特斯拉4680电池，为什么难产？
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。
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。
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”。
第一个难题是流程改造。
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。特斯拉的产品节奏被打乱。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。
