特斯拉超級電池工廠的成敗攸關之年

● 終於，特斯拉的鋰離子電池將要從超級電池工廠下線了，但它會給特斯拉帶來豐厚收益嗎？

3年前，特斯拉汽車公司宣布了建設超級電池工廠（Gigafactory）的計劃，這個鋰離子電池工廠橫亘在美國內華達州斯帕克斯市外炎熱的丘陵上。此前，從未有人提過與此類似的建議。特斯拉首席執行官埃隆?馬斯克（Elon Musk）宣稱，該超級電池工廠將成為世界上最大的建築物，佔地面積相當於107個美式足球場，每年生產的鋰電池產能至少是35千兆瓦時，超過2013年全球鋰電池產能的總和。

「這個超級電池工廠必須很大，因為這個世界很大。」馬斯克在2015年7月表示。超級電池工廠將使電池比以前更便宜，電池價格的下降反過來刺激電動汽車銷量的上漲，這將極大降低各地的石油消耗量。

超級電池工廠允諾推動鋰電池迅速達到前所未有的規模，這成為清潔能源產業變大變強的象徵。建設超級電池工廠的設想同時也轉變了汽車製造業和儲能產業的發展路徑。相互競爭的汽車製造商在電動汽車研發方面的投入加倍，儲能企業則增加電池產量並降低電池價格。根據能源市場研究公司Navigant Research的分析，特斯拉的推動是2017年電動汽車電池銷量預計增長60%背後的主導因素。

超級電池工廠沒有生產一塊單獨的電動汽車電池就做到了這一切，不過這種情況即將發生變化。在接下來幾個月的時間裡，完全內部生產的首個電池包將在流水線上完成裝配。到年中，超級電池工廠將需要每秒為特斯拉Model 3汽車生產75塊鋰離子電池，Model 3是特斯拉備受期待的一款大眾電動汽車。超級電池工廠還需增加「電力牆」（Powerwall） 和「電源組」（Powerpack）的產量，這是特斯拉為住宅、商業和實用程序開發的儲能系統。為了持續滿足訂單需求，超級電池工廠必須在2017年內達到35千兆瓦時的年產能。簡而言之，超級電池工廠必須在2017年從人們崇拜的偶像變成高效的大規模生產商。

超級電池工廠仍然還是一個進展中的工程。固定存儲單元已經在那裡組裝，但用的是進口的電池單元。據特斯拉稱，到2016年底超級電池工廠開始批量生產。但是，特斯拉在超級電池工廠項目上的合作夥伴日本松下公司告訴IEEE Spectrum雜誌說，其實他們能保證的開始批量生產的最早時間是2017年4月。

「特斯拉還要證明很多東西，」馬克?穆羅（Mark Muro）說，他是位於華盛頓的智庫布魯金斯學會裡研究製造業的高級研究員，「他們在一個很短的時間架構下嘗試新穎的流程，並聲稱能夠重塑製造業和其他一切。他們投入了很多東西在這上面，這是一場豪賭。」

對特斯拉而言，投資電池製造業是必要的行為。當其他汽車製造商依賴專門為電動汽車設計的袋狀鋰離子電池時，特斯拉使用和筆記本電腦電池相同的18650型圓柱形鋰離子電池來充當其首批電動汽車的電源。這些電池是向松下公司購買的。如果特斯拉只生產高端電動汽車，比如Model X和Model S車型，那麼這個方法是可行的。若要盈利，特斯拉需要開拓售價3.5萬美元的Model 3車型的大眾市場，而且每年需至少生產50萬輛。Navigant Research公司駐底特律的高級研究分析師薩姆?阿布爾薩米德（Sam Abuelsamid）說，電池供應商不可能保證這個規模的電池供應，除非特斯拉自己也參與其中。

2017年年中，特斯拉汽車公司的超級電池工廠將開始為特斯拉Model 3汽車每秒生產75塊鋰離子電池，Model3是特斯拉備受期待的一款大眾電動汽車

特斯拉和松下合作建設的超級電池工廠正是做這個事情。鋰電池巨頭松下公司帶來了專家、供應鏈和資本，在50億美元的項目總投資中貢獻了16億美元。據報道，內華達州政府為特斯拉提供了價值13億美元的獎勵措施。其餘投資來自特斯拉。

超級電池工廠體現了垂直整合的願景，原材料從一端進入，完成的產品從另一端出去。一切工序都從電池自動生產流水線上開始，這條流水線屬於松下公司並由其操縱。在那裡，活性粉末與一種液體混合形成漿料，然後塗覆在金屬箔上形成陰極和陽極。金屬箔和多孔隔膜一起捲成圓柱狀，並裝滿用鋰離子導電的電解液，然後加上電池蓋帽就成為了一塊電池，看起來就像大號的AA電池。

在特斯拉的超級電池工廠，成百上千的電池與電子元件和冷卻系統一起封裝，成為一個完整的電池組件。Model 3的電池包將被運往加州弗里蒙特的汽車工廠，而Powerpack和Powerwall則直接投放市場。

在特斯拉讓其超級電池工廠運轉起來的3年間，特斯拉的競爭者們也沒有停滯不前。阿布爾薩米德說，超級電池工廠讓經濟實惠的Model 3看起來快要成為現實了，這迫使汽車製造商大鱷們拿他們自己的大眾市場電動汽車與目標續航里程346公里的Model 3較量。一些與之競爭的電動汽車已經或者很快將擺放在展廳，其中領頭的是通用汽車公司續航里程383公里的雪佛蘭博爾特電動車，起價37 495美元。現代和福特也有望在2017年，尼桑和大眾有望在2018年，推出續航里程長的大眾市場電動汽車。

不斷升級的電動汽車浪潮反過來促使電池研發和製造業的提升，不僅日本的松下如此，韓國的LG化學和三星集團、中國的比亞迪也是如此。與此同時，價格戰則導致電池價格大幅下跌。波士頓一家關注可再生能源行業的市場研究機構GTM Research的儲能總監拉維?曼加尼（Ravi Manghani）指出，自從2014年以來，一些固定存儲系統的成形電池包價格就從每千瓦時400美元下降到200美元以下。類似的價格下跌也衝擊了汽車市場，通用汽車公司表示，他們以每千瓦時145美元的價格向LG 公司購買了2017年的博爾特電動車電池包的電池。

超級電池工廠帶來的最大影響可能還是對它自己。2016年4月，在特斯拉揭開Model 3設計的神秘面紗後，將近40萬份預訂單就蜂擁而來。一個月後，馬斯克鄭重宣告，特斯拉會在2017年至少完成其中10萬份訂單，從7月開始生產，然後在2018年生產出50萬輛電動汽車。因此，工廠要在2017年達到35千兆瓦時的電池產能，比原定計劃提前了兩年。

據特斯拉說，超級電池工廠的地面將比類似的設施對空間的浪費更少，電池的產能增至3倍。這張照片攝於2016年7月，當時超級電池工廠正式開工，但沒有開始全規模生產

進展如此迅速的理由很充分：特斯拉將很快失去聯邦補貼。在一家製造商賣出第20萬輛電動汽車之後的18個月內，每購買一輛電動汽車所享受的7 500美元的美國聯邦所得稅抵免將逐漸降為零。特斯拉將先於其競爭對手在2017年達到這個臨界值。而且不像其他汽車製造商可以拿傳統汽車和卡車的利潤補貼其電動汽車，特斯拉專售電動汽車。

電池仍然是電動汽車最昂貴的部件。特斯拉一開始就宣稱，在Model 3投產的第一年內，超級電池工廠將使每千瓦時的電池包成本下降超過30%。但是超級電池工廠是否能提供電池成本上的競爭優勢，還是一個未決問題。Navigant Research估計，通用汽車公司的博爾特電動車每60千瓦時的電池成本為16 200~16 800美元。阿布爾薩米德推斷，Model 3每55千瓦時的電池成本會在13 000~16 500美元之間。

馬斯克吹捧了超級電池工廠的規模效益。但是，專家們對於大規模生產電池的好處並不那麼樂觀。卡耐基梅隆大學關於電動汽車電池生產的新研究考慮了影響鋰電池生產的一系列因素，包括安裝和操作機器的成本、勞動力、生產周期和意料外的停工時間。研究者們對袋狀鋰電池和受到特斯拉青睞的圓柱形電池進行了對比研究，發現其規模效益趨近於1千兆瓦時，而松下和其他電池生產商早已達到了這種體量的規模效益。博士生麗貝卡?謝茲（Rebecca Ciez）指出：要達到超過1千兆瓦時電池容量的規模效益，你只需建立多個並行生產程序就行。使用更大型的生產機器並不能節省成本。她跟隨卡耐基梅隆大學的工程學教授、儲能電池設計和製造商阿奎昂能源公司的創始人傑伊?惠特克（Jay Whitacre）一起領導了這項研究。

俄亥俄州立大學汽車研究中心主任喬治?里佐尼（Giorgio Rizzoni）也認為規模效益是有限的，並且說卡耐基梅隆大學「對於這個規模效益的上限，建立了一個可信的分析模型。」里佐尼指出，創新的生產方法、廢棄物減少、電池和組件組裝的垂直整合都可以降低超級電池工廠的成本。

但是準確地說，大幅度的成本降低來自哪裡呢？比如，松下就說其超級電池工廠的機器與其他鋰離子電池生產所用的機器並無區別。馬斯克和特斯拉首席技術官施特勞貝爾（J.B. Straubel）盛讚了沒有浪費空間的工廠布局。施特勞貝爾說：「工廠每層上的所有東西基本上幾乎都是互相緊挨著的。」他們說，結果是超級電池工廠的產能增至3倍。

但是，每平方英尺更大的產量可能對電池成本的下降並無太大裨益。在卡耐基梅隆大學的分析模型中，工廠因素只佔到了電池成本的大約3%。一些專家告訴IEEE Spectrum雜誌，更緊湊的空間布局會導致機器設備更難維修和更換，實際上對產品的產量和生產線利用反而有害。

而超級電池工廠的垂直整合有可能遺漏了所有因素中最大的成本下降因素：電極材料的生產。卡耐基梅隆大學的謝茲指出，鎳鈷鋁氧化物和鎳錳鈷粉末的供應商命令大幅提高售價。特斯拉拒絕對超級電池工廠是否將生產這些粉末作出評論。

埃隆?馬斯克欲在全球布局超級電池工廠，2017年是成敗攸關的一年

布魯金斯學會的穆羅說，超級電池工廠的勞動力可能也是一個挑戰。特斯拉已經承諾在本州僱用超級電池工廠預計6 000名員工中的一半。穆羅說這一點很難做到，他與人合著的在2014年發表在《內華達經濟報》的一份報告認定，內華達州的科學、技術、工程和數學教育中存在著「熟練度危機」。

看上去確實有可能降低成本的一個舉措與超級電池工廠沒多大關係，反而與松下電池的設計有更大的關係。他們將常用的18650型鋰電池（型號18650指直徑為18毫米、長度為65毫米的圓柱形電池）加長了3毫米，直徑加寬了5毫米。卡耐基梅隆大學估計，大一些的設計版式以及粘稠的電極材質能使電池的成本下降大約25%。但是卡耐基梅隆大學的研究還表明，通過對袋狀電池進行類似的處理，電池的成本還可能下降更大。通用汽車公司就已發話說：其博爾特電動車的電池成本到2020年有望降至每千瓦時100美元。

與此同時，Model 3是否將在2017年中準備好上市還不確定，錯過預定日期堪稱特斯拉的傳統。2015年8月《華爾街日報》的一篇分析文章發現，過去5年中，特斯拉沒能完成的馬斯克親自製定的計劃有20項，而且其他目標「幾乎平均每年」有10個沒能達成。Navigant的阿布爾薩米德預測，Model 3將比計劃的上市時間推遲1年。

Model 3若不能如期上市，可能導致特斯拉囤積大量的電池。儘管松下與特斯拉合作協議的細節是保密的，但是特斯拉最新一個季度的報告承認，特斯拉承諾購買超級電池工廠生產的17億美元的電池，抵消了松下在超級電池工廠投資的16億美元。

這些電池一部分將用到Powerwall和 Powerpack上。效用尺度的Powerpack已經在不斷擴大的市場中贏得了大量訂單。南加州愛迪生電力公司的一所變電站正在安裝的1個80兆瓦時的Powerpack系統，是目前世界上最大的鋰離子電池儲能項目。特斯拉最近推出的太陽能屋頂將提升家用尺寸的Powerwall的銷量。但是鋰儲能對大多數房主而言還是太過昂貴。GTM Research的曼加尼指出：「要得到住宅區一定程度的採用，成本就必須降到目前的一半甚至1/4。」

在所有這些不確定因素中，有一點是確定的：可能真會出現不好的結果。馬斯克和他的各個合資企業已經捉襟見肘，尤其是處理Model X的缺陷問題，這一問題導致特斯拉在《消費者報告》最新的可靠性排名中墊底；拯救最近收購的債務纏身的太陽能安裝公司SolarCity；還要為因2016年9月發射平台爆炸而陷困的美國太空探索技術公司SpaceX解決糾紛。以上這些努力只要走錯任何一步，都會受到痛苦的懲罰。

馬斯克自己已經感受到了壓力。2016年10月，馬斯克在與行業分析師們的一次盈收電話會議中說，2015年去特斯拉的弗里蒙特工廠露營以及修理阻礙電動汽車生產率的「破碎」要素很可能讓我折壽一年甚至更多。在2015年7月的一篇博客中，也就是超級電池工廠開工典禮前夕，他承認自己正在做的事情很瘋狂。想到美國業已失敗的一長串汽車製造商的名單，馬斯克在博客中寫道，「創辦一家汽車公司是白痴，創辦一家電動汽車公司則是白痴的平方。」

作者：彼得?費爾利（Peter Fairley），IEEE Spectrum雜誌特約編輯，20年來一直致力於跟蹤報道能源技術及其對全球環境的影響，描繪了把可再生能源和電動汽車轉變為主流競爭者的工程和政策創新。

費文緒/編譯 世界科學（World-Science）