Alles, Was Sie über Teslas Neue 4680 Batteriezelle Wissen Müssen Know

2023 Autor: Isabella Ferguson | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-08-03 14:08

Tesla hielt sich beim Battery Day nicht zurück und kündigte unter anderem einen neuen Formfaktor mit 4680 Zellen an. Der neue Formfaktor macht die Laschen überflüssig, erhöht die Energiedichte, behält ähnliche thermische Eigenschaften kleinerer Zellen bei, verbessert das Leistungsgewicht, rationalisiert die Herstellung und senkt die Kosten.

Anders gesagt, die neue Tesla 4680-Zelle ist das Äquivalent dazu, eine Kartoffelkanone zu einem Pommes-Kampf zu bringen. Lassen Sie uns jede der Verbesserungen durchgehen, die der neue Formfaktor mit sich bringt.

Maßstab ist notwendig

Tesla war damit zufrieden, Zellen mit seiner proprietären Chemie von seinen Lieferanten zu kaufen, sah jedoch Probleme am Horizont. Tesla strebt ein kontinuierliches Wachstum von 40 bis 50 % pro Jahr an und benötigt dafür immer mehr Batterien. Teslas Batterieprognosen zeigten eine Lücke zwischen den Produktionsgrenzen seiner Batteriezellenlieferanten und Teslas interner Nachfrage nach seinen Automobil- und Energiespeichergeschäften.

Um dies zu lösen, haben die Teams von Tesla hart daran gearbeitet, neue technische Lösungen zu kaufen und zu entwickeln, um weitere Verbesserungen des Batteriezellenformats voranzutreiben. Vielleicht noch wichtiger ist, dass Tesla sein Know-how im Bereich der Batteriezellenherstellung zusammen mit seiner weltweit führenden Kompetenz bei der Herstellung von Geräten nutzte, um den gesamten Prozess von Anfang bis Ende zu überdenken.

Wir beabsichtigen, den Kauf von Batteriezellen von Panasonic, LG & CATL (möglicherweise auch von anderen Partnern) zu erhöhen, nicht zu reduzieren. Aber auch wenn unsere Zelllieferanten auf Hochtouren gehen, sehen wir im Jahr 2022 und darüber hinaus noch erhebliche Engpässe, wenn wir nicht auch selbst Maßnahmen ergreifen.

- Elon Musk (@elonmusk) 21. September 2020

Schrittweise Verbesserung bei der Zellherstellung

Als Tesla nach mehr Effizienz in der Automobilherstellung strebte, ging Tesla schnell über das bloße Entwerfen und Bauen von Produkten hinaus und ging in das Design der Maschine ein, die die Maschine baut. Die Herstellung ist schwierig, aber Teslas Engagement führte über das Produkt hinaus zur Entwicklung von Produkten, die einfacher herzustellen waren. Wir haben dies zum ersten Mal beim Modell 3 gesehen und die Arbeit wurde mit jeder Iteration fortgesetzt.

Als es an der Zeit war, die neue Batterie zu entwerfen, schaute Tesla die ganze Kette nach oben, bis zum Ausgangspunkt. Dies spiegelt Musks Besessenheit vom Denken der 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 immer wieder definiert und verfeinert wurden, ist es dann möglich, ein optimiertes Design zu bauen.

Die 4680 Batteriezellen-Produktionslinien von Tesla. Screenshot von Teslas Battery Day Livestream.

In der Batteriewelt haben wir gesehen, wie Tesla mit der Übernahme der Batterie- und Superkondensator-Pioniere bei Maxwell Technologies und Hibar Systems neue Grundlagen geschaffen hat. Tesla hat seinen Weg durch den Bau seiner ersten Gigafactory in Sparks, Nevada, gelernt und die Fertigungsanlagenexperten von Grohmann Automation übernommen. Grohmann wurde schnell zum Hauptentwickler für die Batteriezellen-Produktionslinien in Teslas Gigafactory 1 und fügte der Fabrik immer fortschrittlichere Produktionslinien von Grohmann hinzu, da mehr Zellproduktionskapazität benötigt wurde.

Die Verbesserung jedes der Primärsilos mit einer Batterie war hilfreich und führte zu einer höheren Effizienz in der Gigafactory 1, aber Tesla sah eine größere Vision. Vollständige Integration. Beim heutigen Tesla Battery Day hat Drew Baglino die Vision ausgepackt, die jetzt bei Tesla verwirklicht wird.

Die 4680 Batteriezellen-Produktionslinien von Tesla. Screenshot von Teslas Battery Day Livestream.

„Die vertikale Integration mit den Maschinendesign-Teams von Grohmann, Highbar und anderen ermöglicht es uns, dies wirklich zu erreichen, da wir keine dieser Randbedingungen zwischen einem Gerät und einem anderen haben“, sagte Baglino. „Wir können die gesamte Maschine als eine Maschine konzipieren und all diese unnötigen Schritte vermeiden.“

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

Die Tabellenarchitektur der neuen 4680-Zellen hat auch einen direkten Einfluss auf die Verbesserung der Herstellbarkeit. Das Tabellendesign macht nicht nur eine Registerkarte überflüssig; Dadurch müssen die Produktionslinien nicht anhalten, um die Registerkarten hinzuzufügen. Die neuen Tischzellen beseitigen diese Unebenheit auf der Straße und ermöglichen eine Fertigungslinie, die weniger anfällig für Herstellungsfehler ist, da sie vor sich hin brummt, sich aufrollt und massive 4680 Zellen ausspuckt.

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

„Es wird eine Weile dauern, bis die Produktionskapazität von 10 GWh [annualisiert] erreicht ist“, sagte Musk. Das Unternehmen erwartet, dass die Knicke in den neuen Produktionslinien in den nächsten 12 Monaten ausgebügelt werden. An diesem Punkt ist es an der Zeit, die Skalierung voranzutreiben. „Die tatsächlichen Produktionsanlagen werden im Laufe der Zeit in der Größenordnung von 200 GWh oder mehr liegen.“

Langfristig sind es nicht die neuen Zelldimensionen, die Chemie oder die Konfiguration seiner Fahrzeuge, die Tesla als Kernkompetenz hält. Vielmehr steht die Fertigung im Vordergrund. „Irgendwann wird jede Autofirma Elektroautos mit großer Reichweite haben“, sagte ein leidenschaftlicher Musk. „Irgendwann wird jedes Unternehmen Autonomie haben. Aber nicht jedes Unternehmen wird in der Herstellung großartig sein. Tesla wird in der Fertigung absolut über allen anderen stehen. Das ist unser Ziel.“

Formfaktor

Eines der Ergebnisse dieser Bemühungen ist ein neues zylindrisches Batteriezellenformat mit 4680 Tischen, das eine Vielzahl von Leistungs-, Herstellungs- und Kostenvorteilen mit sich bringt. Wie der Name schon sagt, haben die neuen Jumbo-Zellen einen Durchmesser von 46 mm und eine Höhe von 80 mm. Die größere Jelly Roll packt mehr aktives Batteriematerial in das Gehäuse für eine 5-fache Verbesserung der Energiespeicherung und eine 6-fache Leistungssteigerung. Auf das Pack skaliert, bietet allein der neue Formfaktor eine Reichweitensteigerung von 16 %.

Die neuen Tabellen mit 4680 Zellen sind Zellen mit Tabulatoren in nahezu jeder Hinsicht grundsätzlich überlegen. Obwohl sie größer sind, macht es das Weglassen der Lasche für Elektronen tatsächlich einfacher, sich in der Zelle zu bewegen als in den aktuellen 2170-Zellen. „In einer großen Tabellenzelle haben Sie tatsächlich eine kürzere Pfadlänge als in einer kleineren Zelle mit Tabulatoren“, sagte Musk.

Verbesserte Chemie – auch bekannt als Silicon Is Awesome

Die neuen Zellen sind nicht das Ergebnis einer einzigen Änderung der Zellengröße. Ähnlich wie die zahlreichen Überarbeitungen von Tesla Autopilot im Laufe der Jahre stellen die 4680 Zellen eine grundlegende Neuschreibung der Geschichte der Batteriezellen bei Tesla dar.

Silizium wird heute in Teslas Batterien verwendet, aber seine physikalischen Eigenschaften machen es zu einem schwierigen Element, das bei höheren Stückzahlen verwendet wird. „Die Herausforderung bei Silizium besteht darin, dass es sich beim Aufladen mit Lithium um das Vierfache ausdehnt“, sagte Baglino. Silizium ist nach Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste, was es zu einem kostengünstigeren und leicht zu beschaffenden Rohstoff macht. Tatsächlich ist Sand nur Siliziumdioxid.

Um die Ecken und Kanten von Silizium zu umgehen, hat Tesla vielleicht nicht überraschend mit Rohsilizium begonnen. Das senkt die Kosten für das Silizium auf Anhieb, und Tesla hat einfach eine neue Chemie entwickelt, um sie zu ergänzen. „Stabilisieren Sie die Oberfläche mit einer elastischen ionenleitenden Polymerbeschichtung, die durch einen sehr skalierbaren Ansatz aufgetragen wird“, sagte Baglino.

Das ist deutlich einfacher als bisherige Verfahren und ermöglicht einen höheren Siliziumanteil in den Zellen. Das Ergebnis ist eine billigere Zelle, die auch über eine höhere Kapazität verfügt. „Wir können die Reichweite unserer Fahrzeuge um weitere 20 % erhöhen“, sagte Baglino. Das i-Tüpfelchen ist, dass die Zellen auch günstiger sind. „Das ist eine weitere Reduzierung der [Kosten] um 5 % auf Akku-Ebene.“

Wenn es sich nach der ultimativen Win-Win-Situation anhört, sind Sie genau richtig. Das ist einer der vielen Gründe, warum Teslas Elon Musk in den letzten Monaten vor Aufregung über den ansonsten techniklastigen Battery Day sprudelt.

Kathodenproduktion neu denken

Laut Tesla basieren die heutigen Kathodenproduktionsprozesse auf alten Chemien und Prozessen, die in Silos entwickelt wurden. Da Tesla Tesla ist, wurde ein neues leeres Blatt Papier verwendet, um einen Plan zu entwerfen, um jeden Schritt zu optimieren, um Abfall und Kosten vom Erz bis zur Kathode zu minimieren.

Das vereinfachte Piktogramm einer äußerst komplizierten globalen Lieferkette von der Roherzaufbereitung bis zur Auslieferung der fertigen Kathode ist weit weniger verworren. Es ist nicht nur schlanker, es ist auch viel billiger und führt zu weniger Abfall.

Die neuen Hoch-Nickel-Kathoden von Tesla machen Kobalt komplett überflüssig. Chemisch gesehen ist Kobalt ein fantastischer Anker für eine Kathode, aber es gibt einige ernsthafte Einschränkungen.

Kobalt ist auf Anhieb giftig. Je weniger giftige Stoffe der Mensch abbauen, verarbeiten und nutzen muss, desto besser.

Es ist auch äußerst schwierig, eine nachhaltige Kobaltquelle zu sichern, da der überwiegende Teil der Kobaltproduktion der Welt aus einem einzigen Land stammt - der Demokratischen Republik Kongo. Die Führung des Landes war nicht die stabilste, und Hunderte Millionen Dollar in ein bereits korruptes System zu stecken, hilft nicht weiter. Da Elektrofahrzeuge und Konsumgüter ein bereits in Frage gestelltes System noch stärker belasten, sind die Preise destabilisiert.

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

Wenn man all diese Faktoren zusammenfasst, ist Kobalt zwar von Vorteil in der Batteriezelle, aber alles andere als vorteilhaft für ein Unternehmen, das die Batterieproduktion bis 2030 auf bis zu 3 Terawattstunden pro Jahr steigern möchte.

Der Verzicht auf Kobalt zugunsten einer Hochnickelkathode verbessert auch die Kosten einer Kathode um 15 % auf Kosten pro Kilowattstunde. Das ist massiv. Die Entwicklung und Herstellung von Kathoden von Grund auf gibt Tesla auch einen großen Vorsprung beim Aufbau eigener interner Batterie-Recycling-Systeme.

Alles in allem führte Teslas Arbeit an Kathoden zu einem Prozess, der die Verarbeitungskosten einer Kathode um unglaubliche 76 % senkt. Dies alles geschieht mit weit weniger Ausrüstung, was zu einer Einsparung von 66 % bei den Investitionsausgaben für die Kathodenproduktion führt. Als i-Tüpfelchen verbraucht das neue Verfahren deutlich weniger Wasser als die herkömmliche Verarbeitung. Tatsächlich führt das neue Verfahren zu null Abwasser.

Tesla bringt all diese Verbesserungen in eine neue Produktionsstätte für Kathoden in Nordamerika. Es wird so gelegen, dass nicht wertschöpfende Reisen für Rohstoffe und Zwischenprodukte in der Region minimiert werden.

Verbesserte thermische Eigenschaften

Die Verbesserung, die einen Großteil der schweren Arbeit erledigt, um die Verwendung eines größeren Formfaktors zu ermöglichen, ist das Tischdesign. Das Weglassen der Laschen verringert den Innenwiderstand innerhalb der Zelle, der durch die zusätzliche Komponente verursacht wird. Der Innenwiderstand bedeutet mehr Wärmeentwicklung, einen komplexeren Herstellungsprozess und höhere Kosten.

Die neue 4680-Zelle von Tesla eliminiert die interne Lasche und integriert stattdessen die Funktion der Lasche in die Geleerolle selbst, was zu einem sauberen, einheitlichen Aussehen bis zum Ende der Zelle führt. „Wir haben im Grunde genommen die vorhandenen Folien genommen, sie laserpulverisiert und Dutzende von Verbindungen in das aktive Material durch diese geschindelte Spirale ermöglicht“, sagte Tesla-SVP Drew Baglino.

Das Eliminieren der Lasche an jeder Zelle „beseitigt das thermische Problem aus der Gleichung und ermöglicht es uns, den absolut kostengünstigsten Formfaktor und den einfachsten Herstellungsprozess zu erreichen“, sagte Baglino.

Das neue Design konzentriert sich auf die thermischen Vorteile des Tischdesigns der neuen 4680-Zelle von Tesla und ermöglicht es den Zellen mit größerem Durchmesser, thermische Eigenschaften ähnlich denen einer kleineren Zelle zu erreichen. Anders gesagt, sie bleiben so kühl wie kleinere Zellen, sodass Tesla mehr Leistung in das gleiche physische Volumen packen kann.

Größere Tabbed-Zellen hatten in der Vergangenheit Schwierigkeiten, Wärme bei sehr hohen Ladegeschwindigkeiten abzugeben. Teslas neue Zelle unterbricht den Trend, lädt fast so schnell wie eine kleinere Zelle und bringt gleichzeitig alle Vorteile einer größeren Zelle auf den Tisch. Tesla war in der Lage, das Beste aus beiden Welten zu vereinen und die kleine, aber wachsende Welt der Automobilbatteriezellenproduktion vollständig zu stören.

Ich höre dich, aber was soll's?

Das ist eine Menge technischer Inhalte für etwas, worüber die meisten Menschen nie nachdenken. Batteriezellen sind enorm komplex und Teslas neueste Neufassung des grundlegenden Bausteins für seine Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme könnte schwer zu verdauen sein. Legen wir einen Bogen hinein.

Alles in allem repräsentiert Teslas neue 4680 Batteriezelle einen Paradigmenwechsel in der automobilen Energiespeicherung. Die neuen Zellen sind deutlich günstiger und können deutlich mehr Strom pro Volumeneinheit speichern. Sie wurden als Strukturelemente des Fahrzeugs umgestaltet, was zu einem billigeren, steiferen Fahrzeug führt.

Tesla hat heute Hunderte, wenn nicht Tausende kleiner Verbesserungen eingeführt, die den grundlegenden Baustein von Teslas Geschäft – die Batteriezelle – stufenweise verbessern.

14 % Verbesserung der Kosten/kWh aufgrund der Änderung des Zellformfaktors.

• 18 % Kostenersparnis/kWh aufgrund der 10-fachen Reduzierung des Fertigungs-Footprints und 10-fachen Reduzierung des Energieverbrauchs in der Fertigung. Das neue Trockenherstellungsverfahren ermöglicht es, das aktive Batteriepulvermaterial direkt in eine Folie zu pressen. Der neue Herstellungsprozess basiert auf dem proprietären „Proof of Concept“-Prozess von Maxwell Technologies. Der Prozess ist noch nicht im Produktionsmaßstab, aber es gibt einen „klaren Weg“zur Produktion im großen Maßstab.
• 5 % Verbesserung der Kosten/kWh aufgrund der erhöhten Siliziumausnutzung in den Batteriezellen.
• 12% Kostensenkung/kWh durch Verbesserungen des Kathodenmaterials.
• 7 % weniger Batteriesatzkosten pro kWh aufgrund des neuen integrierten Fahrzeugdesigns von Tesla. Tesla hat seine Fahrzeuge mit neuen Front- und Heckgussteilen neu gestaltet, die in das Batteriepaket integriert sind. Um dies zu erreichen, hat Tesla eine völlig neue Legierung entwickelt, um das Gießen einiger der größten Komponenten im Automobilbereich zu ermöglichen. Diese werden direkt in eine neue „strukturelle Batterie“geschraubt, wodurch redundante, parallele Elemente in Teslas überflüssig werden.

Alles in allem führt Teslas Neugestaltung der Batterie, der Kathode und des Fahrzeugrahmens zu einer erwarteten Verbesserung der Tesla-Kosten pro kWh um 56 %. Das ist ein Game Changer für Tesla und wird eine völlig neue Generation von kostengünstigen Elektrofahrzeugen ermöglichen. Alles beginnt mit der bescheidenen Batteriezelle. Tesla hat erhebliche Fortschritte beim Überdenken der Batteriezelle gemacht und ist auf dem besten Weg, diese neuen Zellen in die Produktion zu bringen. Aber alles in allem wird es 18 Monate dauern, bis die meisten dieser Änderungen in Produktion gehen.

Alle Bilder von Teslas Battery Day Livestream.