Die neuen Tabless-Batterien von Tesla eröffnen neue Leistungsniveaus

Durch Partnerschaften mit Herstellern wie Panasonic, LG und CATL ist Telsa einer der weltweit größten Abnehmer von Batterien. Ihr endloser Hunger nach mehr Zellen dürfte so schnell nicht gestillt werden, da die Nachfrage nach Elektroautos und Stromspeichern weiter steigt.

Wie in der Keynote zum Battery Day angekündigt, hat Tesla intensiv an einem breiten Spektrum von Projekten gearbeitet, um die Batterietechnologie auf die nächste Stufe zu heben und so sein Ziel einer jährlichen Produktion von 3 TWh bis 2030 zu erreichen. Einer der interessantesten Aspekte dabei war die Ankündigung der neuen Tabless 4680-Batterie von Tesla, die vom Unternehmen selbst hergestellt wird. Werfen wir einen Blick darauf, was den 4680 so spannend macht und warum es so eine große Sache ist, auf Tische zu verzichten.

Tesla ist unter den Elektroautoherstellern in gewisser Weise einzigartig, da sie konsequent an der Verwendung zylindrischer Zellen in ihren Batteriepaketen festhalten, während andere Hersteller größtenteils auf prismatische Designs zurückgreifen. Beginnend mit dem ehrwürdigen 18650, der bei Laptop-Herstellern und Taschenlampenherstellern beliebt ist, ging Tesla später dazu über, größere 21700-Batterien zu verwenden, wobei der größere Formfaktor bedeutete, dass jede Zelle eine größere Kapazität hatte. Um diese Zellen zu konstruieren, werden lange, dünne Schichten aus Anoden- und Kathodenmaterial mit einem dazwischen liegenden Trennmaterial übereinander gelegt und dann zu einer „Kugelrolle“ aufgerollt, damit sie in den zylindrischen Körper passt. Anode und Kathode verfügen jeweils über eine kleine Lasche, meist in der Mitte der aufgerollten Blätter, die den Strom an die Anschlüsse am Außengehäuse der Batterie weiterleitet.

Diese kleinen Laschen halten zylindrische Zellen auf vielfältige Weise zurück. Sie stellen einen Engpass für den in die Zelle hinein- und aus ihr herausfließenden Strom dar, da trotz der riesigen Fläche von Anode und Kathode der gesamte in die Batterie hinein- und aus ihr herausfließende Strom durch ein Paar Laschen mit einer Breite von nur wenigen Millimetern geleitet werden muss. Elektronen aus den äußeren Bereichen der Jellyroll müssen eine beträchtliche Distanz zurücklegen, um den Zellanschluss zu erreichen, wobei die elektrische Pfadlänge bei 21700-Zellen bis zu 250 mm beträgt. Diese größere Weglänge bedeutet mehr Widerstand, mit entsprechender Auswirkung auf die thermische Leistung. Darüber hinaus vereiteln die Laschen die Bemühungen, Anoden- und Kathodenbleche effektiv und schnell herzustellen, da die Produktionsmaschinen wiederholt anhalten und starten müssen, um mit den hervorstehenden Merkmalen fertig zu werden.

Tesla hatte zuvor mit der Umstellung von 18650-Zellen auf das größere 21700-Design Leistungssteigerungen erzielt, doch die Bemühungen, die Zellengröße weiter zu erhöhen, scheiterten. Während größere Zellen mehr Energie speichern und Kosteneinsparungen bei der Produktion ermöglichen können, führten thermische Probleme dazu, dass Ladezeiten und Entladeraten negativ beeinflusst würden. Größere Zellen bedeuteten längere Pfadlängen, wobei der höhere Widerstand eine geringere Leistungsabgabe pro Zelle und einen langsameren Ladevorgang bedeutete. Selbst mit der Schnellladetechnologie von Tesla sind viele immer noch der Meinung, dass Elektroautos zu langsam laden, daher war dies ein Kompromiss, der sich nicht lohnte.

Geben Sie „tabless“-Batterien ein. Anstatt jeweils eine kleine Batterielasche an der Anode und Kathode zu befestigen, werden die gesamten Anoden- und Kathodenfolien mit einem Lasermuster versehen und so bearbeitet, dass sie im Wesentlichen viele kleine Laschen über ihre gesamte Länge aufweisen. Ersetzt den Schritt des manuellen Anbringens separater Laschen später im Herstellungsprozess.

Wenn Anode, Kathode und Separator zusammengerollt werden, werden diese vielen kleineren Laschen flacher und bilden eine „Schindelspirale“, wodurch eine viel größere Kontaktfläche zwischen dem aktiven Batteriematerial und dem Gehäuse entsteht. Dies bedeutet, dass die Weglänge, die Elektronen zurücklegen müssen, erheblich verkürzt wird; Tesla gibt eine bis zu fünffache Reduzierung im Vergleich zu früheren Designs an. Dies liegt daran, dass sich Elektronen nun direkt zum Batteriepol bewegen können und nicht erst einen Umweg zur Mitte des Blechs nehmen müssen, um den Einzelfahnenanschluss zu erreichen.

Das Endergebnis ist die 4680-Zelle, benannt nach ihrem Durchmesser von 46 mm und ihrer Länge von 80 mm. Dies ist eine Abweichung von der fünfstelligen Nomenklatur, aber niemand bei Tesla konnte herausfinden, warum 18650-Zellen die nachgestellte Null haben, weshalb das Unternehmen sie in der Bezeichnung der neuen Zelle eliminierte. Es wird behauptet, dass die neuen Zellen aufgrund ihrer größeren Größe das Fünffache der Energie früherer Designs enthalten. Noch besser: Tesla behauptet, dass sie aufgrund der kürzeren elektrischen Pfadlänge der Tischkonstruktion, die eine bessere thermische Leistung ermöglicht, bis zu sechsmal mehr Leistung liefern können. Schätzungen zufolge könnte die Umstellung auf 4680-Zellen in Teslas Automobilpaketen zu einer Reichweitensteigerung von bis zu 16 % führen – eine beeindruckende Zahl angesichts der bereits beeindruckenden Zahlen des Autoherstellers in diesem Bereich. Beispielsweise soll das kommende Model S Plaid mit den 4680-Zellen eine Reichweite von 520 Meilen haben.

Das neue Design bringt auch Produktionsvorteile. Durch die Laserstrukturierung der Anode und Kathode für eine direkte Verbindung, anstatt separate Laschen anzubringen, können die Materialien durch kontinuierliche Rollenverarbeitung verarbeitet werden, nicht unähnlich zu Techniken bei der Papierherstellung. Dies verspricht enorme Steigerungen der Produktionsgeschwindigkeit, da sich die Maschinen mit kontinuierlich hohen Geschwindigkeiten bewegen können, anstatt ständig beschleunigen und abbremsen zu müssen, um die Laschen an jedem Anoden- und Kathodenblech anzubringen. Teslas Ziele, mehr Batterien zu produzieren, um die Nachfrage zu decken, sind mit aktuellen Produktionstechniken praktisch nicht erreichbar, daher sind Verbesserungen bei der Verarbeitung und Produktionsgeschwindigkeit der Schlüssel zur Lösung dieses Problems. Dies wird auch zu Kostensenkungen führen, was einen wesentlichen Teil der Bemühungen des Unternehmens ausmacht, ein zugänglicheres Elektrofahrzeug zum Preis von 25.000 US-Dollar herzustellen.

Diese neuen Zellen würden mit ihrer größeren Energiedichte und hohen Leistungsabgabe einen riesigen Markt von Hackern und Herstellern ansprechen. Das ständige Thema in der Keynote von Tesla war jedoch, dass sie einfach nicht genug Batterien beschaffen können, um ihren Bedarf zu decken. Wir vermuten, dass es noch mehrere Jahre dauern wird, bis Tischbatterien auf den freien Markt kommen, da Tesla seinen gesamten Vorrat für den eigenen internen Gebrauch behält. Andere Hersteller werden sich aufgrund der gebotenen Vorteile wahrscheinlich bemühen, eine ähnliche Technologie zu entwickeln, aber das wird Zeit brauchen, und in der Zwischenzeit müssen Personen, die die besten zylindrischen Zellen wollen, darauf warten, dass neue Teslas in ihren örtlichen Schrottplätzen auftauchen.

Die Ankündigung der Tabless-Technologie war nur eine von Teslas Ankündigungen zum Battery Day. Derzeit wird daran gearbeitet, Fortschritte in anderen Bereichen wie der Anoden- und Kathodenchemie sowie den Produktionstechniken zu erzielen, um die hohen Ziele des Unternehmens zu erreichen, die Batterieproduktion zu steigern, um die weltweite Nachfrage zu decken. Wenn Elektromobilität und Powerwall-Netzspeicher die Welt wirklich verändern sollen, müssen sich Projekte wie diese auszahlen – sonst haben wir einfach nicht die Batterien, die wir in die Autos einbauen können!