Teslas Battery and Powertrain Investors Day

Christian Brockmann:

Mitte Mai 2020 hat das Warten und Spekulieren über die neue Tesla-Batterie-Technologie wohl ein Ende und wir kriegen präsentiert, was in Zukunft den Vorsprung von Tesla weiter ausbauen soll. Bis es soweit ist, schauen wir uns einmal die Technologien an, die Tesla vermutlich präsentieren wird.

Das Tesla Model 3 hat zur Zeit die Zellen mit der höchsten Energiedichte. Die verbauten 2170 Zellen haben laut Clean Technica eine Energiedichte auf Zellebene von 247 Wh/kg, die 18650er Zellen vom Model S und X liegen bei 240 Wh/kg.

Fangen wir konservativ an und projizieren die jährliche Verbesserung von 3,5 Prozent bei der Energiedichte von der Model 3 Markteinführung 2017 bis zum Battery Day 2020:
247 Wh/kg + 10,5 % = 273 Wh/kg

Nun ergänzen wir noch die Trockenelektroden-Technologie (Dry-Battery-Elektrode) von Maxwell Technologies mit einer Verbesserung der Energiedichte von 10 Prozent:
273 Wh/kg + 10 % = 300 Wh/kg

Was ist die Trockenelektroden-Technologie?

Elektroden von Li-Ionen-Akkus werden mit einem flüssigen, lösemittelhaltigen Elektrodenmaterial hergestellt, welches in einem Ofen aufwändig getrocknet werden muss. Hierbei entweichen die Lösungsmittel des Ausgangsmaterials. Durch dieses Fertigungsverfahren bleiben einige wenige unerwünschte Rückstände im Material der Elektrode zurück.

Maxwell hat die sogenannte Dry-
Battery-Elektrode (DBE) entwickelt. Hierbei wird Elektrodenstaub mit einem Teflonbinder vermischt und auf eine Metallfolie laminiert. Es ist keine anschließende Trocknung in einem Ofen nötig und auch keine Lösungsmittel. Dadurch entfallen auch die unerwünschten Rückstände im Elektrodenmaterial.

Das führt zu einer höheren Energiedichte, zu geringeren Kosten und weniger benötigte Fertigungsfläche. Außerdem kann eine höhere Lade- und Entladegeschwindigkeit erreicht werden und die Zyklenfestigkeit wird verdoppelt.
Weil der innere Widerstand durch weniger unerwünschte Rückstände verringert wird, kann die Wärmeentwicklung reduziert werden. Dadurch können höhere Lade- und Entladegeschwindigkeiten realisiert werden.

Weiterhin kann die Lebensdauer erhöht werden, weil die Temperaturen geringer sind und den Akku dadurch schonen, die Rückstände keine unerwünschten chemischen Reaktionen in der Kathode auslösen und das Material der Trockenelektroden elastischer und dadurch mechanisch belastbarer ist als die im Ofen getrockneten Beschichtungen.
Maxwell hat hierzu Tests durchgeführt, bei denen sie Nass- und Trockenelektroden vergleichen.
Bei einer Entladerate von 1C – das bedeutet, dass die Batterie in einer Stunde entladen wird – ist der Verlust bei der Nass-Elektrode bei 50 Prozent, bei der trockenen nur bei circa 18 Prozent
Bei 0,5C – das bedeutet, dass die Batterie in zwei Stunden entladen wird –
ist der Verlust bei der Nass-Elektrode bei 25 Prozent, bei der trockenen nur bei circa 8 Prozent.
Diese Verluste werden fast ausschließlich in Wärme umgewandelt, die im Batteriepack aufwändig abgeführt werden muss.

Wenn man dem Akku-Experten Jeff Dahn glaubt, halten aktuelle Batterien von Tesla bereits 300.000 bis 500.000 Meilen. Wenn wir also eine Verdopplung der Lebensdauer annehmen, kommen wir auf die von Elon Musk angekündigte Laufleistung von 1 Million Meilen oder circa 1,6 Millionen Kilometer.

300 Wh/kg und eine Lebensdauer von 1,6 Millionen Kilometer allein wäre schon sensationell. Es gibt aber noch ein paar weitere technologische Fortschritte bei den Li-Ionen-Akkus:

Elektrolyt

Tesla könnte große Fortschritte bei dem Elektrolyten gemacht haben. Die Lösungsmittel im Elektrolyt können über 4,2 Volt entflammbare Gase freisetzen und die Lösung selbst ist ebenfalls brennbar. Deshalb ist die maximale Zellspannung auf 4,2 Volt begrenzt.
Shirley Meng hat genau dazu eine Arbeit veröffentlicht, in der sie ein nicht brennbares Elektrolyt gefunden hat, welches eine Zellspannung von bis zu 4,85 Volt erlaubt.

Eine Erhöhung der Zellspannung von 4,2 auf 4,85 Volt bedeutet eine 15,5 Prozent höhere Energiedichte.
Doch wenn man hier zu nah an die obere Grenzspannung geht, wird die Lebensdauer der Batterie darunter leiden. In Shirley Mengs Arbeit zeigte die Batterie mit 4,85 Volt Zellspannung 30 Prozent Degradation nach nur 1000 Zyklen.
Auch mit aktuellen Elektrolyten könnte man eine etwas höhere Spannung ansetzen, jedoch wird die Lebensdauer hierdurch enorm verkürzt.
Daher ist es wahrscheinlich, dass eine Zellspannung von sagen wir 4,6 Volt verwendet wird, um eine hohe Lebensdauer zu erhalten. Das ist immerhin eine Erhöhung der Energiedichte von 10 Prozent.
Shirley Meng arbeitete an dieser Technology mit Maxwell Technologies zusammen im Auftrag der Amerikanischen Energiebehörde, was vermuten lässt, dass Maxwell diese Technologie für und mit Tesla fertig entwickelt hat.

Additive im Elektrolyt

Auch die Additive im Elektrolyt spielen eine wichtige, wenn auch weniger berühmte Rolle. Teslas Partner Jeff Dahn hat hierzu intensive Forschung betrieben und auch einige Patente hierzu veröffentlicht.
Die Additive verlängern die Lebensdauer, indem sie sich als eine Art Schutzschicht über die Elektroden legen und so ihre Haltbarkeit verbessern.

Kathode mit viel Nickel und ohne Cobalt

Nickel kann sehr viel Energie speichern. Mit konventionellen Verfahren ist ein höherer Nickelanteil in der Kathode nicht möglich, da diese bei einem zu hohen Nickelanteil brüchig wird. Mit einer speziellen Nanobeschichtung der einzelnen Kristalle in der Kathode kann dies verhindert werden. Jeff Dahn veröffentlichte auch hierzu ein Patent für „single-crystall-kathodes“ mit einem erhöhten Nickelanteil und Nanobeschichtung.

Tesla hat angekündigt, das Cobalt in naher Zukunft aus ihren Akkus zu verbannen, da es einerseits teuer ist und andererseits die Abbaubedingungen teilweise sehr schlecht sind.
Eine Kathode, die nur aus Nickel und Lithium besteht, bietet allerdings nicht genug Maximalleistung. Hierzu wird noch Magnesium in der Kathode eingesetzt. Damit hätten wir eine sogenannte LNMO-Kathode oder Lithium-Nickel-Magnesium-Oxid.

LG Chem hat für einen LNMO-Akku bereits eine Energiedichte veröffentlicht. Sie liegt bei 295 Wh/kg.

Anode mit Silizium

Silizium hat eine sehr hohe Energiedichte, 10 mal höher als eine typische Graphit-Anode. Nun kann man nicht einfach das Graphit durch Silizium ersetzen, denn beim Laden würde sich das Silizium sehr stark ausdehnen und die Zelle zum Platzen bringen. Deshalb werden Graphit und Silizium gemischt und ähnlich wie an der Kathode nanobeschichtet.
Sila Nanotechnologies gibt an, dass mit dieser High-Silicon-Technology eine Erhöhung der Energiedichte von 20 bis 40 Prozent möglich ist.

Im Shareholdermeeting 2018 sagte Elon Musk, dass in 2 bis 3 Jahren eine Steigerung der Energiedichte von 30 bis 40 Prozent möglich ist. Das wären, bezogen auf die Zellen vom Model 3, 321 bis 346 Wh/kg, was der obigen Prognose sehr nahe kommt.

Gewicht

Soviel zu den Zellen, aber entscheidend ist ja das Gewicht des fertigen Batteriepacks. Hier könnten die obigen Technologien weitere Vorteile bringen. Durch den geringeren Widerstand und die resultierende geringere Wärmeentwicklung könnte Tesla die einzelnen Zellen noch größer machen und so die Zwischenräume verkleinern, wie sie es schon beim Umstieg von den 18650er Zellen (18 mm Durchmesser und 65 mm Höhe) im Model S und X auf die 2170er (21 mm Durchmesser und 70 mm Höhe) im Model 3 und Y gemacht haben. Tesmanian berichtet aus einer Tesla internen Quelle, dass die neuen Tesla-Zellen einen Durchmesser von 40 mm haben.
Dadurch könnte im gleichem Bauraum circa 20 Prozent mehr Energiespeicher untergebracht werden. Außerdem hat Elon Musk im Third-Row-Podcast darauf hingedeutet, dass es in Zukunft keine Batteriemodule mehr geben wird, sondern nur noch Einzelzellen und das fertige Batteriepack. Auch das spart Bauraum und vor allem Kosten, da weniger Teile und weniger Fertigungsschritte benötigt werden.

Es bleibt spannend

Es bleibt spannend, ob Tesla all diese Technologien bereits am Battery Day vorstellen wird und ob diese bereits in einem serienreifen Stadium sind. Es kann auch gut sein, dass Tesla darüber hinaus noch Technologien präsentiert, an die aktuell noch keiner denkt. Am gleichen Termin sollen auch der neue „Plaid“ Triebstrang mit drei Elektromotoren und eventuell weitere Fortschritte bei der Antriebstechnologie vorgestellt werden.

Als echter Tesla-Fan freue ich mich riesig auf den Battery and Powertrain Investors Day Mitte Mai und werde auf meinem Youtube-Kanal Strom-Garage hierzu sicherlich noch das ein oder andere Video veröffentlichen.

Tipp:
Viele meiner Informationen habe ich aus den Video des YouTube-Kanals „The Limiting Factor“ bekommen. Wenn ihr gut Englisch versteht, kann ich nur empfehlen die Videos anzuschauen.

Der Beitrag ist erschienen im T&Emagazin, Ausgabe 6. Interessierte, die das Heft bequem zuhause im Briefkasten haben wollen, können es gegen Übernahme der Versand- und Portokosten über den T&Eshop anfordern. Wer zum Weiterverteilen 5, 10 oder auch 20 Hefte haben möchte, kann bequem entsprechende Pakete ordern. Zudem besteht die Möglichkeit, das T&Emagazin in Wunschmenge dauerhaft zu abonnieren.

Weitere Themen der Ausgabe 6 des T&Emagazins sind:

ABC der Elektromobilität von Martin Hund

Tesla – Tesla Model 3 Treffen am 17.5.2020 in Hilden?
E-Mobilität – Bekommen wir einen Blackout, wenn alle Elektroauto fahren von Antonino Zeidler
Tesla – Tesla Schalldämmung von Sabrina Dremel
Tesla Welt – News des Quartals von David Reich
Die Herausgeber – Tesla Fahrer und Freunde e.V.
Tesla – Fahrsicherheitstraining von Lars Hendrichs
Die Herausgeber – E-Auto-Rennsport im TOCH
Tesla – Nikolas (8 Jahre) im Tesla von Martin Haudenschild
Tesla – Model 3: Analyse Exterior Design von Christoph Reichelt
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