Battery Day: Wie Tesla die Akkukosten halbieren will
Beim sogenannten Battery Day hat Tesla gezeigt, wie das Unternehmen in den nächsten drei Jahren die Kosten der Akkus halbieren und die Akkuproduktion bis 2030 auf 3 TWh, also 3.000 Gigawattstunden, steigern will. Die Veranstaltung wurde lange erwartet und war mit großen Erwartungen verbunden. Der Battery Day fand im Rahmen der diesjährigen Aktionärsversammlung statt und sollte einen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der Akkutechnik von Tesla geben.
Was Tesla geliefert hat, wird so manchen Beobachter enttäuschen. Denn Tesla hat keinen Wunderakku vorgestellt. Der Fokus liegt in der Verbesserung der gesamten Kette von Produktionsabläufen, von den Rohstoffen aus dem Bergbau bis zum fertigen Akku im Auto. Dort hat Tesla Großes geleistet. In diesen Verbesserungen steckt das, was eine Umstellung der Autowirtschaft auf Elektroautos und den Bau von Speichern für erneuerbare Energien überhaupt möglich machen kann. Denn dafür ist etwa eine Verhundertfachung der weltweiten Produktionskapazitäten nötig. Ein Wunderakku nützt nichts, wenn er nicht auch in großen Mengen hergestellt werden kann.
Während der Präsentation betonten Tesla-Chef Elon Musk und Drew Baglino, der Leiter der Energiesysteme bei Tesla, immer wieder die Wichtigkeit, kompaktere, effizientere und damit auch billigere Anlagen zu bauen. Sie wollen Akkus mit weniger Arbeitsschritten als bisher herstellen und weniger Investitionskapital benötigen. Sie zogen dabei Parallelen zur Herstellung von Flaschen und dem Zeitungsdruck im 20. Jahrhundert. Die Anlagen dafür wurden immer weiter optimiert, mit kontinuierlichen Arbeitsabläufen, so dass die Herstellungskosten schließlich auf einen Bruchteil sanken.
Die neuen Zellen haben ein größeres Volumen
Über die Technik der neuen Akkus wurde schon im Vorfeld der Veranstaltung einiges bekannt, viele der Gerüchte wurden bestätigt. Es handelt sich um viel größere Akkuzellen mit 46 mm Durchmesser und 80 mm Höhe. Diese sogenannten 4680-Zellen haben das 5,5-fache Volumen der bisherigen 2170-Zellen von Tesla und das 8-fache Volumen der 18650-Zellen, wie sie in älteren Tesla-Modellen oder größeren Laptops zum Einsatz kamen. Dadurch müssen weniger einzelne Zellen gebaut werden, um die gleiche Energiemenge zu speichern.
Zusätzlich kann das Volumen in den größeren Zellen besser ausgenutzt werden, durch die kleinere Oberfläche wird weniger Material im Stahlgehäuse der Zelle benötigt, wodurch auch die Energiedichte steigt. Um das alles überhaupt möglich zu machen, musste Tesla den inneren Aufbau der Akkus verändern, wie schon in einem zuvor angemeldeten Patent(öffnet im neuen Fenster) klar wurde. Denn einfach nur größere Zellen zu bauen, würde große Probleme im Wärmemanagement des Akkus verursachen und Schnellladung fast unmöglich machen. Außerdem stiege der elektrische Widerstand.
Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die Anode und Kathode bisher nur mit jeweils einem kleinen elektrischen Kontakt versehen sind, über den der Strom in den Akku und aus ihm heraus geleitet wird. Anode und Kathode sind dabei lange aufgerollte Streifen aus Kupfer und Aluminium, die durch eine Separatorfolie getrennt werden. Diese Folie leitet keinen Strom, ist aber durchlässig für die Lithium-Ionen, mit deren Hilfe die Energie gespeichert wird.
Da die Ionen durch die gesamte Fläche der Separatorfolie hindurchfließen, ist eine größere Zelle, in der längere Streifen verbaut sind, kein Problem. Die Elektronen müssen dagegen durch die Kupfer- und Aluminiumfolien hin zu den elektrischen Kontakten fließen. Ein fünfmal so langer Streifen bedeutet die fünffache Strommenge, beim fünffachen elektrischen Widerstand. Zusätzlich steigt die Stromdichte in der Nähe der elektrischen Kontakte, was in der Nähe des Kontakts zu heißen Stellen führt und die Leistungsfähigkeit des Akkus begrenzt. Außerdem wird dort auch die Funktion des Akkumaterials eingeschränkt.
Tesla hat nun einen Weg gefunden, einen elektrischen Kontakt entlang des gesamten Rands der Metallbänder herzustellen.
Weniger heiße Stellen lassen Akkus schneller laden
Wie in einem Papierbastelbogen werden Kerben am Rand der Aluminium- und Kupferfolienbänder eingeschnitten. Die überstehenden Randstücke werden umgebogen und beide Folien entweder gegen den unteren oder den oberen Deckel der Akkuzelle gedrückt, so dass dort ein durchgängiger elektrischer Kontakt besteht. Dadurch muss der Strom nicht mehr durch die gesamte Länge des Bandes bis zum elektrischen Kontakt fließen, sondern nur noch entlang der Breite.
![Klassische Massenfertigung der Akkugehäuse in der Anlage [1] (Bild: Tesla/Screenshot: Golem.de)](https://scr3.golem.de/screenshots/2009/teslabatteryday/thumb620/tesla_2.jpg)
![Klassische Massenfertigung der Akkugehäuse in der Anlage [2] (Bild: Tesla/Screenshot: Golem.de)](https://scr3.golem.de/screenshots/2009/teslabatteryday/thumb620/tesla_3.jpg)
Durch die Konstruktion werden Hotspots vermieden und die gesamte Zelle kann besser gekühlt werden, was schnellere Ladezeiten am Turbocharger und höhere Leistung im Motor möglich macht. Zusätzlich wird das flüssige Elektrolyt als Kühlmittel genutzt, das die gesamte Akkuzelle ausfüllt, inklusive einer schmalen Lücke in der Mitte, wie eine Papprolle im Toilettenpapier, nur schmaler. Dort kann das Elektrolyt die Wärme aus dem Inneren des Akkus durch Konvektion nach außen tragen.
Silizium ersetzt Graphit
Beim Laden des Akkus fließen Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und werden in der Anode gespeichert. Diese Anode besteht derzeit größtenteils aus Graphit, das etwa zehnmal so viel wiegt wie das Lithium, das in dem Graphit gespeichert wird. Um das zu verbessern, mischt Tesla schon seit einiger Zeit Silizium in das Graphit, das viel mehr Lithium aufnehmen kann. Reines Silizium schwillt in diesem Prozess aber um das Vierfache seines Volumens an und fängt an zu bröckeln.
Laut der Präsentation hat Tesla dieses Problem in den Griff bekommen. Das Silizium wird von einem hochelastischen Polymer umgeben, das Lithium-Ionen leitet, und von einem ebenso elastischen Bindemittel zusammengehalten. Dabei müssen beide im Zusammenspiel auch den elektrischen Strom leiten. Das Resultat ist eine Anode, die fast die gleiche Speicherkapazität hat wie eine Anode aus reinem Lithiummetall, aber ohne deren Probleme mit der Bildung von metallischen Verästelungen. Gleichzeitig soll das Silizium mit 1,50 US-Dollar pro kWh viel günstiger als graphitbasierte Anoden sein, die 6 bis 10 US-Dollar pro kWh kosteten.
Verbesserungen gibt es auch auf der Kathodenseite, die in allen Akkumodellen von Tesla künftig ohne Kobalt auskommen sollen.
Neue Verfahren sollen auch Recycling ermöglichen
Für Akkus mit der höchsten Energiedichte wie in den Tesla Trucks soll fast reines Nickeloxid verwendet werden, in Fahrzeugen mit etwas niedrigeren Ansprüchen hingegen eine Mischung aus Nickel und einem Drittel des viel häufigeren Mangans. Nickel stellt wegen der begrenzten Abbaumenge den wichtigsten Flaschenhals in der Produktion dar. Für Fahrzeuge mit mittlerer Reichweite und niedrigeren Kosten sollen Kathoden aus Lithium-Eisenphosphat benutzt werden, die ganz ohne Nickel auskommen.
Bei der Produktion der Kathoden will Tesla eine Reihe neuer Verfahren einsetzen. So soll die Herstellung der Materialien, die bisher über einige chemische Zwischenschritte wie der Erzeugung von Nickelsulfat erfolgt, viel direkter mit anderen Verfahren durchgeführt werden. Das Resultat seien kompaktere und günstigere Anlagen, die auch weniger Abwasser erzeugen. Außerdem soll das gleiche Verfahren auch das Recycling von alten Akkus möglich und die Produktion langfristig unabhängig von der Förderung von Rohstoffen machen, sobald einmal genug Akkus im Umlauf sind. Ähnlich wie es schon beim Blei in Autobatterien der Fall ist.
Ähnliches verspricht sich Tesla vom Übergang auf ein trockenes Verfahren beim Aufbringen des Kathodenmaterials auf den Aluminiumstreifen, der den Strom leitet. Bislang wird das Kathodenmaterial zusammen mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel vermischt. Die entstehende Paste wird auf die Folie aufgetragen, in einem großen Ofen getrocknet und das dabei verdampfte Lösungsmittel recycelt. Tesla entwickelt derzeit ein trockenes Verfahren, bei dem das Kathodenmaterial direkt mit Walzen aufgebracht wird. Es funktioniere bereits, bereite aber noch einige Probleme, die zu einer schlechten Ausbeute führten. Wenn das Verfahren funktioniert, sollen die Produktionsanlagen ohne die Öfen viel kompakter werden und schneller laufen können.
Tesla will selbst Lithium abbauen
Überraschend war die Ankündigung, dass Tesla das Lithium für die Kathoden in Zukunft zumindest teilweise selbst fördern will. In den USA gebe es genug Lithium, um die gesamte Autoflotte dort zu versorgen. Dabei bezog sich Elon Musk auf lithiumhaltige Tonerden in Nevada(öffnet im neuen Fenster) , die einen Gehalt von etwa einem Kilogramm Lithium pro Tonne aufweisen. Tesla habe ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das Lithium durch einfaches Salzwasser aus der Erde gewinnen lasse, ohne die üblichen umweltschädlichen Prozesse mit Säuren. Die Tagebaue sollen anschließend wieder mit dem geförderten Material verfüllt werden. Wie salzhaltig dieser Boden dann ist, wurde nicht gesagt. Ebenso gab es keinen Hinweis auf die dann viel geringere Festigkeit.
In der Präsentation wurde der Lithiumabbau an mehreren Stellen positiver dargestellt, als er tatsächlich ist. Eine Folie zeigt etwa, dass der typische Gehalt eines Lithium-Erzes bei 0,7 Prozent liegt, während auch Teslas Vorkommen in Nevada nur 0,11 Prozent aufweist – was auch dem Gehalt der Spudomene in Australien entspricht, aus denen derzeit der größte Teil des Lithiums weltweit gewonnen wird. Elon Musks Aussage, dass Lithium eines der häufigsten Stoffe der Welt sei, ist falsch. Es ist ähnlich selten wie Kobalt. Es ist zwar geografisch weiter verbreitet, aber dafür haben die Vorkommen eine sehr niedrige Konzentration, womit sehr große Mengen Erz abgebaut werden müssen.
Neben der besseren Rohstoffversorgung, der Verbesserung der Kathoden und Anodenmaterialien und der billigeren Akkuproduktion soll auch bei der Integration der Akkus in die Tesla-Autos mehr Geld und Gewicht eingespart werden.
Einfacher aufgebaute und billigere Teslas sind in Vorbereitung
Weitere Einsparungen sollen nicht in den Akkuzellen selbst, sondern beim Einbau der Akkus im Auto gemacht werden. Die gesamte Bodeneinheit der Autos soll nur noch aus zwei gegossenen Teilen bestehen, mit genügend Platz für die Akkuzellen im Inneren. Anstatt aber wie bisher die Akkuzellen zu Modulen zusammenzufassen und die Module in den Zwischenraum des Fahrzeugbodens zu montieren, sollen die Akkuzellen direkt in dem Zwischenraum eingebracht und der Zwischenraum mit einem feuerhemmenden Klebstoff aufgefüllt werden.
Die Stahlgehäuse der verklebten Akkuzellen sollen dabei für einen großen Teil der Steifigkeit der Bodengruppe der Karosserie sorgen und somit Material und Gewicht einsparen. Außerdem werden die Akkus weiter weg vom Rand des Autos angebracht, wo sie noch besser vor Unfällen geschützt sind. Schließlich verbessert sich so das Trägheitsmoment des Autos, womit die Teslas auf der Straße beweglicher werden.
Ein Resultat der billigeren Akkus soll in drei Jahren ein neues Tesla-Modell sein, das noch keinen Namen trägt. Aber es soll für 25.000 US-Dollar erhältlich sein, deutlich billiger als die bisherigen Modelle. Musk kommentierte, dass es egal sei, wie gut und verlockend ein Elektroauto sei, wenn die Menschen einfach nicht genug Geld hätten, um es auch zu kaufen.
Andere Firmen sollen Tesla nacheifern
Tesla werde aber zunächst weiterhin auch Akkus von anderen Herstellern einkaufen. Dabei hob er besonders die weitgehend übersehenen neuen Entwicklungen in der Technologie von chinesischen Herstellern hervor. Dennoch will sich Tesla später vollständig mit Akkus selbst versorgen können. Sollte dabei die Produktion von Tesla einmal größer als der eigene Akkubedarf werden, würde die Firma die überschüssigen Akkus dann auch direkt an andere verkaufen.
Am Ende der Präsentation betonte Musk noch einmal die Wichtigkeit der Verbesserung der Produktionsmethoden und der Integration des Zusammenspiels aller Teile der Produktionskette. Nur so ließen sich die Produktionskosten stark senken und er forderte den Rest der Industrie auf, dem Vorbild von Tesla zu folgen. Bis in die 2030er Jahre müsse die Akkuproduktion etwa verhundertfacht werden, um alle Fahrzeuge auf elektrischen Betrieb umzustellen und genug stationäre Netzspeicher zur Pufferung von erneuerbaren Energien zu bauen.
Die von Tesla vorgestellten Akkus sollen zwar auch in Netzspeichern wie den 3MWh fassenden Megapacks verwendet werden, jedoch waren alle in der Präsentation vorgestellten Akkus für den Gebrauch in Fahrzeugen optimiert. Solche stationären Speicher müssen in Bezug auf Energiedichte, Leistungsabgabe und Schnellladefähigkeit viel geringere Anforderungen erfüllen als Akkus für Fahrzeuge und könnten deshalb anders optimiert werden: etwa durch noch größere Zellen, aus breiteren Bändern, die dicker mit Anoden- und Kathodenmaterial beschichtet werden. Elon Musk deutete jedoch an, dass in der Präsentation nicht alle Entwicklungen bei Tesla gezeigt wurden.
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