馬斯克“第一性原理”的另一面

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馬斯克“第一性原理”的另一面
卓克
2020年9月的特斯拉電池日上，他們公布了最新的4680電池。這個新聞我們曾經為大家解讀過《特斯拉新型電池：究竟提升在哪兒？》。時隔三年半，我們幾乎沒有見到什麼使用4680新款電池的車型上市。其實特斯拉的4680電池遇到了很大的生產困難。如果縱觀馬斯克的各種革新，被關鍵元件卡住3年半這麼久的時間，應該只有4680電池這一例。
今天，我們就來說說難產的4680電池和那個膾炙人口的“第一性原理”。
在三年多前的發布會上，4680電池只是PPT上的存在，預計會在2021年正式量產。2022年的時候，在德州和加州的2個工廠確實小批量地生產了一些，裝車在Model Y上。但這批Model Y的續航還不如之前版本的Model Y，之後就沒有再量產。而這款電池量產的失敗，也導致特斯拉後續幾款車型推遲，比如那個皮卡Cybertruck、電動卡車Semi，還有更加廉價的車型Model 2。
4680電池的難產和馬斯克的第一性原理工作法則密切相關。這個電池最革新之處并不只是把傳統電池的兩個極耳改成了上百片極耳，當然，特斯拉從營銷角度把這個改進說成是“無極耳”，更是因為特斯拉要砍掉傳統鋰電池生產工藝的步驟。而經過3年半的努力，特斯拉發現，這些步驟很可能并不能砍。
下面咱們具體說說：
先說說無極耳（超多的極耳）。這麼做能優化內阻方面的性能，但生成的成本會比之前還要高。圓桶電池的結構是卷起來的，實際上，鋪平開來是3層膜：一層膜是陽極，基板的材質一般是銅；一層膜是陰極，基板的材質基本是鋁；陽極陰極上面還分別附着石墨和鋰化合物；還有一層夾在中間，是隔離層，這層是潮乎乎的，因為有電解液。
3層摞在一起，然後把它們卷成卷——陽極接出一根引線，這個引線就叫做極耳，和電池的負極焊接在一起。陰極也接出一根引線，也叫極耳，和電池正極，也就是頂部的小疙瘩焊接在一起。最後把卷紙一樣的三層膜塞進圓柱桶的鋼殼裡，正負極再固定住封死，就是一顆圓柱形電池了。
4680電池和之前用的21700電池相比，體積要大不少。這樣在容納同樣多的正負極和電解液時，附帶的其他必備零件——比如外殼、泄壓閥等等——重量占比就更少了，於是電池的能量密度就能繼續提高。
而且，同樣是80度電量的車，使用的電池節數就從原來幾千個下降到幾百個，控制電芯的難度也大幅降低。
但增加了體積後，相當於用更大的三張膜卷起來，於是電流從正極那個極耳流走長方形膜的對角線，流過整張膜，再從負極的極耳流出時，就要經過太長的距離，對應在宏觀上就是電池的內阻一下大了很多。
優化方法也很好理解：不要在一張長方形薄膜的左上方安排正極極耳，右下方安排負極極耳了。我們沿着長方形的膜的整個上邊安放幾十個正極極耳，下邊也安放幾十個負極極耳，這樣電流就不斜着走對角線了，而是從上流到下。
要知道，這個長方形的膜可是非常長的，長1米，寬才幾釐米，走對角線起碼一米多，但從上邊流到下邊只走幾釐米就夠了，於是電池內阻就這麼減下來了。內阻少，發熱少，電能就都可以傳出去做功，而不會憋在內部變成熱。
但上下兩個邊切出上百片極耳，也會引入其他問題——不僅需要額外增加工序和成本，上百片極耳的焊接也很難整齊划一，毛刺的出現更容易導致電池內部短路；而且上百片極耳搭在一起，也不能完全做到整齊划一，有的互相搭住了，有的沒搭在一起，於是一顆電池和另一顆電池的內阻就不一定樣。不一樣就會在成組後，充放電中，產生過熱的熱點，電池容量也容易不同步變化。這些都直接影響了裝車後的可靠性和安全性。
要解決極耳上的創新帶來的問題已經很難了，但馬斯克還要把問題搞到難上加難。他還要削減傳統鋰電池的生產工藝。
傳統鋰電池那3張膜的制作流程是——混料＋塗布＋烘乾＋溶劑回收＋極片軋輥＋極片模切＋極片卷繞。
簡單介紹一下這7步：
1.先把粉末狀的正極材料、液態電解質溶劑、膠水充分混合成糊糊。
2.然後塗抹在金屬箔片上。
3.拿去烘烤，把溶劑中的有毒成分和水分都蒸發出去。
4.這時正極材料已經很好附着在正極箔片上了，負極也是這樣處理。
5.然後和隔膜層疊在一起做輥軋、模切。
6.最後卷成卷，放進4680的大金屬殼體中。
7.再做最後的化成過程，也就是電池初始化的步驟。
過去幾十年來，鋰電池的制造工藝一直如此。但馬斯克認為，這裡有多餘的步驟——
既然正負極的箔片最終要得到的是烘乾後的效果，為什麼之前要把正負極粉末和那些溶劑混合、先弄溼它們呢？直接鋪在箔片上不行嗎？這就是馬斯克需要的乾法工藝。
聽懂了剛剛步驟的人也能馬上指出來馬斯克的不合理之處——先弄溼，并不是脫了褲子放屁，那是因為只有在液體裡攪拌均勻，正負極的粉末塗抹在箔片上再烘乾後，那層薄薄的正負極物質才能分布得非常均勻。這就有點像烤肉，你是刷一層醬在肉上，提供的鹹味均勻呢，還是直接在肉上撒鹽粒的鹹味更均勻呢？那肯定是刷醬均勻啊。
但馬斯克堅持認為，這個環節就算是有用的，也一定可以通過技術優化去掉。因為這一步先攪拌均勻，再塗抹，再烘乾，整個步驟的人工和設備成本占整個電池生產成本的1/4左右，如果能打破傳統慣例，成本一下就省出來了。
馬斯克為了改進這一步，收購了Maxwell電池公司，因為它們有一項鋰電池乾法工藝的專利。不過專利畢竟和穩定的量產有很大距離，4680電池一直沒法解決粉末的均勻性問題，哪怕是小批量生產的4680電池，能量密度也比溼法工藝下的要低，循環壽命也更差。
因為乾法工藝使用的設備和傳統溼法工藝完全不同，所以得從頭開始設計塗抹（或者噴粉）工藝的機器。制造出來的全新設備能符合正負極材料塗抹工藝的要求嗎？只有天知道，只能一遍遍地造硬件。
設備製造商雖然也是電池工廠的大內行，但內行只局限在溼法工藝上。至於說乾法工藝的設備有哪些細節要格外注意，他們也是“大姑娘上轎頭一回”。
馬斯克要在電池行業釆用這種從源頭上重新設計每個環節的所謂“第一性原理”，但特斯拉自己也是一頭霧水。
比如，它為了讓粘合劑能在箔片上更均勻地縴維化，把傳統溼法工藝的3個滾輪增加到7個滾輪。滾輪多的好處是微調的精度更高。但滾輪越多，參數的變化就越復雜，每次調整1個滾輪的參數，其他6個已經匹配好的滾輪參數馬上就全亂了，又要全部重來。
馬斯克還經常提到“白痴指數”這個詞，就是指一個設備的整體成本除以這個設備所有原料的價格之和，比值就是白痴指數。
比如，一輛汽車的成本是10萬，零件成本加一起是5萬，這輛汽車的白痴成本就是2。白痴指數越高，就說明這個設備產出中的中間環節太多。馬斯克當年把鋰、鈷、鎳、石墨等鋰電池必備原材料的價格之和算出來，發現每度電的鋰電池原材料成本是82美元，但這樣的電池售價是600美元，就算刨除了利潤部分，電池成本也還有兩三百美元，所以他才覺得純電動汽車值得搞。
第一性原理是這麼說的：從最本質的物理原理出發，把這一件事的各種要素拆開後分析，找到實現目標的最優路徑。
市面上有很多替馬斯克解析第一性原理的書，但這些全都是虛的。
簡單說，第一性原理是幸運的成功者為自己的幸運做馬後炮式的注腳。就像我早上吃了煎雞蛋，補充了元氣，才買到了中獎的彩票那樣，盡管後者的邏輯比前者的low很多。
第一性原理美麗的外衣下的實質是，有足夠多的錢能買到當時市場上的頂級技術，繞過當前的困難，或者是人為設置壁的壘突然消失後釋放出來的創新活力。
比如，馬斯克曾經說，他看到了玩具車的底槃是一整塊金屬，就覺得這種設計也能在真車上實現。這根本就不是第一性原理。這個創新的核心是，力勁集團剛剛推出了12000噸的壓鑄機能處理馬斯克金屬一體成型的底槃。
馬斯克在火箭發射上的成功的最大因素是，自從2008年SpaceX拿到了NASA的大訂單後，NASA突然放開了政策，允許SpaceX雇佣NASA的工程技術人員。那些對火箭有興趣、有熱情，卻又被囚禁在NASA的條條框框裡，沒有一丁點自由設計餘量的精英們終於等到了機會，於是幾百名懷才不遇的工程師們大批離職去了SpaceX，終於才發揮出了壓抑已久的創造力。
所以，不要相信馬斯克的什麼第一性原理。他在媒體上可以隨意地說，但那并不是他成功的重點。他成功的最大因素是對創造力的嗅覺。1000個號稱自己是最新技術的商業計划書擺在他面前，哪個看着都像明年的諾貝爾化學獎，到底哪個是真正有價值的呢？馬斯克可以在顧問的幫助下挑出來。世界上還有哪些具有巨大創造力但被壓抑的群體，馬斯克可以把他們發掘出來。這才是第一性原理外衣下的實質。
對鋰電池的傳統溼法工藝來說，既不存在因為體制原因人為限制技術進步的因素，當前也并不存在可靠的乾法工藝的時候，不論是第幾性原理，也都不可能輕易地繞過去。
4680電池三年半的難產是由於動力電池的競爭早就白熱化了——每個另辟蹊徑，每個別出心裁，每個獨樹一幟，每個別具一格，每個彎道超車，每個標新立異都有公司嘗試過了。以目前的態勢看來，固態電池大概率才是最後的方向，而不是無極耳的4680。