Tesla-CEO Elon Musk hat sich in diesem Jahr außergewöhnliche Ziele für die eigene Batterieproduktion gesetzt. Ende 2020 gab Musk bekannt, dass Tesla anstrebe, die Kosten des teuersten Teils eines Elektrofahrzeugs durch die Herstellung eigener Batterien zu halbieren. Die 4680-Lithium-Ionen-Batterien von Tesla – mit 46 Millimeter Durchmesser und 80 Millimeter Länge – halten etwa fünfmal so viel Energie wie die aktuellen kleineren 2170-Zellen. Tesla kann eine geringere Anzahl neuer Zellen für die gleiche Energie und Reichweite verwenden, wodurch die Kosten gesenkt werden.
Tesla steht jedoch vor einem langwierigen Prozess beim Hochfahren seiner Batteriefabrik, der durch Pläne erschwert wird, eine neue Fertigungstechnologie namens Trockenelektrodenbeschichtung einzusetzen.
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind die Speichertechnologie der Wahl in hochmodernen Elektrofahrzeugen, was zu einem erheblichen Wachstum der weltweiten LIB-Produktion führt. Die Priorität innerhalb der Batterietechnologie war darauf gerichtet, höhere LIB-Energiekapazitäten zu erreichen, um mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) konkurrieren zu können.
Die Trockenelektrodenverarbeitung ist Teil der nächsten Generation von Elektroden, da sie Kosten senkt und Toxizität eliminiert, um die zukünftigen Anforderungen der Batterieproduktion zu erfüllen.
Untersuchungen zeigen, dass das Mischen und Beschichten von Trockenelektroden der Fall wäre revolutionär für die groß angelegte LIB-Produktion. Der Verzicht auf Lösungsmittel bei der trockenen Elektrodenbearbeitung senkt den Energiebedarf erheblich und ermöglicht eine dicke, mechanisch stabile Elektrodenbeschichtung. Die Trockenbeschichtung reduziert letztendlich den Vorbereitungs- und Mischschritt der Aufschlämmung, verkürzt die Trocknungszeiten und eliminiert die giftigen flüchtigen Dämpfe aus N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Lösungsmittelrückgewinnungs- und Recyclingsystemen.
Im Vergleich zu nass verarbeiteten Materialien ist es kostengünstig und umweltfreundlich. Ferner kann der Trockenelektrodenprozess die Energie- und Leistungsdichte verbessern, indem einzigartige, dichte, hochbelastbare Elektrodenmikrostrukturen ermöglicht werden.
Die Schwierigkeit bei der Batterieherstellung im Maßstab
„Er verändert die Art und Weise, wie Batterien hergestellt werden“, sagte Shirley Meng Reuters. „Es ist wirklich, wirklich schwierig, schnell und in großem Umfang herzustellen.“ Meng ist Professorin an der University of Chicago und arbeitete zuvor bei Maxwell, einem von Tesla übernommenen Batterietechnologieunternehmen.
Die Fabrikausrüstung für eine solche interne Batterieherstellung, sagte Musk, „existiert nicht. Es wird gemacht.“
Reuters bietet eine schöne Erklärung darüber, wie EV-Batterien sind geladen und entladen durch den Fluss von Lithiumionen zwischen der graphithaltigen Anode und der Kathode. Kathoden enthalten Nickel, das eine hohe Energiedichte liefert, wodurch das Fahrzeug weiter fahren kann. Die Preise für Batterieinhaltsstoffe wie Nickel erreichten diese Woche Rekorde aufgrund von Versorgungsängsten aufgrund des Russland-Ukraine-Konflikts, und Musk hatte bereits im Januar Engpässe bei der Batterieversorgung prognostiziert, was die Eigenproduktion zu einem Schlüssel zum Wachstum machte.
Das Streben nach Energiedichte hat Elektrofahrzeugbatterien von der Verwendung von Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden in den frühen Tagen zu ternär geschichteten Oxiden getrieben, die zunehmend nickelreich sind; Da jedoch Nickel bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet wird, werden alle Sanktionen gegen russisches Nickel zu einem Hindernis für die Herstellung von Elektrofahrzeugen. Russland war 2021 der drittgrößte Nickelproduzent und produzierte über 200.000 Tonnen.
Trockenelektrodentechnologien bieten nicht nur eine Möglichkeit, den Energieverbrauch bei der Herstellung von Batteriezellen zu senken – was die Kosten senkt –, sondern solche Innovationen könnten auch Möglichkeiten bieten, die Leistung der heutigen Lithium-Ionen-Batterien kurzfristig zu steigern. Die Trockenelektrodenherstellung überspringt einen traditionellen, komplizierten Schritt der Batterieherstellung, der die chemische Aufschlämmung beinhaltet.
Wenn es funktioniert, wird es billiger und effizienter, aber Musk gibt offen zu, dass es eine Herausforderung sein wird. „Der sehr schwierige Teil besteht dann darin, diese Produktion zu vergrößern und mit den Zellen eine extrem höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erreichen“, sagte er auf einer europäischen Batteriekonferenz im November 2020.
Mit ein wenig Hilfe von seinem Panasonic-Geschäftspartner zurechtkommen
Japanisches Medienunternehmen NHK berichtete Anfang dieses Monats, dass Panasonic den Bau einer US-Fabrik plant, um Tesla mit LIBs zu beliefern, um die Produktion zu steigern, um die erwartete Nachfrage nach Elektrofahrzeugen zu decken. Mit geplanten Baustellen in Oklahoma und Kansas würde die Erweiterung von Panasonic Teslas Plan ergänzen, seine interne Batteriefertigung mit der neuen Fabrik, die es in Texas in Betrieb nimmt, zu erweitern.
Panasonic beabsichtigt, die Massenproduktion des neuartigen Lithium-Ionen-Akkus mit 46 mm Durchmesser und 80 mm Höhe für Tesla bis März 2024 auf zwei neuen Produktionslinien in seinem westjapanischen Werk in Wakayama zu starten. Laut Kazuo Tadanobu, dem CEO der Energiesparte von Panasonic, liegt der Vorteil von Panasonic auf dem Markt in seiner Fähigkeit, „Handwerkskunst einzusetzen, um die Sicherheit aufrechtzuerhalten, selbst wenn die Leistung einer Batterie gesteigert wird“.
Und nachdem er die Entwicklung der Zellen der nächsten Generation geleitet hat, hat Tabanobu anerkannt dass das Unternehmen seine Beziehung zu Tesla schätzt und daran arbeiten wird, seinen Platz in der Tesla-Batterielinie zu behaupten. „Wir wollen nicht verlieren“, sagte der Panasonic-Manager.
Panasonic war der erste Batteriehersteller, der mit Tesla zusammenarbeitete, als es sich bereit erklärte, Batteriezellen in der Tesla Gigafactory in Nevada herzustellen. Diese Beziehung hatte im Laufe der Jahre ihre Höhen und Tiefen, und Tesla hat Allianzen mit anderen Batterieherstellern geschmiedet. Tesla hat die Produktion hochgefahren und seine Lieferkette diversifiziert an andere Firmen, darunter chinesische Hersteller von Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)-Powerpacks wie Contemporary Amperex Technology Co. (CATL).
2021 Tadanobu genannt dass Panasonic nicht beabsichtigte, LFP-Batterien für Teslas mit Standardreichweite zu bauen, obwohl Teslas Bericht besagte, dass das Unternehmen plant, diese in seinen Fahrzeugen mit „Standardreichweite“ weltweit zu verwenden.
Wie sich das Batteriedilemma auf wahrscheinliche Auslieferungen von Tesla 2022 auswirkt
Im Jahr 2020 prognostizierte Musk, dass Tesla im Jahr 2022 über eine Kapazität von 100 Gigawattstunden mit 4680 Batterien verfügen würde, genug, um etwa 1,3 Millionen Autos anzutreiben, und mehr als genug, um die Produktion in Fabriken in Texas und Deutschland zu versorgen. Vor kurzem kündigte Tesla an, bis Ende März mit der Auslieferung von Fahrzeugen des Modells Y mit seinen größeren Batteriezellen zu beginnen.
Tesla produzierte im Januar seine einmillionste 4680-Zelle.
Tesla soll in diesem Jahr etwa 1,4 Millionen Fahrzeuge ausliefern. Der Branchenforscher Benchmark Mineral Intelligence geht davon aus, dass das Unternehmen Batterien für etwa 30.000 Fahrzeuge des Modells Y produzieren wird, die bis 2024 auf 484.000 anwachsen werden, so eine bisher unveröffentlichte Prognose, die an bereitgestellt wurde Reuters.
Wie wahrscheinlich ist es, dass Tesla in diesem Jahr die erwarteten Ziele zur Massenproduktion seiner eigenen neuen Batterien erreicht? Niemand weiß es genau, aber sicherlich gibt es Hindernisse, die der Eröffnung einer neuen Fabrik und der Entwicklung einer neuen Methodik der Batterieherstellung innewohnen.
Die Notwendigkeit der eigenen Batterieproduktion von Tesla ist zwingend erforderlich, um den Umfang bereitzustellen, der für den Bau kostengünstigerer Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite erforderlich ist. Die Konkurrenz schleicht sich von hinten an.
Senior Vice President Drew Baglino sagte im Januar, dass Tesla in seiner Testbatteriefabrik in Fremont, Kalifornien, „bedeutende Fortschritte bei der Rampenkurve macht“, während er Batterieausrüstung in seinem bevorstehenden Werk in Texas installiert. Baglino sagte, Teslas „Fokus liegt darauf, die Ertragsqualität und die Kosten zu steigern, um sicherzustellen, dass wir in diesem Jahr und im nächsten Jahr für größere Mengen bereit sind.“
Als Zeichen von Teslas Ambitionen wird erwartet, dass die hauseigene Batterieproduktion die etablierten Batteriehersteller Panasonic und LG mit 4680 auf den Markt bringen wird.
Natürlich wird viel über die Möglichkeiten innerhalb einer Festkörperbatterie geredet, von der viele sagen, dass sie besser ist als eine Batterie mit flüssigen oder halbflüssigen Elektrolyten. Es besteht ein geringeres Brandrisiko, genauer bekannt als thermisches Durchgehen. Mit einer höheren Energiedichte können Festkörperbatterien schneller laden und entladen, bei kalten Temperaturen besser funktionieren und mehr Ausdauer bieten. Festkörperbatterien wurden durch zwei Faktoren von einer groß angelegten Kommerzialisierung abgehalten: die geringere Leitfähigkeit des Festelektrolyten und die Probleme mit der Grenzflächeninstabilität.
Die Überwindung von Instabilitäten, die an der Grenzfläche entstehen, war für die Forscher die größte Herausforderung. Diese Instabilitäten können sowohl während der Herstellung als auch während des elektrochemischen Betriebs solcher Batterien auftreten. Forschung und Entwicklung am MIT durchgeführt zeigt, wie wichtig es ist, die Gasumgebung während des Sinterprozesses zu kontrollieren, um einen guten Kontakt zwischen der Keramikkathode und dem Keramikelektrolyt in Festkörperbatterien zu erhalten. Das Co-Sintern der Kathode und des Elektrolyten in einer O2-Umgebung ergibt eine chemisch stabile Grenzfläche mit niedrigem Grenzflächenwiderstand.
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