方案。

这需要技术上的直觉和判断。但马斯克或任何个人都很难客观全面地评价一个时期的整体技术和工程水平。

在某些情况下，马斯克的想法正好可以找到技术和工程上的支持:当他从玩具制造想到集成压铸时，地球上恰好有一家公司可以制造6000吨压铸机——力劲。

太空探索技术公司使用的33引擎并行推进方案也是前苏联科学家在20世纪70年代尝试过但失败的想法。火箭发动机在推流时会相互影响，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。到2023年，太空探索技术公司的想法落地，计算机的计算能力和算法已经能够完成复杂的任务——主流AI芯片的计算能力是50年前的10亿倍。

在这些例子中，马斯克回到了原点，重新思考了多年来不加思考就已经被接受的习惯。在历史悠久的汽车工业和航空航天工业，大厂商沿着既定的生产流程日复一日追求极致的生产效率，很难有想出来的意识或余量。

第一原理的局限性在于它不能超越时代的局限性。当特斯拉的目标以目前的技术无法实现的时候，要取得一点点的进步，就要付出巨大的时间和金钱。

2017年Model 3量产的时候，特斯拉已经种下了一个跟头:马斯克认为人工可以完全被机械臂取代，这是制造业的必然。但是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。特斯拉立即陷入生产地狱，马斯克召回工人到工厂以走出危机。

电池制造也是这样一个领域:涉及多专业，任务复杂，工序环环相扣，牵一发而动全身。”涂上湿的正负极材料，然后烘干”这是马斯克原本认为多余的环节。但要删除这个环节，就要把从混合、涂布、模切到烘干的整个流程重新发明一遍。

即使特斯拉能在实验室完成上述过程，它还得解决两个互补的问题:量产和商业化。一百万辆电动车对应十几亿块电池，需要在同一套设备上重复生产过程几十亿次，达到一定的良品率基线，控制成本。

许多业内人士预测，特斯拉将在2025年量产4680电池，但最终量产版本的性能将比2020年发布的版本大打折扣。特斯拉目前生产的4680电池能量密度仅为265Wh/kg，比行业预测的330Wh/kg低了近20%。配备这种电池的Cybertruck最大续航里程仅为547公里，远低于此前800公里的目标。

从4680电池发布至今，特斯拉三年时间只完成了原定目标的1/3，量产了工艺更简单的干法石墨负极，但是有更难的干法硅负极和正极。

从残酷的商业竞争来看:缓慢，有时难以接受。特斯拉的产品节奏被打乱了。特斯拉的新车在本该乘胜追击的时刻却出了好几年档。

从技术演进的角度，特斯拉为整个行业探索出了一条路:4680电池统一了大型圆柱形动力电池的尺寸标准；目前，当代安培科技有限公司和其他电池巨头也开始探索干电极技术，将这一技术概念扩展到电池隔膜和其他组件。4680电池可能正在推动动力电池制造的一场技术革命。

标题图来源:特斯拉X账号

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