Minden, amit a Tesla új 4680-as akkumulátorcellájáról tudni kell

A Tesla nem fogta vissza magát az Akkumulátor Napon, és sok más mellett bejelentette egy új, lap nélküli 4680-as cella formavilágát. Az új formafaktor megszünteti a füleket, növeli az energiasűrűséget, megtartja a kisebb cellákhoz hasonló termikus jellemzőket, javítja a teljesítmény-súly arányt, egyszerűsíti a gyártást és csökkenti a költségeket.

Másképpen fogalmazva, az új Tesla 4680-as cella olyan, mintha krumplipisztolyt vinnénk a sült krumpli harcba. Menjünk végig az egyes fejlesztéseken, amelyeket az új formafaktor hoz az asztalra.

Scale Is Necessary

A Tesla megelégedett azzal, hogy a beszállítóitól saját kémiai összetételű cellákat vásárolt, de problémákat látott a horizonton. A Tesla célja, hogy folyamatosan évi 40-50%-os ütemben növekedjen, és ehhez egyre több és több akkumulátorra lesz szüksége. A Tesla akkumulátor-előrejelzései azt mutatták, hogy szakadék tátong az akkumulátorcellák beszállítóinak termelési korlátai és a Tesla belső kereslete között az autóipari és energiatároló üzletágak számára.

A megoldás érdekében a Tesla csapatai keményen dolgoztak az akkumulátorcellák formátumának további fejlesztését célzó új műszaki megoldások vásárlásán és tervezésén. Talán még ennél is fontosabb, hogy a Tesla az akkumulátorcellák gyártása terén szerzett know-how-ját a világelső gyártóberendezési kompetenciájával együtt arra használta fel, hogy az egész folyamatot az elejétől a végéig újragondolja.

Lépésről lépésre javulás a cellagyártásban

Mivel nagyobb hatékonyságra törekedett az autógyártásban, a Tesla gyorsan túllépett a termékek puszta tervezésén és gyártásán, és belevágott a gép tervezésébe, amely megépíti a gépet. A gyártás nehéz dolog, de a Tesla elkötelezettsége a terméken túl a könnyebben gyártható termékek tervezéséhez vezetett. Ezt először a Model 3-mal láthattuk, és a munka minden egyes iterációval folytatódott.

Amikor eljött az új akkumulátor megtervezésének ideje, a Tesla egészen felfelé, a kiindulási pontig nézett. Ennek megtétele Musknak az első elvek szerinti gondolkodás megszállottságát tükrözi. Igyekszik minden tervezést, minden vitát azzal kezdeni, ami valóban a legkisebb közös nevező – a legegyszerűbb igazság, amely lehorgonyozza a termékeinket az ásványokhoz, amelyekből állnak. Amikor ezeket újra és újra meghatároztuk és finomítottuk, akkor lehetséges egy optimalizált terv megalkotása.”

Tesla 4680 akkumulátorcellát gyártó sora. Pillanatkép a Tesla Battery Day livestreamjéről.

Az akkumulátorok világában láthattuk, hogy a Tesla új alapokra helyezte az igazságot a Maxwell Technologies és a Hibar Systems akkumulátor és szuperkondenzátor úttörőinek felvásárlásával. A Tesla a nevadai Sparksban található első Gigafactory építésén keresztül tanulta meg az utat, felvásárolva a Grohmann Automation gyártóberendezés-szakértőit. A Grohmann hamarosan a Tesla Gigafactory 1-ben az akkumulátorcellák gyártósorainak elsődleges fejlesztője lett, és a Grohmann egyre fejlettebb gyártósorokkal bővítette a gyárat, ahogy egyre nagyobb cellagyártási kapacitásra volt szükség.

Az akkumulátorokat alkotó elsődleges silók mindegyikének fejlesztése hasznos volt, és nagyobb hatékonyságot eredményezett a Gigafactory 1-ben, de a Tesla nagyobb jövőképet látott. Teljes integráció. A Tesla mai Battery Day rendezvényén Drew Baglino kibontotta a Teslánál most megvalósuló víziót.

Tesla 4680 akkumulátorcellagyártó sora. Pillanatkép a Tesla Battery Day livestreamjéről.

“A Grohmann, a Highbar és mások géptervezési csapataival való vertikális integráció lehetővé teszi számunkra, hogy ezt valóban megvalósítsuk, mert nincsenek ilyen peremfeltételek az egyik berendezés és a másik között” – mondta Baglino. “Az egész gépet úgy tudjuk megtervezni, hogy egyetlen gép legyen, és eltávolíthatjuk ezeket a felesleges lépéseket.”

A Tesla fáradhatatlan törekvése a vertikális integrációra abból a vágyból fakad, hogy kiküszöbölje a gazdaságtalanságokat és javítsa a termék fenntarthatóságát. A Tesla vertikális integrációjának mellékterméke a költségek nagyon is szükséges javulása, ami idővel a Tesla termékeinek költségét is lejjebb viszi.

Az új 4680-as cellák lap nélküli architektúrája szintén közvetlen hatással van a gyárthatóság javítására. A lapka nélküli kialakítás nem csak a lapka szükségtelenségét küszöböli ki, hanem azt is, hogy a gyártósorokon ne kelljen szünetet tartani a lapkák hozzáadásához. Az új, fül nélküli cellák kiküszöbölik ezt a bukkanót, és lehetővé teszik, hogy a gyártósor kevésbé legyen hajlamos a gyártási hibákra, miközben zörögve gördíti fel és köpi ki a masszív 4680-as cellákat.

“Ez nem csak egy koncepció vagy egy renderelés” – mondta Baglino. “Elkezdjük felfuttatni ezeknek a celláknak a gyártását a sarkon lévő 10 GWh-s kísérleti gyártóüzemünkben.” A Tesla Roadrunner projektje egy kísérleti gyártósort hozott létre a 4680-as cellák gyártására, és Elon Musk vezérigazgató szerint egyértelmű utat látnak a kísérleti gyártósori folyamatok gigawattórás, sőt terawattórás méretre való felfuttatásához.

“Eltart egy ideig, amíg elérjük a 10 GWh-s gyártási kapacitást” – mondta Musk. A vállalat arra számít, hogy a következő 12 hónapban sikerül kiküszöbölni az új gyártósorok hibáit. Ekkor jön el az ideje a méretnövelésnek. “A tényleges gyártóüzemek idővel 200 GWh vagy annál nagyobb nagyságrendűek lesznek.”

Hosszú távon nem az új cellaméretek, a kémia vagy a járművei konfigurációja az, amit a Tesla alapvető kompetenciának tart. Inkább a gyártás a kulcs. “Végül minden autógyárnak lesz nagy hatótávolságú elektromos autója” – mondta egy szenvedélyes Musk. “Végül minden vállalatnak lesz autonómiája. De nem minden vállalat lesz nagyszerű a gyártásban. A Tesla abszolút, fej-fej mellett, mindenki más fölött fog állni a gyártásban. Ez a célunk.”

Formatényező

Az erőfeszítések egyik eredménye egy új, 4680 lapka nélküli hengeres akkumulátorcella-formátum, amely számos teljesítmény-, gyártási és költségelőnnyel jár. Ahogy a név is jelzi, az új jumbo cellák 46 mm átmérőjűek és 80 mm magasak. A nagyobb zselatekercs több aktív akkumulátor-anyagot pakol a burkolatba, ami 5× jobb energiatárolást és 6× nagyobb teljesítményt eredményez. A csomagra méretezve az új formafaktor önmagában 16%-os hatótáv-növekedést eredményez.

Az új, fül nélküli 4680-as cellák szinte minden tekintetben alapvetően jobbak a füles celláknál. Annak ellenére, hogy nagyobbak, a fül megszüntetése valójában megkönnyíti az elektronok mozgását a cellán belül, mint a jelenlegi 2170-es cellákban. “Valójában rövidebb az út hossza egy nagyméretű, fül nélküli cellában, mint egy kisebb, füles cellában” – mondta Musk.

Improved Chemistry – aka, Silicon Is Awesome

Az új cellák nem a cellák méretének egyetlen változtatásával jöttek létre. Akárcsak a Tesla Autopilot számos átírása az évek során, a 4680-as cellák az akkumulátorcellák történetének alapvető átírását jelentik a Teslánál.

A Tesla akkumulátoraiban ma is szilíciumot használnak, de fizikai tulajdonságai miatt kissé kihívást jelent az elem nagyobb mennyiségben történő felhasználása. “A szilíciummal kapcsolatos kihívás az, hogy lítiummal töltve 4×-esére tágul” – mondta Baglino. A szilícium az oxigén után a legnagyobb mennyiségben előforduló elem a földkéregben, így olcsóbb, könnyen beszerezhető alapanyag. Valójában a homok nem más, mint szilícium-dioxid.

A szilícium érdektelenségének kiküszöbölésére a Tesla talán nem meglepő módon nyers szilíciummal kezdte. Ez rögtön az elején csökkenti a szilícium költségét, és a Tesla egyszerűen egy új kémiát épített ki hozzá. “Stabilizáljuk a felületet egy rugalmas ionvezető polimer bevonattal, amelyet egy nagyon jól skálázható megközelítéssel viszünk fel” – mondta Baglino.”

Ez sokkal egyszerűbb, mint a jelenlegi eljárások, és lehetővé teszi, hogy a szilícium nagyobb százalékát használjuk fel a cellákban. Az eredmény egy olcsóbb cella, amely nagyobb kapacitással is büszkélkedhet. “További 20%-kal növelhetjük járműveink hatótávolságát” – mondta Baglino. A hab a tortán, hogy a cellák olcsóbbak is. “Ez további 5%-os csökkenést jelent az akkumulátorok szintjén.”

Ha ez úgy hangzik, mintha mindenki nyerne, akkor pontosan így van. Ez az egyik oka annak, hogy Elon Musk, a Tesla vezetője az elmúlt hónapokban pezsgett az izgalomtól az egyébként technológiai szempontból nehéz akkumulátor nap kapcsán.”

A katódgyártás újragondolása

A Tesla szerint a mai katódgyártási folyamatok elavult kémiai eljárásokon és silókban kifejlesztett folyamatokon alapulnak. Tesla Tesla lévén, egy új, üres papírlapot használt fel egy olyan terv elkészítéséhez, amely az érctől a katódig minden egyes lépést optimalizál, hogy minimalizálja a hulladékot és a költségeket.

A nyers érc feldolgozásától a kész katód leszállításáig terjedő, rendkívül bonyolult globális ellátási lánc egyszerűsített piktogramja sokkal kevésbé tekervényes. Nemcsak áramvonalasabb, de sokkal olcsóbb is, és kevesebb hulladékot eredményez.

A Tesla új, magas nikkel-tartalmú katódjai teljesen kiküszöbölik a kobalt szükségességét. Kémiai szempontból a kobalt fantasztikus horgony egy katódhoz, de van néhány komoly kikötése.

Rögtön az elején: a kobalt mérgező. Minél kevesebb mérgező anyagot kell az embereknek bányászni, feldolgozni és felhasználni, annál jobb.

A fenntartható kobaltforrást is rendkívül nehéz biztosítani, mivel a világ kobalttermelésének túlnyomó többsége egyetlen országból – a Kongói Demokratikus Köztársaságból – származik. Az ország vezetése nem a legstabilabb, és dollár százmilliók befecskendezése egy amúgy is korrupt rendszerbe nem segít a helyzeten. Mivel az elektromos járművek és a fogyasztási cikkek még nagyobb terhet rónak az amúgy is problémás rendszerre, az árak destabilizálódtak.

Az etika néha elsiklik az út szélén, és egyes emberi jogi csoportok a “konfliktusos kobalt” kifejezést használják.”

Ezeket a tényezőket összevetve a kobalt, bár hasznos az akkumulátorcellában, minden más, mint előnyös egy olyan vállalat számára, amely 2030-ra évi 3 terawattórára kívánja növelni az akkumulátorgyártást.

A kobalt elhagyása egy magas nikkel-tartalmú katód javára 15%-kal javítja a katód költségét a kilowattóránkénti költséget tekintve. Ez óriási. A katódok alapos megtervezése és gyártása a Tesla számára nagyszerű előnyt jelent a saját belső akkumulátor-újrahasznosító rendszereinek kiépítésében is.

Összességében a Tesla katódokkal kapcsolatos munkája egy olyan eljárást eredményezett, amely elképesztő 76%-kal csökkenti a katódok feldolgozási költségét. Mindez sokkal kevesebb berendezéssel történik, ami 66%-os megtakarítást jelent a katódgyártás tőkeköltségeiben. A hab a tortán, hogy az új eljárás sokkal kevesebb vizet használ, mint a hagyományos feldolgozás. Valójában az új eljárás nulla vízveszteséget eredményez.

A Tesla mindezeket a fejlesztéseket egy új katódgyártó üzemben valósítja meg Észak-Amerikában. Ezt úgy helyezik el, hogy minimalizálják a régióban a nyersanyagok és a köztes termékek nem értéknövelő utazásait.

Javított termikus jellemzők

Az a fejlesztés, amely a nagyobb formafaktor használatát lehetővé tevő nehéz munka nagy részét elvégzi, a fül nélküli kialakítás. A fülek kiküszöbölése csökkenti a cellán belüli belső ellenállást, amelyet az extra komponens okoz. A belső ellenállás nagyobb hőtermelést, bonyolultabb gyártási folyamatot és magasabb költségeket jelent.

A Tesla új 4680-as cellája megszünteti a belső fület, helyette a fül funkcióját magába a zselatekercsbe integrálja, ami tiszta, egységes megjelenést eredményez a cella végén. “Alapvetően fogtuk a meglévő fóliákat, lézerporoztuk őket, és ezen a zsindelyes spirálon keresztül tucatnyi csatlakozást tettünk lehetővé az aktív anyagba” – mondta a Tesla SVP Drew Baglino.

A lapka megszüntetése minden egyes cellán “kiveszi a termikus problémát az egyenletből, és lehetővé teszi számunkra, hogy az abszolút legalacsonyabb költségű formafaktort és a legegyszerűbb gyártási folyamatot alkalmazzuk” – mondta Baglino.

A Tesla új 4680-as cellájának fül nélküli kialakításának termikus előnyeire összpontosítva az új kialakítás lehetővé teszi, hogy a nagyobb átmérőjű cellák a kisebb cellákéhoz hasonló termikus jellemzőket érjenek el. Másképpen fogalmazva, ugyanolyan hűvösek maradnak, mint a kisebb cellák, lehetővé téve a Tesla számára, hogy több energiát zsúfoljon ugyanabba a fizikai térfogatba.

A nagyobb méretű, füles celláknak hagyományosan gondot okozott a hőleadás nagyon gyors töltési sebességeknél. A Tesla új cellája megszakítja ezt a trendet, és közel olyan gyorsan tölt, mint egy kisebb cella, miközben a nagyobb cellák minden előnyét kínálja. A Tesla mindkét világból a legjobbat tudta kihozni, teljesen felforgatva az autóipari akkumulátorcellák gyártásának kicsi, de növekvő világát.

Hallom, de akkor mi van?

Ez nagyon sok technikai tartalom egy olyan dologhoz, amire a legtöbb ember soha nem gondol. Az akkumulátorcellák masszívan összetettek, és a Tesla elektromos járműveibe és energiatároló rendszereibe kerülő alapvető építőelem legújabb átírása kihívás lehet megemészteni. Tegyünk rá egy íjat.

Összességében a Tesla új 4680-as akkumulátorcellája paradigmaváltást jelent az autóipari energiatárolásban. Az új cellák sokkal olcsóbbak, és sokkal több energiát képesek tárolni térfogategységenként. Újratervezték őket, mint a jármű szerkezeti elemeit, ami egy olcsóbb, merevebb járművet eredményez.

A Tesla ma több száz, ha nem ezer apró fejlesztést vezetett be, amelyek lépésről lépésre javítják a Tesla üzleti tevékenységének alapvető építőelemét – az akkumulátorcellát.

  • 14%-os javulás a költség/kWh-ban, ami a cellafaktor megváltoztatásából ered.
  • 18%-os javulás a költség/kWh-ban a gyártási alapterület 10×-es csökkentésének és a gyártási energiafogyasztás 10×-es csökkentésének eredményeként. Az új száraz gyártási eljárás lehetővé teszi az aktív akkumulátorpor-anyag közvetlen fóliába préselését. Az új gyártási folyamat a Maxwell Technologies saját fejlesztésű “proof of concept” eljárásán alapul. Az eljárás még nem éri el a gyártási léptéket, de “egyértelmű út” van a nagyüzemi gyártás felé.
  • 5%-os javulás a költség/kWh-ban, ami a szilícium nagyobb mértékű felhasználásának köszönhető az akkumulátorcellákban.
  • 12%-os csökkenés a költség/kWh-ban, ami a katódanyag javításának köszönhető.
  • 7%-os javulás az akkumulátorcsomag kWh-kénti költségében a Tesla új integrált járműtervezésének eredményeképpen. A Tesla újratervezte járműveit, és új, az akkumulátorcsomaggal integrált első és hátsó öntvényeket használt. Ennek érdekében a Tesla egy teljesen új ötvözetet fejlesztett ki, amely lehetővé teszi az autóipar néhány legnagyobb alkatrészének öntését. Ezek közvetlenül egy új “szerkezeti akkumulátorba” csavarozódnak, így a Teslákban nincs szükség redundáns, párhuzamos elemekre.

Összességében a Tesla az akkumulátor, a katód és a járműváz újratervezésével várhatóan 56%-kal javítja a Tesla kWh-kénti költségeit. Ez a Tesla számára mindent megváltoztat, és az alacsony költségű elektromos járművek teljesen új generációját teszi lehetővé. Minden a szerény akkumulátorcellával kezdődik. A Tesla jelentős előrelépést tett az akkumulátorcellák újragondolásában, és jó úton halad az új cellák gyártásba vétele felé. Összességében azonban a vállalatnak 18 hónapba telik, mire a legtöbb ilyen változtatás a gyártásba kerül.

A képek mindegyike a Tesla Battery Day élő közvetítéséből származik.

A CleanTechnica eredetiségét értékeli? Fontolja meg, hogy a CleanTechnica tagja, támogatója, technikusa vagy nagykövete legyen – vagy mecénás a Patreonon.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.