Alles wat u moet weten over Tesla’s nieuwe 4680-batterijcel

Tesla hield zich niet in op Battery Day en kondigde onder meer een nieuwe tabloze 4680-celvormfactor aan. De nieuwe vormfactor elimineert de lipjes, verhoogt de energiedichtheid, behoudt dezelfde thermische eigenschappen als kleinere cellen, verbetert de verhouding tussen vermogen en gewicht, stroomlijnt de productie en verlaagt de kosten.

Anders gezegd, de nieuwe Tesla 4680-cel is het equivalent van een aardappelpistool meenemen naar een gevecht om frietjes. Laten we door elk van de verbeteringen lopen die de nieuwe vormfactor op tafel brengt.

Scale Is Necessary

Tesla was tevreden met het kopen van cellen met zijn eigen chemie van zijn leveranciers, maar zag problemen aan de horizon. Tesla streeft naar een constante groei van 40-50% per jaar, en heeft daarvoor steeds meer batterijen nodig. Tesla’s batterijprognoses lieten een kloof zien tussen de productielimieten van zijn batterijcelleveranciers en Tesla’s interne vraag voor zijn auto- en energieopslagactiviteiten.

Om dit op te lossen, zijn Tesla’s teams hard aan het werk geweest met het kopen en ontwerpen van nieuwe technische oplossingen om verdere verbeteringen in het batterijcelformaat te stimuleren. Misschien nog belangrijker is dat Tesla zijn knowhow op het gebied van de productie van batterijcellen heeft benut, samen met zijn toonaangevende competentie op het gebied van productieapparatuur, om het hele proces van begin tot eind te heroverwegen.

Step Change Improvement In Cell Manufacturing

Toen het streefde naar meer efficiëntie in de autoproductie, ging Tesla al snel verder dan alleen het ontwerpen en bouwen van producten, en ging het ook aan de slag met het ontwerpen van de machine die de machine bouwt. Fabricage is moeilijk, maar Tesla’s toewijding leidde het bedrijf van het product naar het ontwerpen van producten die gemakkelijker te fabriceren waren. We zagen dit voor het eerst met de Model 3, en het werk is bij elke iteratie voortgezet.

Toen de tijd kwam om de nieuwe batterij te ontwerpen, keek Tesla helemaal omhoog in de keten, naar het beginpunt. Dit is een weerspiegeling van Musk’s obsessie met eerste beginselen denken. Hij probeert elk ontwerp en elke discussie te beginnen met wat echt de kleinste gemene deler is – de eenvoudigste waarheid die onze producten verankert aan de mineralen waaruit ze zijn opgebouwd. Wanneer die zijn gedefinieerd en keer op keer zijn verfijnd, is het vervolgens mogelijk om een geoptimaliseerd ontwerp te bouwen.

Tesla’s 4680 productielijnen voor batterijcellen. Screenshot van Tesla’s Battery Day livestream.

In de batterijwereld zagen we Tesla nieuwe grondwaarheden vestigen met de overname van de batterij- en supercapacitorpioniers bij Maxwell Technologies en Hibar Systems. Tesla leerde zijn weg door de bouw van zijn eerste Gigafactory in Sparks, Nevada, door de overname van de experts op het gebied van productieapparatuur bij Grohmann Automation. Grohmann werd al snel de primaire ontwikkelaar voor de productielijnen voor batterijcellen in Tesla’s Gigafactory 1, waarbij steeds geavanceerdere productielijnen van Grohmann aan de fabriek werden toegevoegd naarmate er meer celproductiecapaciteit nodig was.

Het verbeteren van elk van de primaire silo’s waaruit een batterij bestaat, was nuttig en leidde tot grotere efficiëntie in Gigafactory 1, maar Tesla zag een grotere visie. Volledige integratie. Op Tesla’s Battery Day-evenement van vandaag gaf Drew Baglino een toelichting op de visie die nu bij Tesla wordt gerealiseerd.

Tesla’s 4680 productielijnen voor batterijcellen. Screenshot van Tesla’s Battery Day livestream.

“De verticale integratie met de machineontwerpteams van Grohmann, Highbar en anderen stelt ons in staat om dat echt te bereiken, omdat we geen van deze randvoorwaarden hebben tussen het ene apparaat en het andere,” zei Baglino. “We kunnen de hele machine ontwerpen om één machine te zijn en al deze onnodige stappen te verwijderen.”

Tesla’s niet-aflatende streven naar verticale integratie komt voort uit de wens om inefficiënties te elimineren en de duurzaamheid van het product te verbeteren. Een bijproduct van Tesla’s verticale integratie is een broodnodige verbetering van de kosten, waardoor de kosten van Tesla’s producten na verloop van tijd dalen.

De tabloze architectuur van de nieuwe 4680 cellen heeft ook een directe impact op het verbeteren van de produceerbaarheid. Niet alleen elimineert het tabloze ontwerp de noodzaak voor een tab; het elimineert ook de noodzaak voor de productielijnen om te pauzeren om de tabs toe te voegen. De nieuwe tabloze cellen elimineren deze hobbel in de weg, waardoor een productielijn mogelijk wordt die minder gevoelig is voor fabricagefouten terwijl hij zoemt, oprolt en massieve 4680 cellen uitspuugt.

“Dit is niet slechts een concept of een weergave,” zei Baglino. “We beginnen de productie van deze cellen op te voeren in onze proefproductiefaciliteit van 10 GWh, net om de hoek.” Tesla’s project Roadrunner heeft een proeflijn opgezet voor de productie van de 4680 cellen, en volgens CEO Elon Musk zien ze een duidelijk pad om de processen van de proeflijn op te voeren naar gigawattuur- en zelfs terawattuur-schaal.

“Het zal een tijdje duren om naar de 10 GWh-productiecapaciteit te gaan,” zei Musk. Het bedrijf verwacht in de komende 12 maanden de kinken in de nieuwe productielijnen te hebben gladgestreken. Op dat moment zal het tijd zijn om op schaal te gaan rijden. “Daadwerkelijke productiefabrieken zullen na verloop van tijd in de orde van grootte van 200 GWh of meer zijn.”

Lange termijn zijn het niet de nieuwe celafmetingen, chemie of configuratie van zijn voertuigen die Tesla als een kerncompetentie houdt. Productie is de sleutel. “Uiteindelijk zal elk autobedrijf elektrische auto’s met een lange actieradius hebben,” zei een gepassioneerde Musk. “Uiteindelijk zal elk bedrijf autonomie hebben. Maar niet elk bedrijf zal goed zijn in productie. Tesla zal absoluut, met kop en schouders, boven alle anderen uitsteken in productie. Dat is ons doel.”

Form Factor

Een van de resultaten van deze inspanningen is een nieuw 4680 tabless cilindrisch batterijcelformaat dat een groot aantal prestatie-, fabricage- en kostenvoordelen op tafel brengt. Zoals de naam al aangeeft, zijn de nieuwe jumbo cellen 46 mm in diameter en 80 mm in hoogte. De grotere geleirol verpakt meer actief batterijmateriaal in de behuizing voor een 5× verbetering van de energieopslag en een 6× toename van het vermogen. De nieuwe vormfactor alleen al zorgt voor een toename van het bereik met 16%.

De nieuwe 4680-cellen zonder lipjes zijn in vrijwel alle opzichten fundamenteel superieur aan cellen met lipjes. Ook al zijn ze groter, door het weglaten van het lipje kunnen elektronen zich gemakkelijker in de cel bewegen dan in de huidige 2170-cellen. “Je hebt eigenlijk een kortere padlengte in een grote cel zonder lipjes dan je hebt in een kleinere cel met lipjes,” zei Musk.

Betere chemie – aka, Silicon Is Awesome

De nieuwe cellen zijn niet het resultaat van een enkele verandering in de grootte van de cellen. Net als de talrijke herschrijvingen van Tesla Autopilot door de jaren heen, vertegenwoordigen de 4680 cellen een fundamentele herschrijving van de geschiedenis van batterijcellen bij Tesla.

Silicium wordt vandaag gebruikt in Tesla’s batterijen, maar de fysische eigenschappen maken het een beetje een uitdagend element om in grotere volumes te gebruiken. “De uitdaging met silicium is dat het 4× uitzet wanneer het wordt opgeladen met lithium,” zei Baglino. Silicium is na zuurstof het meest overvloedige element in de aardkorst, waardoor het een goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen basisproduct is. In feite is zand gewoon siliciumdioxide.

Om de ruwe randen van silicium te omzeilen, is Tesla misschien niet verrassend begonnen met ruw silicium. Dat verlaagt meteen de kosten van het silicium, en Tesla bouwde gewoon een nieuwe chemie om het aan te vullen. “Stabiliseer het oppervlak met een elastische ion-geleidende polymeercoating die wordt aangebracht via een zeer schaalbare aanpak,” zei Baglino.

Dat is veel eenvoudiger dan de huidige processen en maakt het mogelijk om een hoger percentage silicium te gebruiken in de cellen. Het resultaat is een goedkopere cel die ook een hogere capaciteit heeft. “We kunnen de actieradius van onze voertuigen met nog eens 20% vergroten”, aldus Baglino. De kers op de taart is dat de cellen ook goedkoper zijn. “Dat is nog eens 5% reductie op het niveau van het batterijpakket.”

Als het klinkt als de ultieme win-win, dan heb je helemaal gelijk. Dat is een van de vele redenen waarom Tesla’s Elon Musk de afgelopen maanden overliep van opwinding over de anders zo technologiezware Battery Day.

Reimagining Cathode Production

Volgens Tesla zijn de huidige kathodeproductieprocessen gebaseerd op erfenischemicaliën en processen die in silo’s zijn ontwikkeld. Tesla zijnde Tesla, werd een nieuw blanco vel papier gebruikt om een plan op te stellen om elke stap te optimaliseren om verspilling en kosten van erts tot kathode te minimaliseren.

Het vereenvoudigde pictogram van een uiterst gecompliceerde wereldwijde toeleveringsketen die zich uitstrekt van de verwerking van ruwe erts tot de levering van de afgewerkte kathode is veel minder ingewikkeld. Het is niet alleen gestroomlijnder, het is ook veel goedkoper en resulteert in minder afval.

Tesla’s nieuwe kathoden met hoog nikkelgehalte maken kobalt helemaal overbodig. Chemisch gezien is kobalt een fantastisch anker voor een kathode, maar er kleven enkele ernstige bezwaren aan.

Kobalt is van meet af aan giftig. Hoe minder giftige materialen mensen moeten ontginnen, verwerken en gebruiken, hoe beter.

Het is ook een enorme uitdaging om een duurzame bron van kobalt te vinden, omdat de overgrote meerderheid van de kobaltproductie in de wereld afkomstig is uit één land – de Democratische Republiek Congo. Het leiderschap van het land is niet het meest stabiele geweest, en het injecteren van honderden miljoenen dollars in een reeds corrupt systeem helpt de zaken niet. Met elektrische voertuigen en consumentenproducten die nog meer druk leggen op een systeem dat al onder druk staat, zijn de prijzen gedestabiliseerd.

Ethiek kan soms uit de weg worden gegaan, waarbij sommige mensenrechtengroeperingen de term “conflictkobalt” hebben bedacht.”

Wentel al deze factoren bij elkaar en kobalt, hoewel nuttig in de batterijcel, is allesbehalve gunstig voor een bedrijf dat de batterijproductie wil opschalen naar 3 terawattuur per jaar in 2030.

Door kobalt te laten vallen ten gunste van een kathode met veel nikkel, worden de kosten van een kathode ook met 15% verbeterd op basis van de kosten per kilowattuur. Dat is enorm. Het ontwerpen en produceren van kathodes vanaf de basis geeft Tesla ook een grote voorsprong bij het bouwen van zijn eigen interne batterijrecyclingsystemen.

Alles bij elkaar resulteerde Tesla’s werk aan kathodes in een proces dat de verwerkingskosten van een kathode met maar liefst 76% verlaagt. Dit alles gebeurt met veel minder apparatuur, wat zich vertaalt in een besparing van 66% op de kapitaaluitgaven voor kathodeproductie. Als kers op de taart verbruikt het nieuwe proces veel minder water dan het traditionele proces. Het nieuwe proces resulteert zelfs in geen afvalwater.

Tesla rolt al deze verbeteringen in een nieuwe kathodeproductiefaciliteit in Noord-Amerika. De fabriek zal zo worden gebouwd dat er in de regio zo weinig mogelijk niet-waardetoevoegende reizen voor grondstoffen en tussenproducten zijn.

Betere thermische eigenschappen

De verbetering die veel van het zware werk doet om een grotere vormfactor te kunnen gebruiken, is het ontwerp zonder tabs. Het elimineren van de lipjes vermindert de interne weerstand binnen de cel die door de extra component wordt veroorzaakt. Interne weerstand vertaalt zich in meer warmteontwikkeling, een complexer fabricageproces en hogere kosten.

Tesla’s nieuwe 4680 cel elimineert het interne tabblad, in plaats daarvan integreert het de functie van het tabblad in de geleirol zelf, wat resulteert in een schone, uniforme look aan het einde van de cel. “We hebben in feite de bestaande folies genomen, ze met laserpoeder bewerkt en tientallen verbindingen met het actieve materiaal mogelijk gemaakt via deze spiraalvormige vorm”, aldus Tesla SVP Drew Baglino.

Het elimineren van het lipje op elke cel “verwijdert het thermische probleem uit de vergelijking en stelt ons in staat om naar de absoluut goedkoopste vormfactor en het eenvoudigste productieproces te gaan”, aldus Baglino.

Focussend op de thermische voordelen van het tabloze ontwerp van Tesla’s nieuwe 4680-cel, stelt het nieuwe ontwerp de cellen met een grotere diameter in staat om thermische kenmerken te bereiken die vergelijkbaar zijn met die van een kleinere cel. Anders gezegd, ze blijven net zo koel als kleinere cellen, waardoor Tesla meer vermogen in hetzelfde fysieke volume kan proppen.

Grote cellen met tabbladen hebben in het verleden moeite gehad om warmte af te geven bij zeer hoge laadsnelheden. Tesla’s nieuwe cel verstoort de trend, laadt bijna net zo snel als een kleinere cel, terwijl het alle voordelen van een grotere cel naar de tafel brengt. Tesla heeft het beste van twee werelden weten te benutten en de kleine maar groeiende wereld van de productie van accu’s voor auto’s volledig verstoord.

Ik hoor je, maar wat dan nog?

Dat is een hoop technische inhoud voor iets waar de meeste mensen nooit over nadenken. Batterijcellen zijn enorm complex en Tesla’s nieuwste herschrijving van de fundamentele bouwsteen voor zijn elektrische voertuigen en energieopslagsystemen is misschien moeilijk te verteren.

Al met al betekent Tesla’s nieuwe 4680-batterijcel een paradigmaverschuiving in de energieopslag van auto’s. De nieuwe cellen zijn veel goedkoper en kunnen veel meer vermogen opslaan per volume-eenheid. Ze zijn opnieuw ontworpen als structurele elementen van het voertuig, wat resulteert in een goedkoper, stijver voertuig.

Tesla heeft vandaag honderden, zo niet duizenden kleine verbeteringen uitgerold die stapsgewijze verbeteringen brengen aan de fundamentele bouwsteen van Tesla’s bedrijf – de batterijcel.

  • 14% verbetering in kosten/kWh afkomstig van de verandering in celvormfactor.
  • 18% verbetering in de kosten/kWh als gevolg van de 10× verkleining van de fabricage voetafdruk en 10× vermindering van het fabricage energieverbruik. Het nieuwe droge fabricageproces maakt het mogelijk het actieve batterijpoeder rechtstreeks in een film te persen. Het nieuwe fabricageproces is gebaseerd op het eigen “proof of concept”-proces van Maxwell Technologies. Het proces is nog niet op productieschaal, maar er is een “duidelijk pad” naar productie op grote schaal.
  • 5% verbetering in kosten/kWh afkomstig van het verhoogde gebruik van silicium in de batterijcellen.
  • 12% vermindering in kosten/kWh afkomstig van verbeteringen in het kathodemateriaal.
  • 7% verbetering in kosten van het batterijpakket per kWh als gevolg van Tesla’s nieuwe geïntegreerde voertuigontwerp. Tesla heeft zijn voertuigen opnieuw ontworpen met nieuwe gietstukken aan de voor- en achterkant die met het batterijpakket zijn geïntegreerd. Om dit te bereiken heeft Tesla een volledig nieuwe legering ontwikkeld die het mogelijk maakt enkele van de grootste componenten in de autosector te gieten. Deze worden rechtstreeks in een nieuwe “structurele batterij” geschroefd, waardoor overtollige, parallelle elementen in Tesla’s niet langer nodig zijn.

Al met al, Tesla’s herontwerp van de batterij, kathode, en voertuig frame vertalen zich in een verwachte verbetering van 56% in Tesla’s kosten per kWh. Dat is een doorbraak voor Tesla en zal een compleet nieuwe generatie van goedkope elektrische voertuigen mogelijk maken. Het begint allemaal met de bescheiden batterijcel. Tesla heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het herdenken van de batterijcel en is goed op weg om deze nieuwe cellen in productie te nemen. Maar alles bij elkaar zal het bedrijf 18 maanden nodig hebben om de meeste van deze veranderingen in productie te nemen.

Alle beelden zijn afkomstig van Tesla’s Battery Day livestream.

Waardeert u CleanTechnica’s originaliteit? Overweeg CleanTechnica-lid, -supporter, -technicus of -ambassadeur te worden, of een mecenas op Patreon.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.