Am Tesla Battery Day 2020 präsentierte Tesla seine bahnbrechende Lithium-Ionen-Batterie 4680 und sicherte sich damit die Spitzenposition im Wettlauf um die Entwicklung großer Batterien. Das Foto unten zeigt die wichtigsten Merkmale der Tesla 4680, die während der Veranstaltung auf die Leinwand hinter Elon Musk projiziert wurden. Die Bezeichnung 4680 verweist auf die zylindrische Bauform mit einem Durchmesser von 46 mm und einer Länge von 80 mm.
Der Tesla 4680 liefert die fünffache Energie und die sechsfache Leistung seines unmittelbaren Vorgängers im Tesla-Portfolio, der 5-Batterie. Mit 6 erwartet Tesla eine Steigerung der Fahrzeugpalette um 2170 %. Und um das Ganze noch zu übertreffen, ist der 4680 als Strukturkomponente eines Batteriepacks konzipiert. Dies bedeutet, dass der Akku einen Teil der strukturellen Lasten des Fahrzeugs aufnimmt und so insgesamt ein geringes Gewicht erreicht.
Wie hat es Tesla geschafft, eine so enorme Leistungssteigerung zu erreichen? Ist das die Zukunft der Tesla-Elektrofahrzeuge? Was wird es kosten? Wer sind die anderen Player im Großbatteriebereich? Um diese und weitere Fragen zu beantworten, wollen wir uns eingehender mit den technischen Details des 4680-Akkus befassen.
Hauptmerkmale der 4680-Batterie von Tesla
Große Größe, mehr Leistung
Das erste und offensichtlichste Merkmal der Batterie ist ihre Größe. Das Volumen der 4680-cm³-Batterie ist fünfeinhalbmal so groß wie das der 2170-cm³-Batterie. Dadurch kann eine größere „Jelly Roll“ -Struktur untergebracht werden. In der Batterietechnik bezeichnet man als „Jelly Roll“ eine mehrschichtige, zylindrische Sandwichstruktur, die aus Elektrolytgel zwischen Kathoden-, Separator- und Anodenschichten besteht. Eine größere „Jelly Roll“-Struktur erhöht die Anzahl aktiver Ladungsträger und die Elektrodenoberfläche. Dies führt zu einer höheren Energiespeicherung und -abgabe pro Zelle. Abbildung 2 veranschaulicht das Prinzip der „Jelly Roll“-Struktur.
Tablet-Akku
Die Tesla 4680 nutzt ein patentiertes tabloses Design , das den internen elektrischen Widerstand drastisch reduziert. Die Tabs sind leitfähige Metallstücke oder -streifen, die an die Anoden- und Kathodenelektrodenbleche geschweißt sind. Abbildung 3 zeigt eine Batterie mit zwei Tabs.
Laschen sind die Verbindungsstellen, an denen Elektronen zwischen dem externen Stromkreis und den Batterieelektroden fließen. Während des Ladevorgangs geben Lithiumatome, die in der aufgerollten Kathodenfolie eingebettet sind, Elektronen ab. In ähnlicher Weise geben während der Zellentladung Lithiumatome, die in der gesamten Anodenschicht der Jelly Roll eingebettet sind, Elektronen ab. In beiden Fällen müssen diese Elektronen zu den jeweiligen Tabs wandern, um in den externen Stromkreis einzutreten.
Die Herausforderung bei großen Batterien besteht darin, dass ein längerer Weg für Elektronen aufgrund des ohmschen Widerstands mehr Wärme und Spannungsabfall erzeugt. Batterieentwickler haben mehrere eng beieinander liegende Laschen ausprobiert, um dieses Problem zu entschärfen. Diese sind jedoch schwierig herzustellen und erhöhen das Risiko einer Beschädigung der Elektroden beim Schweißen. Tesla hat hierfür eine geniale Lösung gefunden, indem es ganz auf die Tabs verzichtet hat! Stattdessen verfügt die 4680-Batterie über leitfähige Streifen, die entlang der Kanten der Anoden- und Kathodenplatten verlaufen, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Auf diese Weise kann eine gesamte Kante der Anoden- und Kathodenplatten die gleiche Funktion wie Laschen erfüllen und so den elektrischen Widerstand und die Wärmeentwicklung drastisch reduzieren.
Neue Chemie
Tesla hat angekündigt, dass die 4680-Batterie eine neue chemische Zusammensetzung erhalten wird, um die Leistung deutlich zu steigern und die Kosten zu senken. Künftig wird die Kathode nicht mehr auf der bewährten Lithiumoxid-Formel mit 80 % Nickel, 10 % Kobalt und 10 % Mangan (NMC-811) basieren. Stattdessen werden die 4680-Batterien Kathoden mit einem deutlich höheren Nickel- und einem geringeren Kobaltanteil aufweisen. Die angestrebte Kathodenzusammensetzung ist NMC 955 mit 90 % Nickel und jeweils 5 % Mangan und Kobalt. Ein höherer Nickelanteil verbessert zwar die Energiedichte, kann aber Probleme mit der Elektrodenstabilität verursachen, die Tesla möglicherweise bereits gelöst hat. Die Reduzierung des Kobaltanteils ist notwendig, um die Abhängigkeit von der Kongo-Region, die 70 % des weltweiten Kobalts liefert, zu verringern. Dadurch werden auch die Kathodenkosten gesenkt.
Teslas Verbesserungen in der Anodenchemie umfassen den weitgehenden oder vollständigen Ersatz von Graphit durch rohes metallurgisches Silizium. Da Silizium in der erforderlichen Qualität in der Erdkruste reichlich vorhanden und relativ billig ist, werden durch die Umstellung auf Silizium die Kosten für Anoden gesenkt. Das Problem bei Siliziumanoden ist ihre Volumenausdehnung, wenn während der Lade- und Entladezyklen Lithiumatome in die Anode eindringen. Dies führt schließlich zur Zerstörung der Elektrode. Angesichts ihrer Ankündigungen scheint Tesla jedoch eine Lösung gefunden zu haben.
Insgesamt erwartet Tesla aufgrund dieser chemischen Innovationen geringere Batteriekosten und eine höhere Reichweite.
Dickeres Stahlgehäuse
Tesla hat beim 4680 im Vergleich zum 2170-Pendant ein deutlich dickeres Stahlgehäuse verwendet. Dies kann daran liegen, dass diese Batterien in einem strukturellen Batteriepaket verbaut werden und höheren mechanischen Belastungen standhalten müssen. Man kann dies auch als zusätzlichen Schutz vor Aufprallschäden betrachten.
Vor-und Nachteile
Auch wenn einige von Teslas Ankündigungen reine Marketingstrategie sein mögen, bleibt festzuhalten, dass sie bis Januar 2022 bereits eine Million Zellen der 4680-Batterie produziert hatten. In einer Telefonkonferenz zu den Geschäftszahlen des ersten Quartals 2023 bestätigten sie die Fortschritte beim Bau der Gigafactory in Texas, in der die zweite Generation der 4680-Zellen hergestellt werden soll. Damit sind sie der unangefochtene Marktführer im Bereich der 4680-Batterien.
Viele führende Batteriehersteller entwickeln Batterien im 4680-Format, und einige investieren bereits in die Serienproduktion. Die 4680-Batterie wird die Welt der Elektrofahrzeuge daher schon bald revolutionieren. Was bedeutet das für den Durchschnittsverbraucher? Betrachten wir, basierend auf dem aktuellen Kenntnisstand, die Vor- und Nachteile.
Vorteile
- Der 4680 von Tesla verspricht eine höhere Kilometerleistung und geringere Kosten pro kWh aufgrund einer höheren Energiedichte, einer besseren Batteriechemie und einem Gesamtgewicht des Fahrzeugs aufgrund seines strukturellen Batteriedesigns.
- Es wird erwartet, dass der Tesla 4680 mindestens eine Million Meilen hält, was viel mehr ist, als der durchschnittliche Benutzer im Laufe seines Lebens mit dem Auto fahren wird.
- Das Batteriedesign umfasst verbesserte Sicherheitsmerkmale wie eine bessere Wärmeableitung und ein geringeres Risiko von Herstellungsfehlern aufgrund des Tabless-Designs.
- Tesla hat bereits mehrere Millionen 4680-Zellen der ersten Generation produziert und wertvolle Herstellungs- und Betriebserfahrungen mit dieser neuen Batterie gesammelt. Ihre Gigafactory in Texas wird verbesserte Versionen des 4680 liefern. Das Batteriedesign ist ausgereift, was das Eigentums- oder Investitionsrisiko verringert.
Nachteile
- Derzeit ist der 4680 nur für das neue Tesla Model Y zum Preis von rund 60,000 US-Dollar vorgesehen. Für viele ist das vielleicht nicht erschwinglich.
- Die Behauptungen bezüglich der neuen Batteriechemie wurden in der ersten Generation der 4680-Batterien, bei denen es sich offenbar um NMC 811 und Graphite handelt, nicht umgesetzt. Es kann einige Zeit dauern, bis Teslas 4680-Zellen mit hohem Nickel- und Siliziumgehalt auf den Markt kommen.
- Konkurrenten könnten bessere 4680-Batteriedesigns sowie andere Optionen anbieten, einschließlich Natriumionen- oder Festkörperbatterien.
Entwicklung der zylindrischen Batteriezelle
In Akira Yoshiros Nobelvorlesung im Jahr 2019 zeichnet er die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie nach. In den 1990er Jahren wurden Mobiltelefone eingeführt, die hervorragend zu den neu erfundenen leichten und energiedichten Lithium-Ionen-Batterien passten. Die ersten Märkte lagen ausschließlich im Bereich der persönlichen Elektronik, bis sie im Jahr 2010 auf dem Markt für Elektrofahrzeuge eingeführt wurden. Abbildung 5, die in seinem Vortrag zitiert wurde, veranschaulicht das Wachstum des Marktes für Lithium-Ionen-Batterien seit 2010. Sie können sehen, wie dramatisch Elektrofahrzeuge bis 2025 den Marktanteil dominieren werden.
Das erste Elektroauto, das mit Lithium-Ionen-Batterien kommerziell auf den Markt kam, war der Nissan Leaf. Das Modell der ersten Generation wurde von 2010 bis 2017 produziert. Es verwendete flach laminierte Lithium-Ionen-Zellen. In der Batterieterminologie ist dies das „Pouch-Format“. Der neueste Nissan Leaf verwendet weiterhin Beutelbatterien.
Die drei Batterieformen, die derzeit von Herstellern von Elektroautos verwendet werden, sind Beutel-, Prismen- und Zylinderbatterien. Im Jahr 2020 betrug der Marktanteil jedes Batterietyps in der Pkw-Kategorie Prisma ~40 %, Beutel ~35 % und Zylindrisch ~15 %. .
Tesla war der erste Hersteller, der die zylindrische Lithium-Ionen-Zelle für seine Elektrofahrzeuge verwendete. Sie begannen mit dem relativ günstigen, aber bewährten Panasonic 18650 und wechselten dann zum 2170-Formfaktor. Jetzt wird auf die viel größere 4680-Zelle umgestellt. Andere Hersteller wie BMW und CATL übernahmen später zylindrische Batterien. Der Markttreiber ist jedoch Tesla und die Entwicklung der zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien spiegelt die Entwicklung von Tesla wider. Abbildung 6 zeigt Beispiele der zylindrischen Batterien, die Teslas Wachstum vorantreiben.
Für Verbraucher kommt es letztlich auf die Wirtschaftlichkeit und den Komfort des Besitzes an. Tesla ist der weltweit größte Hersteller von Elektrofahrzeugen und sein Weg zum Erfolg führte über die Verwendung zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien. Vergleichen wir also die drei zylindrischen Zellen, die Tesla-Autos antreiben, aus Verbrauchersicht.
4680-Akku vs. 18650-Akku
Wie schneidet die jüngste und größte Tesla-Batterie im Vergleich zu ihren ältesten und kleinsten Gegenstücken ab? Um dies zu beantworten, vergleichen wir die Akkus 4680 und 18650:
| Parameter | 4680 | 18650 | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Kapazität (maximal) | 25000 mAh | 3500 mAh | Aufgrund des höheren mAh-Werts hält der 4680 zwischen den Ladevorgängen länger durch |
| Energiedichte (Zelle) | 276 bis 333 Wh/kg | 250 Wh/kg | 4680 kann mehr Leistung liefern. |
| Größe | 46 mm Durchmesser. x 80 mm hoch. | 18 mm Durchmesser. x 65 mm hoch. | Aufgrund der größeren Größe enthält 4680 eine größere Jelly Roll und kann mehr Energie speichern |
| Wandstärke des Stahlgehäuses | 0.5-0.6 mm | 0.22 zu 0.28 mm | 4680 verfügt über eine höhere mechanische Festigkeit, um Stößen standzuhalten |
| Zyklusleben | 1000-2000 | 1500-4000 | 4680 hat eine kürzere Zyklenlebensdauer als 18650, erfordert jedoch weniger häufiges Aufladen |
| Nettogewicht (maximal) | 355 gms | 50 gms | Der 4680 ist schwerer und für größere Autos geeignet. |
4680-Akku vs. 2170-Akku
Da die 2170-Batterie in der Evolutionsgeschichte von Tesla der unmittelbare Vorgänger der 4680 ist, dürfte der folgende Vergleich von Interesse sein:
| Parameter | 4680 | 2170 | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Kapazität (maximal) | 25000 mAh | 5600 mAh | Aufgrund des höheren mAh-Werts hält der 4680 zwischen den Ladevorgängen länger durch |
| Energiedichte (Zelle) | 276 bis 333 Wh/kg | 276 bis 300 Wh/kg | Der Unterschied ist nicht groß. |
| Größe | 46 mm Durchmesser. x 80 mm hoch. | 21 mm Durchmesser. x 70 mm hoch. | Aufgrund seiner größeren Größe enthält 4680 eine größere Jelly Roll und kann mehr Energie speichern |
| Wandstärke des Stahlgehäuses | 0.5-0.6 mm | 0.22 zu 0.34 mm | 4680 verfügt über eine höhere mechanische Festigkeit, um Stößen standzuhalten |
| Zyklusleben | 1000-2000 | 1500 | Ähnliches Zyklusleben |
| Nettogewicht (maximal) | 355 gms | 70 gms | Der 4680 ist schwerer und für größere Autos geeignet. |
Fazit
Die neue 4680-Batterie von Tesla ist aufgrund ihrer verbesserten Leistung und Reichweite tatsächlich ein Game-Changer. Die Sicherheitsfunktionen sind jetzt besser. Der Schlüsselfaktor werden die Batteriekosten sein, die von der erfolgreichen Integration niedrigerer Kosten für Kathode und Anoden abhängen