於無聲處聽驚雷——Tesla 汽車的電動復興之夢(上)

這是一家業務獨一無二的公司,這又是一家生產最廣泛用途產品的公司。這家公司誕生 10 年,燒掉超過 10 億美金,歷史上一直在大幅虧損,直至最近一個季度才開始微幅盈利,但這家公司的市值已經超過 100 億美金。這並不是一家網路公司,它就是以生產電動車為主營業務的 Tesla 汽車公司。
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編按:本文轉自 〈 於無聲處聽驚雷——Tesla 汽車的電動復興之夢 〉,作者為「Teslafans」,發表於中國財經社群網站「雪球」,Inside 獲作者授權轉載。

原作者注:原文最早成文於 2013 年 3 月 24 日,後幾經拖延證券市場周刊作為封面文章發表在 2013 年第 17 期。以上雪球全部零散發表過,先集結修改下估值方面重新貼一遍。

引言

這是一家業務獨一無二的公司,這又是一家生產最廣泛用途產品的公司。這家公司誕生 10 年,燒掉超過 10 億美金,歷史上一直在大幅虧損,直至最近一個季度才開始微幅盈利,但這家公司的市值已經超過 100 億美金。這並不是一家網路公司,它就是以生產電動車為主營業務的 Tesla 汽車公司。

電動車的歷史

鮮為人知的是,電動車並非是一個新鮮事物,準確地說電動車誕生得甚至比內燃車還要早的多,歷史上公認的第一台內燃車由德國工程師 Carl Benz 1885 年在曼海姆發明。而電動車誕生在 1832 年到 1839 年之間,當時由蘇格蘭人 Robert Anderson 發明了使用一次性電池的汽車。在 1888 年兩者幾乎同時進入商業化的進程,第一次電動和內燃汽車的戰爭開始了。

19 世紀 90 年代後期和 20 世紀初的這段時間裡,儘管最高速度慢一些,但電動車由於具有無需換檔,直接啟動等很多先天性的優勢,發展居於優勢地位。1911 年的紐約時報這樣寫道:「與燃油的內燃車相比,電動車無疑是更理想的交通工具,它既清潔又安靜,關鍵的是還可以省不少錢。」

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在 1912 年,電動車賣 $1750(大致相當於現在的 42,000 美元),而內燃車只需要不到一半 650 美元(今天大約 $15000),但是當時汽油相當昂貴,總體擁有成本相差並不大。所以儘管電動車的價格較貴,電動汽車的銷量還是在 1912 年達到頂峰,當年美國和歐洲電動車的保有量大約 5 萬輛,占了整個汽車數量的 40%,而內燃車只有不到 22% 左右的市佔率。(剩下的是蒸汽驅動的車輛)。到了 20 世紀 20 年代,隨著遍布全球的石油大發現,汽油的價格很快降到大眾可以負擔得起的水平,新的道路、加油站等基礎設施如雨後春筍般湧現。內燃車可以跑得更快更遠的優點吸引了大眾的注意,火星塞、消音器的發明也讓內燃車駕乘變得更為簡單舒適。電動車的全盛時期過去了,又過了十年,全世界的電動車產業事實上已經完全消失了。

之後將近一個世紀的漫長歲月裡,由於石油危機和污染問題,催生了一些電動車需求,但新的實用電動車產品依然是寥若晨星。值得一提的產品只有登月用到的月球車,剩下的商業化電動車對於續航能力不足和價格昂貴這兩大痼疾也無計可施,沒有一款有能力向內燃車的地位發起挑戰。這一狀況一直持續到 20 世紀 90 年代。

經過一個世紀的發展,電動機相對於內燃發動機而言擁有了更大的比較優勢,採用電動機驅動的汽車在同等功率下動力輸出更加強勁,能源效率更高,可以說非常適合如今城市駕駛頻繁起停的工況。另外電動車的結構簡單,無需傳統意義上的變速箱、傳動系統、離合器,也不用機油,從而故障率低也大大降低了保養維修的成本。但是 1990 至今的復興進程,雖然幾乎每個汽車廠商都推出了一些電動車型號,可是從通用的 EV1 到日產的 Leaf,至今沒有一款車獲得主流大眾市場的認可,究其原因,是有兩個因素拖了電動車發展的後腿:電池和充電基礎設施。

電池和充電基礎設施的問題

1912 年流行的使用鉛酸電池的電動車僅能行駛 30-50 公里,續航能力不足的缺陷現在有一個非常形象的專有名詞叫做里程焦慮(range anxiety),事實上,內燃車也不可能完全避免里程焦慮,當你車裡的油燈亮起,附近 60 公里又找不到加油站的情況下就可以體會到這種心理狀態。但畢竟經歷上百年的發展,加油的基礎設施在多數地區已經相當完善了。

電動車如何克服裡程焦慮這個問題的答案其實是顯而易見的:首先提升單次充電下汽車的續航能力,內燃車加滿油箱可達裡程通常在 400-600 公里之間,而現在銷量最好的日產 Leaf 只有不到 200 公里的續航,超過 300 公里續航能力的電動車鳳毛麟角;其次加強充電站充電樁等基礎設施建設,理論上講充電的基礎設施是最多的,但是不改造供電動車直接充電的實用價值並不大;最後縮短單次充電所需時間,內燃車單次加油算上排隊時間一般也在 15 分鐘以內,而現在電動車的充電進程動輒需要數小時。

解決里程焦慮的答案並不難尋找,不過怎麼實踐卻是一個困擾了電動車發展一個世紀的難題,解決這個難題的核心毫無疑問在於電池的進步。

我們的生活絕對離不開電池,從形形色色的電動玩具工具到汽車裡面的 12v 蓄電池,從各種智慧型手機、筆電 PAD 到衛星國際太空站上的高密度蓄電池,電池的應用已經無處不在。儘管電池的應用已如此的廣泛,但是電池發展的進度和個人電腦,網路這些科技革新進化的速度相比卻相形見拙。

用作汽車的動力電池有兩個核心的指標:一個是能量密度,另一個是使用壽命(包括循環和日曆壽命)。如果電池的發展也存在類似晶片業摩爾定律這樣規律的話,那麼如鋼鐵人的戰衣,變形金剛的能量塊這樣許多科幻電影中的場景完全可以在現實生活中出現,不幸的是電池現在還是人類文明發展的一大制約。我們回顧電池的歷史就可以發現,從早期的鉛酸電池到現在應用最廣泛的鋰離子電池,能量密度僅僅提高了 7 倍多。壞消息是電池的發展是百年來是如此緩慢,摩爾定律真的不存在。好消息是大部分發展我們是在 1990 年以後鋰離子電池工藝突破(Sony 公司率先克服枝晶(arborescent crystal)難題)取得的。

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正如電容觸控螢幕技術出現後才有可能製造普及的智慧型手機一樣。如果要達到類似內燃車的 500 公里續航的話,按照每千瓦時行駛 5.5 公里計算(EPA 平均數據),電動車需要存儲 90 千瓦時(度)的電量才能滿足。採用整車 2 噸作為上限,其能量密度最少要達到 200wh/kg 以上的電池才能勉強符合電動車的要求,從上圖可以看出,鋰離子電池已經在 2005 年前後跨越了這一門檻,電動車終於在續航能力方面有了向內燃車正面挑戰的資格。

當然用作動力電池並非僅僅是能量密度提升這麼簡單,還涉及到使用壽命、安全性、性能、成本等重要參數。技術出現重要里程碑之後,各大汽車公司均投入了一定精力用於研究可用作電動車的動力電池。以下是幾種常見的用做動力電池的鋰化合物材料:

錳酸鋰(LiMn2O4):

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錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優點,能量密度尚可,是比較理想的動力電池正極材料,但其較差的循環性能及電化學穩定性卻大大限制了其產業化。不過近年來通過表面包覆和摻雜結合的改性手段來提高錳酸鋰的電化學性能,這方面的進步很快。目前已有雪佛蘭 Volt、日產 Leaf 採用這種電池技術路線。

磷酸鐵鋰(LiFePO4)

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磷酸鐵鋰主要的優點在於安全性良好、熱穩定性不錯、高放電功率、可快速充電且循環壽命長。不足之處主要是振實密度和比能都低從而體積較大重量偏沉,低溫性能也較差,另外生產工藝也不太容易保持材料的一致性。目前使用這種技術路線有比亞迪的 e6 和菲斯克的 Fisker Karma。

鎳鈷鋁鋰(LiNiCoAlO2)

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鎳鈷鋁鋰也叫 NCA,這種材料在能量密度、功率系數和使用壽命上可以說是理想的動力電池,不太討人喜歡的主要是安全性和成本,但是用作小電池安全性的提升相當大,成本高主要是因為生產工藝要求比較高,在主流廠家穩定工藝量產後成本可以得到進一步控制。 Tesla 的 Model S 正是透過和松下的合作,深度定製了這種電池。

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)

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鈦酸鋰是用作負極材料的,其低溫性能和使用壽命都極佳,而且可以快速充放電,安全性也非常好。問題就是能量密度實在太低,成本也實在太高,所以比較適合增程式電動車,三菱的 i-MiEV 就採用了這種技術路線。

需要強調的是汽車動力電池的安全性是一個系統工程,任何鋰離子電池本身的安全性能只能提供一定程度保障,百萬分之一(ppm)爆噴率都遠遠不夠汽車級的安全要求,因此電動車設計時就要防止出現熱失控、刺穿、短路等意外。整體安全性設計的概念非常重要也並非容易做到,以上的車型沒有出現過著火事故的,只有日產的 Leaf 和 Tesla 的 Model S,儘管兩者都不是應用了標榜安全的正極材料,但都採用了嚴格的方法來保證安全性,所以目前驗證反而是最安全的。

另外值得一提的是動力電池還有一條技術路線燃料電池,燃料電池雖然不存在能量密度的問題,但是需要使用貴金屬做催化劑使得成本很難控制從而不具經濟實用性。另外一方面加氫這種基礎設施建設的成本和難度更甚於一般的充電站或是加油站。按照正常邏輯推算,未來 10-20 年內可能幾乎沒有什麼實用意義。

鋰離子電池的電化學革新本質上依賴於材料科學的進步,如今能量密度正以每年約 5-7% 的速度提升,在矽系負極、固態電解質、鋰硫、鋰空、鋅空等新技術的輪番衝擊下,根據預測能量密度有望在 2020 年達到 400wh/kg 的高度,價格可能會下降到每千瓦時 200 美元左右,從而使得電動車在和內燃車同等價位下裝備足夠電量徹底克服里程焦慮。

沒什麼特殊意外的話,透過對電池的分析,可以看到時代正處在電動車即將大發展的十字路口,為了搶占歷史機遇,各國紛紛定訂政策鼓勵電動車發展,並且爭先恐後的制定了充電基礎設施的標准,美國是 SAE J1772,日本是 CHAdeMo,歐洲還在 IEC 62196 的框架內努力尋求統一標準,而中國尚無相應標準。

如果當下真的是這樣的歷史性十字路口,相信一定能夠看到里程碑式電動車產品的出現,遍搜寰宇,目前擁有能接近內燃車的行駛里程——480 公里續航,最短充電時間——半小時充 70%,一小時充滿這樣的唯一一款電動車正是來自於 Tesla 汽車公司的 Model S。

>>於無聲處聽驚雷——Tesla 汽車的電動復興之夢(下):Tesla 的故事


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