Allt du behöver veta om Teslas nya 4680-battericell

Tesla höll inte tillbaka på batteridagen och tillkännagav bland annat en ny tabless 4680-cellformfaktor. Den nya formfaktorn eliminerar flikarna, ökar energitätheten, bibehåller liknande termiska egenskaper som mindre celler, förbättrar förhållandet mellan effekt och vikt, effektiviserar tillverkningen och sänker kostnaden.

Sagt på ett annat sätt är Teslas nya 4680-cell likvärdig med att ta med sig en potatispistol till ett slagsmål om pommes frites. Låt oss gå igenom var och en av de förbättringar som den nya formfaktorn medför.

Skalering är nödvändig

Tesla nöjde sig med att köpa celler med sin egenutvecklade kemi från sina leverantörer, men såg problem vid horisonten. Tesla har som mål att växa konstant med 40-50 procent per år, och för att göra det kommer företaget att behöva fler och fler batterier. Teslas batteriprognoser visade att det fanns en klyfta mellan produktionsgränserna hos leverantörerna av battericeller och Teslas interna efterfrågan inom bilindustrin och energilagringsverksamheten.

För att lösa detta har Teslas team jobbat hårt med att köpa in och utforma nya tekniska lösningar för att driva på ytterligare förbättringar av battericellformatet. Kanske ännu viktigare är att Tesla utnyttjade sitt kunnande inom området för tillverkning av battericeller tillsammans med sin världsledande kompetens inom tillverkningsutrustning för att ompröva hela processen från början till slut.

Step Change Improvement In Cell Manufacturing

I samband med att Tesla strävade efter större effektivitet inom biltillverkningen gick man snabbt längre än att bara designa och bygga produkter och gick in i designen av den maskin som bygger maskinen. Tillverkning är svårt, men Teslas engagemang ledde företaget bortom produkten till att designa produkter som var lättare att tillverka. Vi såg detta för första gången med Model 3, och arbetet har fortsatt med varje iteration.

När det var dags att designa det nya batteriet tittade Tesla hela vägen uppåt i kedjan, till utgångspunkten. Att göra detta är en återspegling av Musks besatthet av förstaprinciptänkande. Han försöker börja varje design, varje diskussion med vad som verkligen är den minsta gemensamma nämnaren – den enklaste sanningen som förankrar våra produkter i de mineraler de består av. När dessa har definierats och förfinats om och om igen är det sedan möjligt att bygga en optimerad konstruktion.

Teslas 4680 produktionslinjer för battericeller. Skärmdump av Teslas livestream från Battery Day.

I batterivärlden såg vi hur Tesla etablerade nya sanningar med förvärvet av batteri- och superkondensatorpionjärerna på Maxwell Technologies och Hibar Systems. Tesla lärde sig genom byggandet av sin första Gigafactory i Sparks, Nevada, genom att förvärva experterna på tillverkningsutrustning hos Grohmann Automation. Grohmann blev snabbt den främsta utvecklaren för produktionslinjerna för battericeller vid Teslas Gigafactory 1. Alltmer avancerade produktionslinjer från Grohmann lades till i fabriken i takt med att mer kapacitet för cellproduktion behövdes.

Att förbättra var och en av de primära silos som ett batteri består av var till hjälp och ledde till ökad effektivitet vid Gigafactory 1, men Tesla såg en större vision. Fullständig integrering. Vid Teslas Battery Day-evenemang i dag packade Drew Baglino upp visionen som nu förverkligas hos Tesla.

Teslas 4680 produktionslinjer för battericeller. Skärmdump av Teslas livestream från Battery Day.

”Den vertikala integrationen med maskinkonstruktionsteamen på Grohmann, Highbar och andra gör det möjligt för oss att verkligen åstadkomma detta eftersom vi inte har några av de här kantförhållandena mellan en del av utrustningen och en annan”, sade Baglino. ”Vi kan utforma hela maskinen så att den blir en enda maskin och ta bort alla dessa onödiga steg.”

Teslas obevekliga strävan efter vertikal integration kommer från en önskan att eliminera ineffektivitet och förbättra produktens hållbarhet. En biprodukt av Teslas vertikala integration är en välbehövlig kostnadsförbättring, vilket gör att kostnaden för Teslas produkter sjunker med tiden.

Den fliklösa arkitekturen i de nya 4680-cellerna har också en direkt inverkan på förbättringen av tillverkningsbarheten. Den flikfria konstruktionen eliminerar inte bara behovet av en flik; den eliminerar också behovet av att produktionslinjerna måste pausa för att lägga till flikarna. De nya cellerna utan flikar eliminerar detta problem och möjliggör en produktionslinje som är mindre benägen att drabbas av tillverkningsfel när den rullar upp och spottar ut massiva 4680-celler.

”Det här är inte bara ett koncept eller en rendering”, säger Baglino. ”Vi har börjat öka tillverkningen av dessa celler i vår pilotproduktionsanläggning för 10 GWh som ligger precis runt hörnet.” Teslas projekt Roadrunner etablerade en pilotlinje för tillverkning av 4680-cellerna, och enligt vd Elon Musk ser de en tydlig väg till att öka pilotlinjens processer till gigawattimmars och till och med terawattimmars skala.

”Det kommer att ta ett tag att nå upp till produktionskapaciteten på 10 GWh”, sade Musk. Företaget räknar med att ha rett ut knutarna i de nya produktionslinjerna under de kommande 12 månaderna. Vid den tidpunkten kommer det att vara dags att driva på skalan. ”De faktiska produktionsanläggningarna kommer att vara i storleksordningen 200 GWh eller mer med tiden.”

Långsiktigt är det inte de nya celldimensionerna, kemin eller konfigurationen av dess fordon som Tesla håller som en kärnkompetens. Det är snarare tillverkningen som är nyckeln. ”Så småningom kommer alla bilföretag att ha elbilar med lång räckvidd”, sade en passionerad Musk. ”Så småningom kommer alla företag att ha autonomi. Men alla företag kommer inte att vara bra på tillverkning. Tesla kommer absolut, med huvudet och axlarna, att stå över alla andra när det gäller tillverkning. Det är vårt mål.”

Formfaktor

Ett av resultaten av dessa ansträngningar är ett nytt 4680-format för cylindriska battericeller utan flikar som ger en mängd fördelar i fråga om prestanda, tillverkning och kostnader. Som namnet antyder är de nya jumbo-cellerna 46 mm i diameter och 80 mm höga. Den större gelerullen packar in mer aktivt batterimaterial i höljet för en 5× förbättring av energilagringen och en 6× ökning av effekten. Om man skalar upp till förpackningen ger enbart den nya formfaktorn en 16-procentig ökning av räckvidden.

De nya flikfria 4680-cellerna är i grunden överlägsna celler med flikar på så gott som alla sätt. Även om de är större gör borttagandet av fliken det faktiskt lättare för elektronerna att ta sig runt i cellen än i de nuvarande 2170-cellerna. ”Du har faktiskt en kortare vägsträcka i en stor cell utan flikar än i en mindre cell med flikar”, säger Musk.

Förbättrad kemi – kisel är fantastiskt

De nya cellerna är inte resultatet av en enda förändring av cellernas storlek. Ungefär som de många omskrivningarna av Teslas autopilot under årens lopp representerar 4680-cellerna en grundläggande omskrivning av battericellernas historia hos Tesla.

Silikon används i Teslas batterier idag, men dess fysikaliska egenskaper gör det till ett lite utmanande element att använda i större volymer. ”Utmaningen med kisel är att det expanderar 4× när det laddas med litium”, säger Baglino. Kisel är det vanligaste grundämnet i jordskorpan efter syre, vilket gör det till en billig och lätt att skaffa råvara. Sand är faktiskt bara kiseldioxid.

För att komma runt kisels grova kanter började Tesla, kanske föga förvånande, med rå kisel. Direkt från början sänker det kostnaden för kisel, och Tesla byggde helt enkelt en ny kemi för att komplettera den. ”Stabilisera ytan med en elastisk jonledande polymerbeläggning som appliceras genom ett mycket skalbart tillvägagångssätt”, säger Baglino.

Det är mycket enklare än nuvarande processer och gör det möjligt att använda en högre andel kisel i cellerna. Resultatet är en billigare cell som också har högre kapacitet. ”Vi kan öka räckvidden för våra fordon med ytterligare 20 procent”, säger Baglino. Som grädde på moset är cellerna också billigare. ”Det är ytterligare 5 % minskning på batteripacknivå.”

Om det låter som den ultimata win-win-situationen har du helt rätt. Det är en av många anledningar till att Teslas Elon Musk har sprudlat av entusiasm över den annars tekniktunga batteridagen under de senaste månaderna.

Reimagining Cathode Production

Enligt Tesla är dagens processer för katodtillverkning baserade på äldre kemier och processer som utvecklats i silos. Eftersom Tesla är Tesla användes ett nytt tomt papper för att utarbeta en plan för att optimera varje steg för att minimera slöseri och kostnader från malm till katod.

Den förenklade bilden av en extremt komplicerad global försörjningskedja som sträcker sig från bearbetningen av råmalm till leveransen av den färdiga katoden är betydligt mindre invecklad. Den är inte bara mer strömlinjeformad, den är också mycket billigare och resulterar i mindre avfall.

Teslas nya katoder med hög nickelhalt eliminerar helt behovet av kobolt. Kemiskt sett är kobolt ett fantastiskt ankare för en katod, men det kommer med några allvarliga förbehåll.

Redan från början är kobolt giftigt. Ju färre giftiga material människor måste bryta, bearbeta och använda, desto bättre.

Det är också extremt utmanande att säkra en källa till kobolt som är hållbar, eftersom den stora majoriteten av koboltproduktionen i världen kommer från ett enda land – Demokratiska republiken Kongo. Landets ledarskap har inte varit det mest stabila, och att injicera hundratals miljoner dollar i ett redan korrupt system gör inte saken bättre. Med elbilar och konsumentprodukter som sätter ännu mer press på ett redan utmanat system har priserna blivit destabiliserade.

Etik kan ibland glida iväg, och vissa människorättsgrupper har myntat begreppet ”konfliktkobolt”.”

Rulla ihop alla dessa faktorer och kobolt, även om det är fördelaktigt i battericellen, är allt annat än fördelaktigt för ett företag som vill skala upp batteriproduktionen till 3 terawattimmar per år år 2030.

Avstå från kobolt till förmån för en katoden med hög nickelhalt förbättrar också kostnaden för en katoden med 15 % på en kostnad per kilowattimme. Det är enormt. Att utforma och tillverka katoder från grunden ger också Tesla ett stort försprång när det gäller att bygga sina egna interna system för återvinning av batterier.

Teslas arbete med katoder resulterade totalt sett i en process som sänker behandlingskostnaden för en katod med svindlande 76 %. Allt detta görs med mycket mindre utrustning, vilket innebär en besparing på 66 % av kapitalkostnaderna för katodproduktion. Som grädde på moset använder den nya processen mycket mindre vatten än traditionell behandling. Faktum är att den nya processen resulterar i noll vattenavfall.

Tesla rullar in alla dessa förbättringar i en ny anläggning för katodproduktion i Nordamerika. Den kommer att placeras för att minimera resor utan mervärde för råvaror och mellanprodukter i regionen.

Förbättrade termiska egenskaper

Förbättringen som gör en stor del av det tunga lyftet för att möjliggöra användning av en större formfaktor är den flikfria designen. Genom att eliminera flikarna minskar det interna motståndet i cellen som orsakas av den extra komponenten. Internt motstånd översätts till mer värmeutveckling, en mer komplex tillverkningsprocess och högre kostnad.

Teslas nya 4680-cell eliminerar den interna fliken och integrerar i stället funktionen för fliken i själva gelérullen, vilket resulterar i ett rent och enhetligt utseende i slutet av cellen. ”Vi tog i princip de befintliga folierna, laserpulveriserade dem och möjliggjorde dussintals anslutningar till det aktiva materialet genom den här skifferformade spiralen”, sade Teslas SVP Drew Baglino.

Eliminering av fliken på varje cell ”tar bort det termiska problemet från ekvationen och gör det möjligt för oss att gå till den absolut lägsta kostnadsformfaktorn och den enklaste tillverkningsprocessen”, sade Baglino.

Med fokus på de termiska fördelarna med den flikfria konstruktionen av Teslas nya 4680-cell gör den nya konstruktionen det möjligt för celler med större diameter att uppnå termiska egenskaper som liknar dem hos en mindre cell. Med andra ord håller de sig lika svala som mindre celler, vilket gör det möjligt för Tesla att trycka in mer kraft i samma fysiska volym.

Större celler med flikar har historiskt sett haft svårt att avleda värme vid mycket snabba laddningshastigheter. Teslas nya cell bryter trenden och laddar nästan lika snabbt som en mindre cell, samtidigt som den tillför alla de fördelar som en större cell har. Tesla kunde ta det bästa av två världar och fullständigt rubba den lilla men växande världen av battericellproduktion för bilar.

Jag hör dig, men vadå?

Det är en hel del tekniskt innehåll för något som de flesta människor aldrig tänker på. Battericeller är enormt komplexa och Teslas senaste omskrivning av den grundläggande byggsten som ingår i företagets elbilar och energilagringssystem kan vara svår att smälta. Låt oss sätta en båge på den.

Samt sett representerar Teslas nya 4680-battericell ett paradigmskifte inom energilagring i bilar. De nya cellerna är mycket billigare och kan lagra mycket mer energi per volymenhet. De har omkonstruerats som strukturella delar av fordonet, vilket resulterar i ett billigare, mer styvt fordon.

Tesla lanserade hundratals, om inte tusentals små förbättringar i dag som innebär stegvisa förbättringar av den grundläggande byggstenen i Teslas verksamhet – battericellen.

  • 14 % förbättring av kostnaden/kWh som kommer från ändringen av cellens formfaktor.
  • 18 % förbättring av kostnaden/kWh som ett resultat av 10× minskning av tillverkningsavtrycket och 10× minskning av tillverkningsenergiförbrukningen. Den nya torra tillverkningsprocessen gör det möjligt att pressa det aktiva batteripulvermaterialet direkt till en film. Den nya tillverkningsprocessen är baserad på Maxwell Technologies egenutvecklade ”proof of concept”-process. Processen är ännu inte i produktionsskala, men det finns en ”tydlig väg” till storskalig produktion.
  • 5 % förbättring av kostnaden/kWh till följd av ökad användning av kisel i battericellerna.
  • 12 % minskning av kostnaden/kWh till följd av förbättringar av katodmaterialet.
  • 7 % förbättring av kostnaden för batteripaketet per kWh som ett resultat av Teslas nya integrerade fordonsdesign. Tesla har omdesignat sina fordon genom att använda nya främre och bakre gjutningar som integreras med batteripaketet. För att åstadkomma detta utvecklade Tesla en helt ny legering för att möjliggöra gjutning av några av de största komponenterna inom bilindustrin. Dessa skruvas direkt in i ett nytt ”strukturellt batteri”, vilket eliminerar behovet av överflödiga, parallella element i Tesla.

Teslas omkonstruktion av batteriet, katoden och fordonsramen innebär sammantaget en förväntad förbättring av Teslas kostnad per kWh med 56 %. Det är en game changer för Tesla och kommer att möjliggöra en helt ny generation av billiga elbilar. Allt börjar med den enkla battericellen. Tesla har gjort betydande framsteg när det gäller att tänka om när det gäller battericellen och har kommit en bra bit på väg mot att rulla in dessa nya celler i produktion. Men sammantaget kommer det att ta företaget 18 månader för de flesta av dessa förändringar att nå produktion.

Alla bilder är tagna från Teslas livestream på Battery Day.

Gillar du CleanTechnicas originalitet? Överväg att bli CleanTechnica-medlem, -stödjare, -tekniker eller -ambassadör – eller en beskyddare på Patreon.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.