Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää Teslan uudesta 4680-akkukennosta

Tesla ei pidättäytynyt Battery Day -tapahtumassa, vaan julkisti muun muassa uuden välilehdettömän 4680-kennon muototekijän. Uusi muototekijä poistaa välilehdet, lisää energiatiheyttä, säilyttää samanlaiset lämpöominaisuudet kuin pienemmät kennot, parantaa tehon ja painon suhdetta, virtaviivaistaa valmistusta ja alentaa kustannuksia.

Muuten sanottuna Teslan uusi 4680-kenno vastaa perunapyssyn tuomista ranskalaistappeluun. Käydään läpi kukin uuden muotokertoimen mukanaan tuoma parannus.

Mittakaava on välttämätön

Tesla tyytyi ostamaan alihankkijoiltaan kennoja, joissa oli sen oma kemia, mutta näki horisontissa ongelmia. Teslan tavoitteena on kasvaa jatkuvasti 40-50 prosentin vuosivauhdilla, ja sitä varten se tarvitsee yhä enemmän akkuja. Teslan akkuennusteet osoittivat, että sen akkukennotoimittajien tuotantorajojen ja Teslan auto- ja energiavarastointiliiketoiminnan sisäisen kysynnän välillä oli kuilu.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi Teslan tiimit ovat työskennelleet ahkerasti ostaakseen ja suunnitellakseen uusia teknisiä ratkaisuja akkukennomuodon parantamiseksi entisestään. Ehkä vielä tärkeämpää on, että Tesla hyödynsi osaamistaan akkukennojen valmistuksessa yhdessä maailman johtavan valmistuslaiteosaamisensa kanssa ajatellakseen uudelleen koko prosessin alusta loppuun.

Vaiheittainen parannus kennojen valmistuksessa

Haetessaan parempaa tehokkuutta autoteollisuudessa Tesla eteni nopeasti pelkkää tuotesuunnittelua ja -rakentamista pidemmälle menevään suunnitteluun ja siirtyi suunnittelemaan konetta, joka rakentaa koneen. Valmistus on vaikeaa, mutta Teslan sitoutuminen johti sen tuotteen ohi sellaisten tuotteiden suunnitteluun, joita oli helpompi valmistaa. Näimme tämän ensimmäisen kerran Model 3:n myötä, ja työ on jatkunut jokaisen iteraation myötä.

Kun tuli aika suunnitella uusi akku, Tesla katsoi koko ketjun ylöspäin, lähtökohtaan asti. Tämän tekeminen kuvastaa Muskin pakkomiellettä ensimmäisten periaatteiden ajatteluun. Hän yrittää aloittaa jokaisen suunnittelun, jokaisen keskustelun siitä, mikä on todella pienin yhteinen nimittäjä – yksinkertaisin totuus, joka ankkuroi tuotteemme niihin mineraaleihin, joista ne koostuvat. Kun nämä on määritelty ja hiottu yhä uudelleen ja uudelleen, on sitten mahdollista rakentaa optimoitu suunnittelu.

Teslan 4680 akkukennon tuotantolinjaa. Kuvakaappaus Teslan Battery Day -livestriimistä.

Akkujen maailmassa nähtiin, kuinka Tesla loi uusia totuuksia akkujen ja superkondensaattoreiden pioneerien Maxwell Technologiesin ja Hibar Systemsin oston myötä. Tesla opetteli tiensä ensimmäisen Gigafactorynsa rakentamisessa Sparksissa, Nevadassa, hankkimalla Grohmann Automationin tuotantolaiteasiantuntijat. Grohmannista tuli nopeasti Teslan Gigafactory 1:n akkukennojen tuotantolinjojen ensisijainen kehittäjä, ja tehtaaseen lisättiin yhä kehittyneempiä Grohmannin tuotantolinjoja sitä mukaa, kun kennojen tuotantokapasiteettia tarvittiin lisää.

Kunkin akun muodostavan ensisijaisen siilon parantaminen oli hyödyllistä, ja se johti suurempaan tehokkuuteen Gigafactory 1:ssä, mutta Tesla näki laajemman vision. Täydellinen integrointi. Teslan Battery Day -tapahtumassa tänään Drew Baglino avasi visiota, jota Teslassa nyt toteutetaan.

Teslan 4680 akkukennon tuotantolinjaa. Kuvakaappaus Teslan Battery Day -livestriimistä.

”Vertikaalinen integraatio Grohmannin, Highbarin ja muiden konesuunnittelutiimien kanssa mahdollistaa sen, että pystymme todella saavuttamaan tämän, koska meillä ei ole mitään näitä reunaehtoja yhden laitteen ja toisen välillä”, Baglino sanoi. ”Voimme suunnitella koko koneen yhdeksi koneeksi ja poistaa kaikki nämä tarpeettomat vaiheet.”

Teslan väsymätön pyrkimys vertikaaliseen integraatioon juontaa juurensa halusta poistaa tehottomuutta ja parantaa tuotteen kestävyyttä. Teslan vertikaalisen integraation sivutuotteena on kaivattu kustannusparannus, joka ajaa Teslan tuotteiden kustannuksia alas ajan myötä.

Uuden 4680-kennon välilehdettömällä arkkitehtuurilla on myös suora vaikutus valmistettavuuden parantamiseen. Tabless-rakenne ei ainoastaan poista tabien tarvetta, vaan myös tuotantolinjojen ei tarvitse pysähtyä tabien lisäämiseksi. Uudet välilehdettömät kennot poistavat tämän ongelman ja mahdollistavat valmistuslinjan, joka on vähemmän altis valmistusvirheille, kun se rullaa ja sylkee ulos massiivisia 4680-kennoja.

”Tämä ei ole pelkkä konsepti tai renderointi”, Baglino sanoi. ”Aloitamme näiden kennojen valmistuksen käynnistämisen 10 GWh:n kokeilutuotantolaitoksessamme aivan nurkan takana.” Teslan Roadrunner-projektissa perustettiin 4680 kennon valmistuksen pilottilinja, ja toimitusjohtaja Elon Muskin mukaan he näkevät selkeän tien pilottilinjan prosessien nostamiseen gigawattitunnin ja jopa terawattitunnin mittakaavaan.

”10 GWh:n tuotantokapasiteetin saavuttaminen vie aikaa”, Musk sanoi. Yhtiö odottaa saavansa uusien tuotantolinjojen ongelmakohdat korjattua seuraavien 12 kuukauden aikana. Siinä vaiheessa on aika ajaa mittakaavaa. ”Todelliset tuotantolaitokset tulevat olemaan 200 GWh:n luokkaa tai enemmän ajan mittaan.”

Pitkällä aikavälillä Tesla ei pidä ajoneuvojensa uusia kennomittoja, kemiaa tai konfiguraatiota ydinosaamisena. Pikemminkin valmistus on avainasemassa. ”Lopulta jokaisella autonvalmistajalla on pitkän kantaman sähköautoja”, intohimoinen Musk sanoi. ”Lopulta jokaisella yrityksellä on autonomia. Mutta jokainen yritys ei ole hyvä valmistuksessa. Tesla on ehdottomasti, pää ja hartiat, kaikkien muiden yläpuolella valmistuksessa. Se on tavoitteemme.”

Form Factor

Yksi näiden ponnistelujen tuloksista on uusi 4680-välilehdetön sylinterimäinen akkukennomuoto, joka tuo mukanaan monia suorituskyky-, valmistus- ja kustannusetuja. Nimensä mukaisesti uudet jumbokennot ovat halkaisijaltaan 46 mm ja korkeudeltaan 80 mm. Suurempi hyytelörulla pakkaa koteloon enemmän aktiivista akkumateriaalia, mikä parantaa energiavarastointia 5-kertaisesti ja tehoa 6-kertaisesti. Pelkästään uuden muotokertoimen ansiosta toimintasäde kasvaa 16 %.

Uudet välilehdettömät 4680-kennot ovat pohjimmiltaan lähes kaikin puolin ylivertaisia välilehdillä varustettuihin kennoihin nähden. Vaikka ne ovat suurempia, välilehden poistaminen itse asiassa helpottaa elektronien liikkumista kennon sisällä kuin nykyisissä 2170-kennoissa. ”Polun pituus on itse asiassa lyhyempi suuressa tabittomassa kennossa kuin pienemmässä kennossa, jossa on tabit”, Musk sanoi.

Parannettu kemia – eli pii on mahtavaa

Uudet kennot eivät ole seurausta vain yhdestä kennojen kokoa koskevasta muutoksesta. Aivan kuten Teslan Autopilotin lukuisat uudelleenkirjoitukset vuosien varrella, 4680-kennot edustavat perustavanlaatuista uudelleenkirjoitusta Teslan akkukennojen historiassa.

Piitä käytetään Teslan akuissa nykyään, mutta sen fysikaaliset ominaisuudet tekevät siitä hieman haastavan elementin käytettäväksi suuremmissa volyymeissä. ”Piin haasteena on, että se laajenee 4-kertaiseksi, kun sitä ladataan litiumilla”, Baglino sanoi. Pii on hapen jälkeen maankuoren runsain alkuaine, mikä tekee siitä edullisemman ja helpommin hankittavan hyödykkeen. Itse asiassa hiekka on pelkkää piidioksidia.

Tesla aloitti ehkä yllätyksettömästi raa’asta piistä kiertääkseen piin karkeat reunat. Heti alkuun se alentaa piin hintaa, ja Tesla yksinkertaisesti rakensi uuden kemian sitä täydentämään. ”Stabiloimme pinnan elastisella ionijohtavalla polymeeripinnoitteella, joka levitetään hyvin skaalautuvalla lähestymistavalla”, Baglino sanoi.

Tämä on paljon yksinkertaisempaa kuin nykyiset prosessit, ja se mahdollistaa suuremman prosenttiosuuden piitä käytettäväksi kennoissa. Tuloksena on halvempi kenno, jolla on myös suurempi kapasiteetti. ”Voimme lisätä ajoneuvojemme toimintasädettä vielä 20 prosenttia”, Baglino sanoi. Kuorrutuksena kakun päälle on, että kennot ovat myös halvempia. ”Se merkitsee vielä 5 prosentin vähennystä akkupaketin tasolla.”

Jos tämä kuulostaa täydelliseltä win-win -tilanteelta, olet aivan oikeassa. Se on yksi monista syistä, joiden vuoksi Teslan Elon Musk on kuohunut innostuksesta muutoin teknologiarikkaasta Battery Day -tapahtumasta viime kuukausien aikana.

Katodituotannon uudelleenajattelu

Teslan mukaan nykyiset katodien tuotantoprosessit perustuvat vanhoihin, siiloissa kehitettyihin kemioihin ja prosesseihin. Tesla on Tesla, ja uuden tyhjän paperiarkin avulla laadittiin suunnitelma jokaisen vaiheen optimoimiseksi jätteiden ja kustannusten minimoimiseksi malmista katodiksi.

Yksinkertaistettu kuvakaavio erittäin monimutkaisesta maailmanlaajuisesta toimitusketjusta, joka ulottuu raakamalmin käsittelystä valmiin katodin toimittamiseen, on paljon vähemmän mutkikas. Sen lisäksi, että se on virtaviivaisempi, se on myös paljon halvempi ja aiheuttaa vähemmän jätettä.

Teslan uudet korkean nikkelipitoisuuden katodit poistavat koboltin tarpeen kokonaan. Kemiallisesti koboltti on loistava ankkuri katodille, mutta siihen liittyy joitakin vakavia varoituksia.

Heti alkuun koboltti on myrkyllistä. Mitä vähemmän myrkyllisiä materiaaleja ihmisten on louhittava, käsiteltävä ja käytettävä, sitä parempi.

Koboltin kestävän lähteen turvaaminen on myös erittäin haastavaa, sillä valtaosa maailman kobolttituotannosta tulee yhdestä ainoasta maasta – Kongon demokraattisesta tasavallasta. Maan johto ei ole ollut kaikkein vakain, eikä satojen miljoonien dollarien pistäminen jo ennestään korruptoituneeseen järjestelmään auta asiaa. Sähköajoneuvot ja kuluttajatuotteet rasittavat entisestään jo ennestään haastavaa järjestelmää, joten hinnat ovat horjuneet.

Etiikka voi joskus jäädä taka-alalle, ja jotkut ihmisoikeusryhmät ovat keksineet termin ”konfliktikoboltti”.”

Kun kaikki nämä tekijät lasketaan yhteen, koboltti, vaikka se onkin hyödyllistä akkukennossa, on kaikkea muuta kuin hyödyllistä yritykselle, joka pyrkii kasvattamaan akkutuotannon kolmeen terawattituntiin vuodessa vuoteen 2030 mennessä.

Hylkäämällä koboltti korkean nikkelipitoisuuden omaavan katodin hyväksi parannetaan myös katodin kustannuksia 15 prosentilla kilowattituntikohtaisten kustannusten perusteella. Se on massiivista. Katodien suunnittelu ja valmistus alusta alkaen antaa Teslalle myös loistavan etumatkan sen omien sisäisten akkujen kierrätysjärjestelmien rakentamiseen.

Kaiken kaikkiaan Teslan katodien parissa tekemä työ johti prosessiin, joka alentaa katodin käsittelykustannuksia huikeat 76 prosenttia. Tämä kaikki tehdään paljon pienemmällä laitemäärällä, mikä tarkoittaa 66 prosentin säästöä katodien tuotantokustannuksissa. Kuorrutuksena kakun päälle uusi prosessi käyttää paljon vähemmän vettä kuin perinteinen prosessointi. Itse asiassa uudessa prosessissa ei synny lainkaan jätevettä.

Tesla toteuttaa kaikki nämä parannukset uudessa katodien tuotantolaitoksessa Pohjois-Amerikassa. Se sijoitetaan siten, että raaka-aineiden ja välituotteiden ei-arvonlisäävät matkat alueella ovat mahdollisimman vähäiset.

Parannetut lämpöominaisuudet

Parannus, joka tekee suuren osan raskaasta työstä suuremman muotokertoimen käyttämisen mahdollistamiseksi, on välilehdetön rakenne. Välilehtien poistaminen vähentää ylimääräisen komponentin aiheuttamaa sisäistä vastusta kennon sisällä. Sisäinen vastus merkitsee suurempaa lämmöntuottoa, monimutkaisempaa valmistusprosessia ja korkeampia kustannuksia.

Teslan uusi 4680-kenno poistaa sisäisen välilehden ja integroi sen sijaan välilehden toiminnon itse hyytelörullaan, jolloin kennon päähän saadaan siisti ja yhtenäinen ulkonäkö. ”Periaatteessa otimme olemassa olevat kalvot, laserpulveroimme ne ja mahdollistimme kymmeniä liitäntöjä aktiiviseen materiaaliin tämän vyöruusukierteen kautta”, Teslan SVP Drew Baglino sanoi.

Välilehden poistaminen jokaisesta kennosta ”poistaa lämpöongelman yhtälöstä ja antaa meille mahdollisuuden siirtyä absoluuttisesti edullisimpaan muotokertoimeen ja yksinkertaisimpaan valmistusmenetelmään”, Baglino sanoi.

Keskittymällä Teslan uuden 4680-kennon välilehdettömän rakenteen lämpöhyötyihin, uuden rakenteen ansiosta halkaisijaltaan suuremmat kennot saavuttavat samanlaiset lämpöominaisuudet kuin pienemmät kennot. Toisin sanoen ne pysyvät yhtä viileinä kuin pienemmät kennot, minkä ansiosta Tesla voi ahtaa enemmän tehoa samaan fyysiseen tilavuuteen.

Kookkaammat kennot, joissa on kielekkeet, ovat historiallisesti kamppailleet lämmönluovutuksen kanssa erittäin nopeilla latausnopeuksilla. Teslan uusi kenno rikkoo trendin, sillä se lataa lähes yhtä nopeasti kuin pienemmät kennot ja tuo samalla kaikki suuremman kennon edut. Tesla pystyi ottamaan molempien maailmojen parhaat puolet, mikä sekoitti täysin autojen akkukennojen tuotannon pienen mutta kasvavan maailman.

Kuulen kyllä, mutta entä sitten?

Tässä on paljon teknistä sisältöä jostain, mitä useimmat ihmiset eivät koskaan ajattele. Akkukennot ovat massiivisen monimutkaisia, ja Teslan viimeisin uudelleenkirjoitus perustavanlaatuisesta rakennuspalikasta, joka menee sen sähköajoneuvoihin ja energian varastointijärjestelmiin, saattaa olla haastava sulattaa. Laitetaanpa siihen rusetti.

Kaiken kaikkiaan Teslan uusi 4680-akkukenno edustaa paradigman muutosta autojen energiavarastoinnissa. Uudet kennot ovat paljon halvempia ja pystyvät varastoimaan paljon enemmän tehoa tilavuusyksikköä kohden. Ne on suunniteltu uudelleen ajoneuvon rakenneosiksi, mikä johtaa halvempaan ja jäykempään ajoneuvoon.

Tesla esitteli tänään satoja, ellei jopa tuhansia pieniä parannuksia, jotka tuovat asteittaisia parannuksia Teslan liiketoiminnan perustavanlaatuiseen rakennuspalikkaan – akkukennoon.

  • 14 %:n parannus kustannuksissa/kWh johtuu kennon muotokertoimen muutoksesta.
  • 18 %:n parannus kustannuksiin/kWh, joka johtuu valmistuksen jalanjäljen 10-kertaisesta pienentämisestä ja valmistuksen energiankulutuksen 10-kertaisesta pienentämisestä. Uusi kuiva valmistusprosessi mahdollistaa aktiivisen akkujauheen puristamisen suoraan kalvoksi. Uusi valmistusprosessi perustuu Maxwell Technologiesin omaan ”proof of concept” -prosessiin. Prosessi ei ole vielä tuotantomittakaavassa, mutta suuressa mittakaavassa tapahtuvaan tuotantoon on ”selkeä polku”.
  • 5 %:n parannus kustannuksiin/kWh, joka johtuu piin käytön lisäämisestä akkukennoissa.
  • 12 %:n kustannusten aleneminen/kWh, joka johtuu katodimateriaalin parannuksista.
  • 7 %:n parannus akkupakettien kustannuksiin kWh:ta kohti Teslan uuden integroidun ajoneuvosuunnittelun seurauksena. Tesla suunnitteli ajoneuvonsa uudelleen käyttämällä uusia etu- ja takavaluja, jotka on integroitu akkupakettiin. Tätä varten Tesla kehitti täysin uuden metalliseoksen, joka mahdollistaa joidenkin autoteollisuuden suurimpien komponenttien valamisen. Nämä ruuvataan suoraan uuteen ”rakenteelliseen akkuun”, jolloin Teslassa ei enää tarvita turhia, rinnakkaisia elementtejä.

Kaiken kaikkiaan Teslan akun, katodin ja ajoneuvon rungon uudelleensuunnittelun odotetaan parantavan Teslan kilowattituntikohtaisia kustannuksia 56 prosenttia. Tämä on käänteentekevä asia Teslalle, ja se mahdollistaa täysin uuden sukupolven edullisten sähköajoneuvojen kehittämisen. Kaikki alkaa vaatimattomasta akkukennosta. Tesla on edistynyt merkittävästi akkukennon uudistamisessa, ja se on jo pitkällä matkalla näiden uusien kennojen saattamisessa tuotantoon. Kaiken kaikkiaan yhtiöltä kestää kuitenkin 18 kuukautta, ennen kuin suurin osa näistä muutoksista saadaan tuotantoon.

Kaikki kuvat on otettu Teslan Battery Day -livestriimistä.

Kiinnostaako CleanTechnican omaperäisyys? Harkitse liittymistä CleanTechnican jäseneksi, kannattajaksi, teknikoksi tai suurlähettilääksi – tai mesenaatiksi Patreonissa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.