Alles, was Sie über Teslas neue 4680-Batteriezelle wissen müssen

Tesla hielt sich auf dem Batterietag nicht zurück und kündigte unter anderem einen neuen tablosen 4680-Zellenformfaktor an. Der neue Formfaktor macht die Tabs überflüssig, erhöht die Energiedichte, behält ähnliche thermische Eigenschaften wie kleinere Zellen bei, verbessert das Verhältnis von Leistung zu Gewicht, rationalisiert die Herstellung und senkt die Kosten.

Mit anderen Worten: Die neue Tesla 4680-Zelle ist das Äquivalent einer Kartoffelkanone zu einer Pommes-Frites-Schlacht. Gehen wir die einzelnen Verbesserungen durch, die der neue Formfaktor mit sich bringt.

Skalierung ist notwendig

Tesla war damit zufrieden, Zellen mit seiner eigenen Chemie von seinen Zulieferern zu kaufen, sah aber Probleme am Horizont. Tesla strebt ein konstantes Wachstum von 40-50 % pro Jahr an, und dafür braucht das Unternehmen immer mehr Batterien. Teslas Batterieprognosen zeigten eine Lücke zwischen den Produktionsgrenzen seiner Batteriezellenlieferanten und Teslas internem Bedarf für sein Automobil- und Energiespeichergeschäft.

Um dieses Problem zu lösen, haben Teslas Teams hart daran gearbeitet, neue technische Lösungen zu kaufen und zu entwerfen, um das Batteriezellenformat weiter zu verbessern. Vielleicht noch wichtiger ist, dass Tesla sein Know-how im Bereich der Batteriezellenherstellung zusammen mit seiner weltweit führenden Kompetenz bei den Fertigungsanlagen nutzte, um den gesamten Prozess von Anfang bis Ende zu überdenken.

Schrittweise Verbesserung der Zellenherstellung

Auf der Suche nach größerer Effizienz in der Automobilherstellung ging Tesla schnell über das bloße Entwerfen und Herstellen von Produkten hinaus und befasste sich mit dem Design der Maschine, die die Maschine herstellt. Die Herstellung ist schwierig, aber das Engagement von Tesla führte über das Produkt hinaus zur Entwicklung von Produkten, die einfacher herzustellen sind. Das haben wir erstmals beim Model 3 gesehen, und die Arbeit wurde mit jeder Iteration fortgesetzt.

Als es an der Zeit war, die neue Batterie zu entwerfen, hat Tesla die gesamte Kette bis zum Ausgangspunkt betrachtet. Darin spiegelt sich Musks Besessenheit vom Denken in ersten Prinzipien wider. Er versucht, jedes Design, jede Diskussion mit dem kleinsten gemeinsamen Nenner zu beginnen – der einfachsten Wahrheit, die unsere Produkte mit den Mineralien verbindet, aus denen sie bestehen. Wenn diese definiert und immer wieder verfeinert wurden, ist es möglich, ein optimiertes Design zu entwerfen.

Teslas Produktionslinien für 4680 Batteriezellen. Screenshot des Livestreams von Teslas Batterietag.

In der Batteriewelt hat Tesla mit der Übernahme der Batterie- und Superkondensatorpioniere von Maxwell Technologies und Hibar Systems neue Wege beschritten. Tesla lernte durch den Bau seiner ersten Gigafactory in Sparks, Nevada, und erwarb die Experten für Fertigungsanlagen von Grohmann Automation. Grohmann wurde schnell zum Hauptentwickler der Produktionslinien für Batteriezellen in Teslas Gigafactory 1 und fügte der Fabrik immer fortschrittlichere Produktionslinien von Grohmann hinzu, als mehr Zellproduktionskapazität benötigt wurde.

Die Verbesserung jedes der primären Silos, aus denen eine Batterie besteht, war hilfreich und führte zu größerer Effizienz in Gigafactory 1, aber Tesla sah eine größere Vision. Vollständige Integration. Auf der heutigen Tesla-Veranstaltung „Battery Day“ erläuterte Drew Baglino die Vision, die jetzt bei Tesla verwirklicht wird.

Teslas Produktionslinien für 4680 Batteriezellen. Screenshot des Livestreams vom Tesla Battery Day.

„Die vertikale Integration mit den Maschinenkonstruktionsteams bei Grohmann, Highbar und anderen ermöglicht es uns, dies wirklich zu erreichen, weil wir keine Randbedingungen zwischen den einzelnen Geräten haben“, sagte Baglino. „

Teslas unermüdliches Streben nach vertikaler Integration entspringt dem Wunsch, Ineffizienzen zu beseitigen und die Nachhaltigkeit des Produkts zu verbessern. Ein Nebenprodukt von Teslas vertikaler Integration ist eine dringend benötigte Kostenverbesserung, die die Kosten von Teslas Produkten im Laufe der Zeit nach unten treibt.

Die tabless-Architektur der neuen 4680-Zellen hat auch eine direkte Auswirkung auf die Verbesserung der Herstellbarkeit. Durch das tablose Design entfällt nicht nur die Notwendigkeit eines Tabs, sondern auch die Notwendigkeit, die Produktionslinien zu unterbrechen, um die Tabs hinzuzufügen. Die neuen tablosen Zellen beseitigen dieses Hindernis und ermöglichen eine Fertigungslinie, die weniger anfällig für Fertigungsfehler ist, während sie brummt, aufrollt und massive 4680-Zellen ausspuckt.

„Dies ist nicht nur ein Konzept oder ein Rendering“, sagte Baglino. „Wir beginnen mit dem Hochfahren der Produktion dieser Zellen in unserer 10-GWh-Pilotanlage gleich um die Ecke.“ Teslas Projekt Roadrunner hat eine Pilotlinie für die Herstellung der 4680 Zellen eingerichtet, und laut CEO Elon Musk sieht das Unternehmen einen klaren Weg, die Prozesse der Pilotlinie auf Gigawattstunden- und sogar Terawattstunden-Maßstab hochzufahren.

„Es wird eine Weile dauern, bis wir die Produktionskapazität von 10 GWh erreichen“, sagte Musk. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Probleme mit den neuen Produktionslinien in den nächsten 12 Monaten behoben sein werden. Dann wird es an der Zeit sein, die Skalierung voranzutreiben. „Die tatsächlichen Produktionsanlagen werden im Laufe der Zeit in der Größenordnung von 200 GWh oder mehr liegen.“

Langfristig ist es nicht die neue Zellgröße, Chemie oder Konfiguration seiner Fahrzeuge, die Tesla als Kernkompetenz betrachtet. Vielmehr ist die Herstellung der Schlüssel. „Irgendwann wird jedes Autounternehmen Elektroautos mit großer Reichweite haben“, sagte Musk leidenschaftlich. „Irgendwann wird jedes Unternehmen über autonomes Fahren verfügen. Aber nicht jedes Unternehmen wird großartig in der Herstellung sein. Tesla wird allen anderen in der Fertigung haushoch überlegen sein. Das ist unser Ziel.“

Formfaktor

Eines der Ergebnisse dieser Bemühungen ist ein neues zylindrisches Batteriezellenformat mit 4680 Tabs, das eine Reihe von Leistungs-, Herstellungs- und Kostenvorteilen mit sich bringt. Wie der Name schon sagt, sind die neuen Jumbo-Zellen 46 mm im Durchmesser und 80 mm hoch. Durch die größere Jelly-Rolle wird mehr aktives Batteriematerial in das Gehäuse gepackt, was die Energiespeicherung um das Fünffache und die Leistung um das Sechsfache steigert. Allein durch den neuen Formfaktor erhöht sich die Reichweite um 16 %.

Die neuen 4680-Zellen ohne Tabs sind Zellen mit Tabs in fast jeder Hinsicht überlegen. Obwohl sie größer sind, ist es für die Elektronen durch den Wegfall der Tabs einfacher, sich innerhalb der Zelle zu bewegen als in den derzeitigen 2170-Zellen. In einer großen Zelle ohne Tabs ist die Weglänge tatsächlich kürzer als in einer kleineren Zelle mit Tabs“, sagte Musk.

Verbesserte Chemie – auch bekannt als „Silicon Is Awesome“

Die neuen Zellen sind nicht das Ergebnis einer einzigen Änderung der Größe der Zellen. Ähnlich wie die zahlreichen Überarbeitungen des Tesla-Autopiloten im Laufe der Jahre stellen die 4680-Zellen eine grundlegende Umschreibung der Geschichte der Batteriezellen bei Tesla dar.

Silizium wird heute in den Batterien von Tesla verwendet, aber seine physikalischen Eigenschaften machen es zu einem etwas schwierigen Element für die Verwendung in größeren Mengen. „Die Herausforderung bei Silizium besteht darin, dass es sich um das Vierfache ausdehnt, wenn es mit Lithium geladen wird“, sagte Baglino. Silizium ist nach Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste, was es zu einem kostengünstigen, leicht zu beschaffenden Rohstoff macht. Sand besteht eigentlich nur aus Siliziumdioxid.

Um die rauen Kanten von Silizium zu umgehen, hat Tesla – vielleicht wenig überraschend – mit Rohsilizium begonnen. Das senkt von vornherein die Kosten für das Silizium, und Tesla baute einfach eine neue Chemie, um es zu ergänzen. „Wir stabilisieren die Oberfläche mit einer elastischen, ionenleitenden Polymerbeschichtung, die in einem sehr skalierbaren Verfahren aufgebracht wird“, sagte Baglino.

Das ist viel einfacher als die derzeitigen Verfahren und ermöglicht einen höheren Prozentsatz an Silizium in den Zellen. Das Ergebnis ist eine billigere Zelle, die zudem eine höhere Kapazität aufweist. „Wir können die Reichweite unserer Fahrzeuge um weitere 20 % erhöhen“, sagte Baglino. Das Tüpfelchen auf dem i ist, dass die Zellen auch noch billiger sind. „

Wenn sich das wie die ultimative Win-Win-Situation anhört, haben Sie Recht. Das ist einer der vielen Gründe, warum Elon Musk von Tesla in den letzten Monaten vor Begeisterung über den sonst so techniklastigen Battery Day übersprudelt.

Die Kathodenproduktion neu denken

Nach Angaben von Tesla basieren die heutigen Kathodenproduktionsprozesse auf veralteten, in Silos entwickelten Chemikalien und Verfahren. Da Tesla Tesla ist, wurde ein neues Blatt Papier benutzt, um einen Plan zu entwerfen, der jeden Schritt optimiert, um Abfall und Kosten vom Erz bis zur Kathode zu minimieren.

Das vereinfachte Piktogramm einer extrem komplizierten globalen Lieferkette, die sich von der Verarbeitung des Roherzes bis zur Lieferung der fertigen Kathode erstreckt, ist weit weniger verworren. Sie ist nicht nur stromlinienförmiger, sondern auch viel billiger und führt zu weniger Abfall.

Teslas neue Hochnickelkathoden machen Kobalt völlig überflüssig. Chemisch gesehen ist Kobalt ein fantastischer Anker für eine Kathode, aber es hat einige schwerwiegende Nachteile.

Kobalt ist auf Anhieb giftig. Je weniger giftige Stoffe die Menschen abbauen, verarbeiten und verwenden müssen, desto besser.

Es ist außerdem äußerst schwierig, eine nachhaltige Kobaltquelle zu finden, da der Großteil der weltweiten Kobaltproduktion aus einem einzigen Land stammt – der Demokratischen Republik Kongo. Die Führung des Landes ist nicht die stabilste, und Hunderte von Millionen Dollar in ein ohnehin schon korruptes System zu stecken, ist nicht gerade hilfreich. Mit Elektrofahrzeugen und Konsumgütern, die das bereits angeschlagene System noch mehr belasten, sind die Preise destabilisiert worden.

Ethik kann manchmal auf der Strecke bleiben, wobei einige Menschenrechtsgruppen den Begriff „Konfliktkobalt“ geprägt haben.“

Nimmt man all diese Faktoren zusammen, so ist Kobalt, obwohl es in der Batteriezelle von Vorteil ist, alles andere als vorteilhaft für ein Unternehmen, das die Batterieproduktion bis 2030 auf 3 Terawattstunden pro Jahr steigern will.

Wenn man Kobalt zugunsten einer Kathode mit hohem Nickelgehalt aufgibt, verbessern sich auch die Kosten für eine Kathode um 15 % auf der Basis der Kosten pro Kilowattstunde. Das ist enorm. Die Entwicklung und Herstellung von Kathoden von Grund auf verschafft Tesla auch einen großen Vorsprung beim Aufbau eigener interner Batterierecyclingsysteme.

Alles in allem führte Teslas Arbeit an Kathoden zu einem Prozess, der die Verarbeitungskosten einer Kathode um erstaunliche 76 % senkt. Dies alles geschieht mit weit weniger Ausrüstung, was zu einer Einsparung von 66 % bei den Investitionsausgaben für die Kathodenproduktion führt. Das Tüpfelchen auf dem „i“ ist, dass das neue Verfahren weit weniger Wasser verbraucht als die herkömmliche Verarbeitung. Das neue Verfahren führt sogar dazu, dass kein Wasser verschwendet wird.

Tesla integriert all diese Verbesserungen in eine neue Kathodenproduktionsanlage in Nordamerika. Sie wird so angesiedelt, dass die nicht wertschöpfenden Reisen für Rohstoffe und Zwischenprodukte in der Region minimiert werden.

Verbesserte thermische Eigenschaften

Die Verbesserung, die einen Großteil der Schwerstarbeit leistet, um die Verwendung eines größeren Formfaktors zu ermöglichen, ist das tabless Design. Durch den Wegfall der Laschen wird der Innenwiderstand innerhalb der Zelle, der durch die zusätzliche Komponente verursacht wird, verringert. Der Innenwiderstand bedeutet mehr Wärmeentwicklung, einen komplexeren Herstellungsprozess und höhere Kosten.

Teslas neue 4680-Zelle verzichtet auf die interne Lasche und integriert stattdessen die Funktion der Lasche in die Gelee-Rolle selbst, was zu einem sauberen, einheitlichen Aussehen am Ende der Zelle führt. „Wir haben im Grunde genommen die vorhandenen Folien genommen, sie mit einem Laser pulverisiert und Dutzende von Verbindungen in das aktive Material durch diese geschindelte Spirale ermöglicht“, sagte Drew Baglino, SVP von Tesla.

Durch die Eliminierung der Lasche auf jeder Zelle „wird das thermische Problem aus der Gleichung entfernt und erlaubt uns, den absolut kostengünstigsten Formfaktor und den einfachsten Herstellungsprozess zu wählen“, sagte Baglino.

Das neue Design der 4680er-Zelle von Tesla, das sich auf die thermischen Vorteile des tablosen Designs konzentriert, ermöglicht es den Zellen mit größerem Durchmesser, ähnliche thermische Eigenschaften wie eine kleinere Zelle zu erreichen. Anders ausgedrückt: Sie bleiben genauso kühl wie kleinere Zellen und ermöglichen es Tesla, mehr Leistung in das gleiche physikalische Volumen zu packen.

Größere Zellen mit Tabs hatten in der Vergangenheit Schwierigkeiten, bei sehr schnellen Ladegeschwindigkeiten Wärme abzugeben. Die neue Zelle von Tesla bricht mit diesem Trend, denn sie lädt fast so schnell wie eine kleinere Zelle und bietet gleichzeitig alle Vorteile einer größeren Zelle. Tesla war in der Lage, das Beste aus beiden Welten zu nutzen und die kleine, aber wachsende Welt der Automobilbatteriezellenproduktion völlig umzukrempeln.

Ich höre Sie, aber was soll’s?

Das ist eine Menge technischer Inhalt für etwas, über das die meisten Menschen nie nachdenken. Batteriezellen sind äußerst komplex, und Teslas jüngste Neufassung des grundlegenden Bausteins für seine Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme könnte schwer zu verdauen sein. Machen wir einen Bogen darum.

Alles in allem stellt Teslas neue 4680-Batteriezelle einen Paradigmenwechsel in der automobilen Energiespeicherung dar. Die neuen Zellen sind viel billiger und können viel mehr Energie pro Volumeneinheit speichern. Sie wurden als Strukturelemente des Fahrzeugs umgestaltet, was zu einem billigeren, steiferen Fahrzeug führt.

Tesla hat heute Hunderte, wenn nicht Tausende von kleinen Verbesserungen eingeführt, die den grundlegenden Baustein des Tesla-Geschäfts – die Batteriezelle – schrittweise verbessern.

  • 14% Verbesserung der Kosten/kWh durch die Änderung des Zellformfaktors.
  • 18% Verbesserung der Kosten/kWh als Ergebnis der 10-fachen Reduzierung der Produktionsfläche und der 10-fachen Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Herstellung. Das neue trockene Herstellungsverfahren ermöglicht es, das aktive Batteriepulvermaterial direkt in eine Folie zu pressen. Der neue Herstellungsprozess basiert auf dem Maxwell Technologies-eigenen „Proof of Concept“-Prozess. Der Prozess ist noch nicht im Produktionsmaßstab, aber es gibt einen „klaren Weg“ zur Produktion in großem Maßstab.
  • 5% Verbesserung der Kosten/kWh durch die höhere Ausnutzung von Silizium in den Batteriezellen.
  • 12% Senkung der Kosten/kWh durch Verbesserungen des Kathodenmaterials.
  • 7% Verbesserung der Kosten des Batteriepakets pro kWh als Ergebnis des neuen integrierten Fahrzeugdesigns von Tesla. Tesla hat seine Fahrzeuge mit neuen Front- und Heckteilen neu gestaltet, die mit dem Batteriepack integriert sind. Um dies zu erreichen, entwickelte Tesla eine völlig neue Legierung, die das Gießen einiger der größten Komponenten im Automobilbereich ermöglicht. Diese werden direkt mit einer neuen „Strukturbatterie“ verschraubt, wodurch die Notwendigkeit redundanter, paralleler Elemente in Teslas Fahrzeugen entfällt.

Alles in allem bedeutet Teslas Neugestaltung der Batterie, der Kathode und des Fahrzeugrahmens eine erwartete Verbesserung von 56 % der Kosten pro kWh. Das ist ein Wendepunkt für Tesla und wird eine völlig neue Generation von kostengünstigen Elektrofahrzeugen ermöglichen. Alles beginnt mit der bescheidenen Batteriezelle. Tesla hat erhebliche Fortschritte bei der Neukonzeption der Batteriezelle gemacht und ist auf dem besten Weg, diese neuen Zellen in die Produktion zu überführen. Aber alles in allem wird das Unternehmen 18 Monate brauchen, bis die meisten dieser Änderungen in die Produktion einfließen.

Alle Bilder stammen aus dem Livestream von Teslas Battery Day.

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