什麼是Tesla的核心事業?為什麼Tesla如此重視電池研發?

在回答這些問題之前,我們必須先回顧Tesla電動車策略為:(1)開發跑車(例如,Roadster);(2)用該跑車吸引投資(例如,分別獲得Toyota與Daimler策略投資),用這些錢製造一輛經濟實惠的電動車(例如,Model S);(3)用這些錢(自由現金流量),製造更實惠的汽車(例如,Model 3);(4)在做上述(1), (2) and (3)的同時,提供零排放電力產出的選擇(最終目標)。

由此來看,實現每一個階段的關鍵便是提供一款毫不妥協的電動車。Model 3可以說是代表Tesla發展的第三個里程碑,也是肩負改變大眾消費能源的開始;因此,Model 3需要成為Tesla取得主要銷量與市場佔有率的車款,同時也是讓Tesla擴大競爭優勢的基礎。

為了讓Model 3系列(例如,Model Y)以及之後的車款售價更加大眾化,同時也要讓Tesla在汽車市場影響力大增,Tesla會更加重視Model 3與Model Y成本的管理,如此才能成就Tesla的核心事業,提供零排放的電力能源 — 一個可持續發展的解決方案(a sustainable solution)。

從追求創新到重視成本

雖然Tesla以創新汽車產業聞名,但是Tesla在Roadster開發過程中,便已經意識到不可以過份注重技術細節與完美設計。接下來,在Model S與Model X的研發,Tesla已經蛻變為同時講究創新性能與成本管理的一家公司。到目前Model 3與Model Y,Tesla則是更加重視可行方案的執行管理。

Tesla很快地走到成本控制這個階段,所以,目前Tesla格外重視納入新的中國供應商名單,這也代表著Tesla從美國垂直整合(vertical integration)到中國垂直分工(vertical disintegration)策略的轉變。

這個階段的Tesla積極尋找各種可以降低成本的零組件與適合的解決方案,持續在簡化車體架構與生產流程,可以說是融合了矽谷科技公司追求創新的特性,以及傳統車廠重視生產成本的能力。

與Apple一樣,Tesla做的是實用性研發,目標是向市場推出對的產品;所以,Model 3與Model Y已經不像Roadster那樣奢華與精緻,反而承繼了簡單與實用的特點。這讓我們更加確信,Tesla的策略始終環繞在推廣可持續發展的解決方案,而且正以產品是第一生命力,價格就是第二生命力的行銷方式,來成就這個理念。所以,Tesla會更為專注在電動車成本最高的電池芯(cell)(並對環境無毒)的研究發展與成本管理。

深度涉入電池芯領域

目前,Tesla在電池供應鏈方面部分仿照Apple的供應鏈管理,這將讓Tesla的供應商都將遵循一個原則,那就是Tesla將完全主導主要零件,如同Tesla與Panasonic共同建置電池芯生產線,Tesla正將製造的價值活動內部化以方便控管成本。

Tesla目前有三家電池芯供應商,包括Panasonic、LG Chem與寧德時代新能源科技(Contemporary Amperex Technology Co., Limited; CATL)。

Tesla與Panasonic合作關係長久,Tesla認為其電池性能優異,有利於電動車的推廣,但因為2018年電池芯產能瓶頸,在電池供應鏈的安全考量下,讓Tesla決定在Gigafactory Shanghai增加供應商LG Chem與寧德時代。在此同時,Tesla不排除再加入新的電池供應商。

此外,2020年12月由LG Chem獨立成立的LG Energy Solution已開發NCMA四元鋰電池(NCMA battery)(以鎳、鈷、錳、鋁四種金屬作為陽極材料),可望同時降低成本、提升電池的安全性與續航力。LG Energy Solution並將於2021年下半年後開始供貨Tesla Model Y。

不過,Tesla從來沒有放棄自己研發電池,因為這是成就Tesla核心事業的重要關鍵,這一點可以從2019年2月併購Maxwell Technologies(Maxwell)更加確定。在Maxwell的超級電容器(supercapacitor)與乾電極(dry electrode)技術下,理論上可以顯著提高電池的續航時間,並擴大降低生產成本,我們認為這將成為Tesla自行研發電池芯的突破點之一。

新電池芯的設計

Tesla與Panasonic共同研發的電池芯架構4680,由於tabless 架構(tabless architecture)的設計,電池芯體積可以放大到是目前2170電池芯的5.48倍,未來將主要運用在Model 3與Model Y。

整體而言,4680電池芯單顆電量變為5倍,續航力增加16%,功率變為6倍。4680電池芯功率的增加,對於後續需要更大功率的產品,例如,Tesla Semi,是很重要的進展。

另一個重點是,因為使用更少的鋼材,意味著組裝更加容易,所以,4680電池芯的設計更適合大規模生產,因此,電池成本與投資金額分別可以明顯下降14%($/kWh)與7%(per GWh)。

電池芯與汽車的整合

車身的壓鑄是Tesla研究很久的技術。

目前Model Y的後車身便是由兩大塊壓鑄件所構成,未來很快會變成單一鑄件,這樣做不但可以降低後車身原有成本的40%,而且減少79項零件。而不久的將來,前車身也將會是一整塊巨大的壓鑄件。因此,當前後車身都將採用新型鋁合金(novel aluminum alloy),Tesla將讓結構化電池組(structural batteries)成為有效地成為連接兩端的底板。

在將電池視為結構的一部分時,Tesla透過將電池包裝在一起並用環氧樹脂(epoxy)包圍,從而創建了一個非常堅固的單一結構,並讓冷卻劑分佈在電池組下方。這樣的結構化電池組設計,同時提供動力和結構剛性,可以視為是一大創新。

同時,透過前後車身這兩塊巨大壓鑄件,以及重新設計的結構化電池組構成了車身的基本架構,不但大幅降低成本10%($/kWh),而且零件可以減少370項。

整體而言,Tesla預估電池組與汽車的整合可以降低7%($/kWh)電池成本,增加14%續航里程,以及降低8%投資金額(per GWh)。

電池芯工廠生產線的改良

Tesla的電池芯工廠(cell factory)生產線(assembly line)從印刷與製瓶工廠獲取靈感。Tesla目前正著手運用併購自Maxwell取得的乾電極技術,應用在電池芯生產中最重要的製程 — 電極(electrode)製程,以取代目前主流的濕式工法(wet method)。這個新的乾式製程(dry process)可以同時節省10倍的能源消耗與廠房佔地面積。

在併購Maxwell後,Tesla持續改進設備,目前已到第四代乾塗層設備(dry coating machine)。根據Tesla,目前已經到了可以試產的階段,但是產能還不高,需要等到第六代或者第七代之後才能夠大規模量產。

根據業界的訊息,我們認為Tesla至少需要3年的時間,才能打造好全部的電極產線並進行大規模量產,雖然Tesla本身十分樂觀預期每一代改良僅需3-4個月。

當產線佈建完成後,預期可以讓一條產線每年生產20GWH的產能(line output),相當於原有產能成長7倍。所以,在電池芯工廠產線的改革上,Tesla預期可以做到整體投資額減少75%,並將產能提升7倍,因此,在2022年電池芯成本與投資金額可以各別下降18%($/kWh),以及34%(per GWh)。然而,針對這個部分,我們並沒有過於樂觀,並且預估實現的時間點應為2024年。

整體來看,Tesla目標是在2022年自製電池的產能可以達到100 GWh(我們預估為2024年),到2030年達到3 TWh(對照這個時間點,我們認為在2030年到2035年間是有可能發生的)。

陽極材料的解決方案

目前鋰離子電池陽極材料(anode materials)以石墨(graphite)為主,Tesla計劃使用高效冶金級矽晶體 (more-efficient metallurgical grade silicon crystals)取代石墨。

這不是Tesla創新的方法,目前已經有許多人提出使用矽(silicon)取代石墨的方案,來避免鋰離子通過矽時,導致矽膨脹的問題;現行主要解決方案包括:(1)用SiO玻璃包覆矽(silicon structured in SiO glass)(成本為US$6.6/kWh)、(2)用石墨包覆矽(silicon structured in graphite)(成本為US$10.2/kWh)and (3) 矽奈米線(silicon nanowires)(成本超過US$100/kWh)。

Tesla自己研發的方案,稱為Tesla silicon,成本預估為US$1.2/kWh,主要是透過在矽外部增加彈性離子聚合物塗層(elastic, ion-conducting polymer coating),以穩定矽表面結構,此舉可以提升電池穩定性與安全性。Tesla預期三年內會達成這項目標(根據合理的開發時程,我們認為時間點會落在2025年前後),雖然整體成本僅降低5%,以及減少投資金額4%(per GWh),但是最重要的是,這方面材料的提升可以增加20%的續航里程。

陰極材料的研發

Tesla在陰極材料(cathode materials)研發的解決方案,是以鎳(nickel)取代昂貴與有道德問題的鈷(cobalt),並在鎳添加新型塗層與摻雜劑,以維持穩定性。Tesla預估可以帶來15%的成本降低($/kWh);可惜這項技術還在研發階段,我們目前仍無法看到商業化的時點。

所以,現階段Tesla的權宜之計是透過三層方式(three-tiered approach)來實現多樣化陰極解決方案(diversified cathode approach):(1)中價位的汽車與儲能裝置(energy storage products)為鐵基(iron based)材料;(2)續航力需求較高的汽車與儲能裝置採取鎳/錳組合(nickel/manganese combination)材料;以及(3)滿足最高續航力需求的汽車則是為鎳含量高(high nickel content)材料,例如,Semi與Cybertruck。

其次,Tesla還著眼於陰極製造加工(the cathode manufacturing processing),因為在陰極材料的製造成本上,以目前比例來看,分別是鎳35%、鋰25%、鈷5%與製造加工35%。Tesla認為在製造加工的改善,能夠得到顯著的成果,例如,可以降低66%投資與76%製造損失,而且為零廢水。

當完全達成上述目標後,整體而言,成本可以下降12%($/kWh),續航里程則會增加4%,以及投資明顯降低16%(per GWh)。

這項改善未來將被Tesla廣泛應用在回收電動車與儲能裝置的電池。我們預估開始試產的時間點為2025年,但是完成全部產線與供應鏈的時間至少需要三至五年,才能讓Tesla可以開始回收各種金屬(鎳、鋰、鈷)後再製成新電池。也就是說,Tesla計畫從礦產開採、製造電池、電池回收,以及再製新電池,這套自己建置的能源系統,落實時間可能會在2030年前後。

所以,在這些計畫下,Tesla甚至準備利用現存於所有的北美資源(包括鎳與鋰),在Gigafactory Nevada附近建立專屬的陰極供應鏈與生產線,這將可以大幅減少原物料運輸里程80%。值得注意的是,Tesla預估當電池達到了20 TWh的產能供給後,這個能源系統便能達到永續的目標,不必再開採新的礦產;此時便能成就Tesla核心事業的最終目標,提供一個持續發展的解決方案。

我們的評論

所以,Tesla的成本縮減策略環繞著電池芯的研發與應用。

雖然Tesla相對樂觀,讓我們必須根據技術實現化的發生時點略作調整,但是Tesla在這方面的策略仍然值得每個人注意。

首先為2021年下半年的4680電池芯架構的推出,其次為2022年結構化電池組與車身壓鑄的整合,再者為2024年電池芯工廠產線的佈建,2025年的陽極材料解決方案,以及陰極材料的研發與能源系統建置(可能延至2030年)。

概括來說,根據預測,Tesla在2022年便可以享受到成本降低21%($/kWh),續航力提高30%效益,以及投資節省15%(per GWh)。在2024年,成本將繼續下降,Tesla可以獲得額外18%成本縮減($/kWh)以及降低投資34%(per GWh)。也就是在四年間,Tesla可以有39%成本降低($/kWh)、 30%續航力提升,同時49%投資節省(per GWh)。

雖然陽極與陰極材料的研發難度較高,加上上游原物料至下游電池生產的能源系統建置,這些都是目前被質疑較大的開發項目,而且Tesla在某些時間點的預測上也遙遠領先於我們的預測時點。

目前沒有人知道Tesla的成本($/kWh),然而,根據Panasonic, LG Energy Solution與寧德時代的成本,Tesla應可享有低於市場平均成本25%,我們推估2020年Tesla成本為US$120/kWh。隨著成本在2022年可以縮減21%,2024年可以縮減39%,2025年可能因為新陽極材料的採用而再縮減5%,總成本一共可以降低44%($/kWh),預期Tesla在2022年、2024年與2025年成本為$95/kWh、$73/kWh與$67/kWh。

值得注意的是,Tesla在2022年$95/kWh就已經低於內燃機汽車的$100/kWh成本,2024年與2025年更明顯擴大差距。在陰極材料研發與能源系統尚未發酵下,Tesla的電動車便已經極具競爭力,這可以帶動相當規模的市場發展,我們認為這正符合我們所預測,2030年將是電動乘用車超越內燃機乘用汽車的臨界點

我們無意為Tesla的策略進行辯護,但是關於Tesla在電池芯領域的各項降低成本計畫,除了預估時點相對積極外,我們的確發現Tesla的行動與我們預測的產業趨勢相當一致,因為Tesla正在做一個提供持續發展解決方案的領導者必須做的事。