Tesla Battery Day und Mehr 2020

Wenn Tesla einen seiner Tage zu Spezialthemen abhält, kommt meistens so viel, dass man nicht weiß, wo man anfangen soll. Also, wo fange ich an? Vielleicht gleich zuerst mal die wichtigste Folie zum Einstieg, und nachher die Details:

Vorteile der vertikalen Integration bei Teslas Batterietechnologieentwicklung

Dank neuer Batteriezellendesigns und Fertigungsmethoden, erwartet Tesla eine Reichweitenerhöhung von 54 Prozent, eine Reduktion der Kosten pro kWh um 56 Prozent, und eine Reduktion der Kosten für die Produktionsanlagen um 69 Prozent. Diese Änderungen werden gerade in der 4. Generation in einer Pilotanlage mit 10 GWh in Fremont getestet und sollten in den nächsten 12 bis 18 Monaten die Serienproduktion aufnehmen und in 3 Jahren dann in der vollen Kapazität anlaufen.

Im Detail

Elon Musk und sein Team stellten auf der Aktionärsversammlung, die auf einem Parkplatz in Fremont stattfand und wie ein Autokino aussah mit den Aktionären und Investoren in ihren Teslas sitzend, die Neuerungen vor.

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Neues Batteriedesign

Wichtigste Neuerung: Tesla hat einen neuen Batterietyp namens 4680 entwickelt, der 46mm Durchmesser und 80mm Höhe hat. Dieser wird die 18650/1865 und die 21700/2170 Zellen, die aktuell in die Modelle verbaut werden, ersetzen. Nicht nur ist der Formfaktor der Batteriezelle neu, sondern auch die Chemie, Anode und Kathode, sowie der Produktionsprozess, und wie die Batterien in die Fahrzeugstruktur integriert werden.

Batteriezellenvergleich

Zwar konnte vom Übergang von den 1865 zu den 2170 Zellen um 50 Prozent mehr Energie gespeichert werden und Kosten gespart werden, damit steigt aber auch das Problem mit der Hitzeabfuhr und der Ladegeschwindigkeit beim Schnellladen. Ein neues Batteriedesign musste her.

Batteriezelllenschema mit Kontakten

Statt des bisherigen einfachen Kontakts zum Laden wird das Metall der Batterien bei der Wicklung auf beiden Seiten (Anode und Kathode) gefalten, sodass eine durchgängige Reihe von Kontakten entsteht.

Damit kann die Ladegeschwindigkeit fast unabhängig vom Durchmesser gleich gehalten werden.

Ladedauer mit Teslas neuer Batteriezelle 4680

Insgesamt soll die Batterie somit 5x mehr Energie halten können und somit 16 Prozent mehr Reichweite schaffen, bei 6x soviel Leistung.

Tesla Batteriezelle 4680

Produktionsprozess

Der Produktionsprozess selbst besteht aus mehreren Teilen: Mischen der Elektrolytkomponenten, der Auflösung der trockenen Komponenten in einer Flüssigkeit, die Beschichtung des Metalls mit dem Elektrolyten, Trocknen des Elektrolyten, Aufwicklung, und zuletzt der Abfüllung in eine Dose und dem Aufsetzen und dem Verschweißen der Kathode und Anode.

Produktionsprozess

Je weniger Schritte der Prozess hat und je rascher die Maschinen laufen können, desto weniger Fabriken zur Batterieherstellung benötigt man. Tesla hat es geschafft, sowohl den Prozess zu vereinfachen, indem bereits das trockene Elektrolytpulver nicht mehr für die Beschichtung aufgelöst und danach getrocknet werden muss, sondern gleich direkt auf das Metall aufgetragen wird. Gleichzeitig konnte dank Tesla Grohmann Automation auch die generelle Durchsatzgeschwindigkeit bei der Produktion erhöhen. Durch das Wegfallen der Schritte wird der Energieverbrauch, und damit der Einfluss auf die Umwelt, um den Faktor 10 verringert.

Formation

Sobald die Batteriezellen fertig sind, kommen sie in die Formation, wo sie zum ersten Mal be- und entladen werden. Dank des neuen Formfaktors und neuer Elektronik und Maschinerie, kann auch dieser Prozess viel rascher durchgeführt werden.

Formation Prozessschritt

Elektrodenmaterialien

In Lithiumionen kommen als Elektrodenmaterial ein bislang Lithium und Graphit zum Einsatz. Tesla ersetzt nun Graphit mit Silizium, das viel billiger und das zweithäufigste Element auf der Erde ist. Es gab bislang eine Herausforderung, die den Masseneinsatz in Batteriezellen verhinderte, und das ist die Eigenschaft von Silizium, sich bei Erwärmung auf das vierfache Volumen auszudehnen und nach vielen Ladezyklen zu desintegrieren.

Problematische Eigenschaften von Silizium bei Ladezyklen

Tesla hat das Problem insofern gebändigt, als dass das Rohsilizium mit einer eigenen, leitfähigen Polymerschicht umhüllt wird.

Teslas neue Polymerbeschichtung für Siliziumelektrode.

Kathodenmaterial

Kathodenmaterialien sind bislang Eisen, Nickel-Mangan und Kobalt gewesen. Tesla hatte schon bisher nur einen Bruchteil an Kobalt in seinen Batterien, und selbst die nachhaltig gefördert, als andere Hersteller. Mit der neuen 4680 Batterie wird auf Kobalt vollständig verzichtet und stattdessen – je nach Anwendungsgebiet – kommen unterschiedliche Kathodenmaterialien zum Einsatz.

Materialkosten

Eisenbasierte für hohe Lebensdauer, ein Nickel-Mangan-Legierung für Langstrecken und eine Nickel-Mangan-Legierung mit hohem Nickelanteil für gewichtssensitive Anwendungsgebiete.

Einsatzgebiete unterschiedlicher Kathodenmaterialien

Rohstoffe

Tesla wies auch darauf hin, dass Lithium kein rarer Rohstoff ist. Alleine in Nevada gäbe es ausreichend Lithiumvorkommen, um alle 300 Millionen Autos in den USA auf batterieelektrische Autos aus dieser Quelle umzurüsten. Tesla selbst hat sich selbst Rohstoffe in einer Größenordnung gesichert, die in den Bereich von TWh an Batteriezellen reichen. Die Lithiumförderung selbst passiert durch schwefelsäurefreie Salinenextraktion.

Tesla zielt auf eine Batteriezellenproduktion in Terawattstundengröße hin.

Geschätzter Kapazitätsbedarf für Batteriezellen

Recycling

Bislang hat Tesla das Batterierecycling an Drittanbieter ausgelagert, will aber das Recycling nun selbst in einer Fabrik in Nevada übernehmen. Auch aus dem Grund, da das dabei wiedergewonnene Material billiger als die Rohstoffförderung selbst ist.

Batterierecycling

Struktur

War bisher der Ansatz ein Batteriepack getrennt zu bauen, so wird Tesla die neuen Batteriezellen in Zukunft in die Fahrzeugstruktur integrieren. War der Treibstofftank bei den ersten Flugzeugen noch ein separater Behälter, der in die Flügel eingebaut worden war, so wurde in Folge der Flügel selbst zum Treibstofftank. So auch hier. Die Struktur wird zur Batterie, die Batterie zur Struktur. Damit kann nicht nur mehr Gewicht gespart werden, als das Weglassen der Batteriepackteile vermuten lassen würde, das Fahrzeug wird auch steifer, fahrdynamisch besser, und durch eine kompaktere Anordnung der Batteriezellen weg von den Fahrzeugrändern sicherer bei seitlichen Aufprallunfällen.

Neues Strukturdesign mit Batterien

Zusätzlich hat Tesla für das Model Y eine neue Formgießmaschine in Betrieb genommen, die eine große Gießform aus einer eigenen Aluminiumlegierung in einem Stück herstellt. Es handelt sich dabei um die jeweiligen vorderen und hinteren Teile des Fahrzeugs. Damit wird nicht nur der Produktionsprozess vereinfacht, weil nur mehr ein statt 370 Teile hergestellt und zusammengesetzt werden müssen, das Fahrzeug wird damit auch insgesamt leichter.

Neue Gußbauteile

Um das zu erreichen musste Tesla den Fertigungsprozess bei einem solch großen Teil temperaturtechnisch neu schaffen. Mit diesem neuen Produktionsprozess wird auch fast um ein Drittel weniger Produktionsfläche benötigt.

Reduzierte Produktionsfläche

Berlin

Elon Musk hat bestätigt, dass in der neuen Tesla-Fabrik in Grünheide, Berlin-Brandenburg, auch Batteriezellen gefertigt werden sollen.

Ergebnis

All diese teils kleinen, teils großen Änderungen führen kumuliert zu Kostenreduktionen und Reichweitenerhöhungen von Tesla-Fahrzeugen. Damit erhofft sich Tesla auch, dass die bisherige Verflachung der Kostensenkungskurve für eine kWh wieder signifikant gesenkt werden kann.

Kostenkurve pro kWh in $ über Zeit

Tesla erwartet somit in den kommenden Jahre in der Lage zu sein, auch ein Elektroauto auf den Markt bringen zu können, das um 25.000 Dollar liegt. Für dieses Fahrzeug hat Tesla noch keinen Namen gefunden.

Teslas zukünftiges 25.000-Dollar-Auto

Und Mehr

Was kam noch: ab sofort kann das neue Model S Plaid bestellt werden. $139.990 in der Basisversion mit Dreifachmotor mit weniger als 2(!) Sekunden von 0 auf 60 mph (0 – 96 km/h), mehr als 800 Kilometer Reichweite und Spitzengeschwindigkeit von 320 km/h. Geliefert wird es Ende 2021.

Was ist Intelligenz im künstlichen und menschlichen Sinn? Können Maschinen Bewusstsein entwickeln und wie würden wir das erkennen? Sind Maschinen fähig, Empathie zu zeigen und zu fühlen?

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Spannende Gespräche mit KI-Vordenkern und KI-Praktikern aus dem Silicon Valley vermitteln dem Leser wertvolle neue Erkenntnisse und Mindsets. Ein unentbehrlicher KI-Ratgeber für Gegenwart und Zukunft!

€24,99 | 304 Seiten | 27.2.2020
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Video

Hier ist die Aufzeichnung des Battery Day:

Dieser Beitrag ist auch auf Englisch erschienen.

4 Kommentare

  1. Das ist wirklich sehr interessant. Tesla hat jedes Detail einer galvanischen Zelle hinterfragt und verbessert, einschließlich die Konfektion in Pakete und die Gewinnung der Rohstoffe. Persönlich denke ich, dass das Potential, ICE Fahrzeuge abzulösen damit um ein Vielfaches gestiegen ist. Die Zellen scheinen ewig zu halten, da durch den geringen Innenwiderstand und somit kaum Abwärme es auch zu keiner oder nur geringer Kristallbildung an den Elektroden kommt, die ja die Lebenszyklen reduzieren.
    Darüber hinaus wird die Fahrzeugarchitektur so vereinfacht, dass man profitabel sehr gute Elektrofahrzeuge bauen und verkaufen kann, die wartungsfrei sind und noch richtig Spaß machen. Dass Tesla bereits 2021/22 10 GWh selbst produziert – enorm. In der GF Reno werden jetzt etwa 35 GWh erzeugt. Die GF Nevada wird somit früher oder später in ihrer jetzigen Form obsolet werden. …

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