Durante il Tesla Battery Day 2020 , Tesla ha lanciato la sua rivoluzionaria batteria agli ioni di litio 4680, conquistando così la pole position nella corsa alla produzione di batterie di grandi dimensioni. Nella foto qui sotto, è possibile vedere le caratteristiche principali della Tesla 4680 proiettate sullo schermo alle spalle di Elon Musk durante l'evento. Il nome 4680 indica il suo fattore di forma cilindrico, con un diametro di 46 mm e una lunghezza di 80 mm.
La Tesla 4680 fornisce 5 volte l'energia e 6 volte la potenza del suo immediato predecessore nel portafoglio Tesla, la batteria 2170. Con 4680 Tesla prevede un aumento del 16% dell'autonomia. E per finire, il 4680 è progettato come componente strutturale del pacco batteria. Ciò significa che il pacco batteria assorbirà parte dei carichi strutturali dell’auto, ottenendo così un alleggerimento complessivo.
Allora come è riuscita Tesla a ottenere un aumento di prestazioni così enorme? È questo il futuro dei veicoli elettrici Tesla? Quanto costerà? Chi sono gli altri giocatori nel grande spazio della batteria? Per rispondere a queste e altre domande, approfondiamo gli aspetti tecnici della batteria 4680.
Caratteristiche principali della batteria 4680 di Tesla
Grandi dimensioni, più potenza
La prima cosa che si nota di questa batteria è la sua grande dimensione. Il volume della 4680 è cinque volte e mezzo superiore a quello della 2170. Questo permette di alloggiare un Jelly Roll più grande . Nel gergo delle batterie, un Jelly Roll è un rotolo cilindrico multistrato formato da un gel elettrolitico posto tra fogli di catodo, separatore e anodo. Un Jelly Roll più grande aumenta la quantità di portatori di carica attivi e la superficie degli elettrodi. Ciò si traduce in una maggiore capacità di accumulo e di erogazione di energia da ciascuna cella. La Figura 2 illustra il concetto di Jelly Roll.
Batteria per tablet
La Tesla 4680 utilizza un design brevettato senza linguette , che riduce drasticamente la resistenza elettrica interna. Le linguette sono pezzi o strisce metalliche conduttive saldate alle lamine degli elettrodi di anodo e catodo. La Figura 3 illustra una batteria con due linguette.
Le linguette sono le giunzioni in cui gli elettroni fluiscono tra il circuito esterno e gli elettrodi della batteria. Durante la carica, gli atomi di litio incorporati nel foglio catodico arrotolato rilasciano elettroni. Allo stesso modo, durante la scarica della cella, gli atomi di litio incorporati nel foglio dell'anodo nel Jelly Roll rilasciano elettroni. In entrambi i casi, questi elettroni devono viaggiare verso le rispettive Schede, per entrare nel circuito esterno.
La sfida con le batterie di grandi dimensioni è che un percorso più lungo per gli elettroni genera più calore e caduta di tensione a causa della resistenza ohmica. I progettisti delle batterie hanno provato più linguette ravvicinate per mitigare questo problema. Tuttavia, questi sono difficili da fabbricare e aumentano i rischi di danni agli elettrodi durante la saldatura. Tesla ha trovato una soluzione ingegnosa a questo problema, eliminando del tutto i Tab! Invece, la batteria 4680 ha strisce conduttive che corrono lungo tutti i bordi dei fogli di anodo e catodo, come rappresentato nella Figura 4.
In questo modo un intero bordo dei fogli dell'anodo e del catodo può svolgere la stessa funzione delle linguette, riducendo drasticamente la resistenza elettrica e la generazione di calore.
Nuova chimica
Tesla ha annunciato che la batteria 4680 adotterà una nuova composizione chimica per migliorare significativamente le prestazioni e ridurre i costi. In futuro, il catodo non utilizzerà più la collaudata formula di ossido di litio con l'80% di nichel, il 10% di cobalto e il 10% di manganese (denominata NMC-811). Al contrario, le batterie 4680 avranno catodi con un contenuto di nichel molto più elevato e un contenuto di cobalto inferiore. La composizione del catodo prevista è NMC 955, che è composta per il 90% da nichel e per il 5% ciascuno da manganese e cobalto. Un contenuto di nichel più elevato migliora la densità energetica, sebbene introduca problemi di stabilità dell'elettrodo, che Tesla potrebbe aver superato. La riduzione del contenuto di cobalto è necessaria per diminuire la dipendenza dalla regione del Congo, che fornisce il 70% del cobalto mondiale. Ciò consentirà anche di ridurre i costi del catodo.
I miglioramenti di Tesla nella chimica degli anodi comportano la sostituzione sostanziale o completa della grafite con silicio metallurgico grezzo. Poiché il silicio del grado richiesto è abbondante nella crosta terrestre e relativamente economico, il passaggio al silicio ridurrà il costo degli anodi. Il problema con gli anodi di silicio è la loro espansione di volume quando gli atomi di litio entrano nell'anodo durante i cicli di carica e scarica. Questo alla fine distrugge l'elettrodo. Tuttavia, visti i loro annunci, Tesla sembra aver trovato una soluzione.
Nel complesso, Tesla si aspetta una riduzione dei costi delle batterie e una maggiore autonomia grazie a queste innovazioni chimiche.
Cassa in acciaio più spessa
Tesla ha utilizzato una cassa in acciaio molto più spessa per il 4680 rispetto alla sua controparte 2170. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che queste batterie verranno installate in un pacco batterie strutturale e dovranno sopportare carichi meccanici più elevati. Questo può anche essere visto come una protezione aggiuntiva contro i danni da impatto.
Pro e contro
Sebbene alcuni degli annunci di Tesla possano essere frutto di strategie di marketing, resta il fatto che a gennaio 2022 l'azienda aveva già prodotto un milione di celle della batteria 4680. In una conference call sugli utili dello scorso anno, successiva alla pubblicazione dei risultati del primo trimestre 2023, Tesla ha confermato i progressi nella costruzione della Gigafactory in Texas, destinata alla produzione di celle 4680 di seconda generazione. Questo la rende leader indiscussa nel settore delle batterie 4680.
Molti dei principali produttori di batterie stanno sviluppando design di batterie in formato 4680 e alcuni stanno già investendo nella produzione su larga scala. Pertanto, la batteria 4680 è destinata a rivoluzionare a breve il mondo dei veicoli elettrici. Cosa significa questo per il consumatore medio? Sulla base di ciò che sappiamo al momento, analizziamo i pro e i contro.
Pro
- Il 4680 di Tesla promette di offrire un chilometraggio maggiore e costi ridotti per kWh grazie alla maggiore densità di energia, alla migliore chimica della batteria e alla leggerezza complessiva del veicolo grazie al design strutturale della batteria.
- Si prevede che la Tesla 4680 durerà almeno un milione di miglia, che è molto più di quanto l'utente medio percorrerà nell'arco della vita dell'auto.
- Il design della batteria incorpora funzionalità di sicurezza avanzate come una migliore dissipazione del calore e un rischio ridotto di difetti di fabbricazione grazie al design del Tables.
- Tesla ha già prodotto diversi milioni di celle 4680 di prima generazione e ha acquisito una preziosa esperienza di produzione e funzionamento con questa nuova batteria. La loro gigafactory in Texas fornirà versioni migliorate del 4680. Il design della batteria sta maturando, il che riduce il rischio di proprietà o investimento.
Contro
- Attualmente il 4680 è destinato solo alla nuova Tesla Model Y al prezzo di circa 60,000 dollari. Questo potrebbe non essere conveniente per molti.
- Le affermazioni fatte riguardo alla nuova chimica delle batterie non sono state implementate nella prima generazione di batterie 4680, che sembrano essere NMC 811 e Grafite. Potrebbe volerci del tempo prima che le celle Tesla 4680 ad alto contenuto di nichel e silicio vengano lanciate sul mercato.
- I concorrenti potrebbero proporre design di batterie 4680 migliori e altre opzioni, tra cui batterie agli ioni di sodio o allo stato solido.
Evoluzione della cella della batteria cilindrica
Nella lezione per il Nobel tenuta nel 2019, Akira Yoshiro traccia l'evoluzione della tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Gli anni '1990 videro l'introduzione dei telefoni cellulari, che divennero un'ottima soluzione per le batterie agli ioni di litio leggere e ad alta densità energetica di recente invenzione. I mercati iniziali erano interamente nel segmento dell'elettronica personale, fino al 2010, quando sono stati introdotti nel mercato dei veicoli elettrici. La Figura 5, citata nella sua conferenza, illustra la crescita del mercato delle batterie agli ioni di litio a partire dal 2010. Si può vedere come si prevede che i veicoli elettrici domineranno la quota di mercato entro il 2025.
La prima auto elettrica ad essere lanciata commercialmente utilizzando batterie agli ioni di litio è stata la Nissan Leaf. Il modello di prima generazione è stato in produzione dal 2010 al 2017. Utilizzava celle agli ioni di litio laminate piatte. Nella terminologia della batteria, questo è il "formato custodia". L'ultima Nissan Leaf continua a utilizzare batterie di tipo Pouch.
Le tre forme di batteria attualmente utilizzate dai produttori di auto elettriche sono di tipo Pouch, Prismatic e Cylindrical. Nel 2020, la quota di mercato di ciascun tipo di batteria nella categoria dei veicoli passeggeri era Prismatica ~40%, Pouch ~35% e Cilindrica ~15% .
Tesla è stata la prima a utilizzare la cella cilindrica agli ioni di litio per i propri veicoli elettrici. Hanno iniziato con il relativamente economico ma collaudato Panasonic 18650 e poi sono passati al fattore di forma 2170. Ora stanno passando alla cella 4680 molto più grande. Altri produttori come BMW e CATL adottarono successivamente le batterie cilindriche. Tuttavia, il driver del mercato è Tesla e l’evoluzione delle batterie cilindriche agli ioni di litio rispecchia l’evoluzione di Tesla. La Figura 6 mostra esempi di batterie cilindriche che stanno alimentando la crescita di Tesla.
Per i consumatori, ciò che conta in definitiva è l’aspetto economico e la comodità della proprietà. Tesla è il più grande produttore di veicoli elettrici al mondo e il suo percorso verso il successo ha comportato l'uso di batterie cilindriche agli ioni di litio. Confrontiamo quindi le tre celle cilindriche che alimentano le auto Tesla, dal punto di vista del consumatore.
Batteria 4680 contro batteria 18650
Come si confronta la batteria Tesla più giovane e più grande con le sue controparti più vecchie e più piccole? Per rispondere, confrontiamo le batterie 4680 e 18650:
| Parametro | 4680 | 18650 | Commento |
|---|---|---|---|
| Capacità (massima) | 25000 mAh | 3500 mAh | A causa dei mAH più elevati, il 4680 durerà più a lungo tra una ricarica e l'altra |
| Densità energetica (cella) | da 276 a 333 wh/kg | 250 wh/kg | 4680 può fornire più potenza. |
| Taglia | 46 mm di diametro x 80 mm alt. | 18 mm di diametro x 65 mm alt. | A causa delle dimensioni maggiori, 4680 contiene un Jelly Roll più grande e può immagazzinare più energia |
| Spessore della parete della cassa in acciaio | 0.5-0.6 mm | 0.22 a 0.28 mm | 4680 ha una maggiore resistenza meccanica per resistere agli urti |
| vita di ciclo | 1000-2000 | 1500-4000 | Il 4680 ha una durata di ciclo inferiore rispetto al 18650 ma richiederà ricariche meno frequenti |
| Peso netto (massimo) | Gms 355 | Gms 50 | Il 4680 è più pesante e adatto per auto più grandi. |
Batteria 4680 contro batteria 2170
Poiché la batteria 2170 è l'immediato predecessore della 4680 nella storia evolutiva di Tesla, il confronto seguente dovrebbe essere interessante:
| Parametro | 4680 | 2170 | Commento |
|---|---|---|---|
| Capacità (massima) | 25000 mAh | 5600 mAh | A causa dei mAH più elevati, il 4680 durerà più a lungo tra una ricarica e l'altra |
| Densità energetica (cella) | da 276 a 333 wh/kg | da 276 a 300 wh/kg | La differenza non è molta. |
| Taglia | 46 mm di diametro x 80 mm alt. | 21 mm di diametro x 70 mm alt. | Grazie alle sue dimensioni maggiori, 4680 contiene un Jelly Roll più grande e può immagazzinare più energia |
| Spessore della parete della cassa in acciaio | 0.5-0.6 mm | 0.22 a 0.34 mm | 4680 ha una maggiore resistenza meccanica per resistere agli urti |
| vita di ciclo | 1000-2000 | 1500 | Ciclo di vita simile |
| Peso netto (massimo) | Gms 355 | Gms 70 | Il 4680 è più pesante e adatto per auto più grandi. |
Conclusione
La nuova batteria 4680 lanciata da Tesla rappresenta davvero un punto di svolta grazie alla sua potenza e autonomia migliorate. Le caratteristiche di sicurezza sono ora migliori. Il fattore chiave sarà il costo della batteria, che dipende dall’integrazione con successo dei costi inferiori di catodo e anodi