Generální ředitel Tesly Elon Musk si letos stanovil mimořádné cíle pro vlastní výrobu baterií. Na konci roku 2020 Musk oznámil, že Tesla má za cíl snížit náklady na nejdražší část elektromobilu na polovinu výrobou vlastních baterií. Lithium-iontové baterie Tesla 4680 – s průměrem 46 milimetrů a délkou 80 milimetrů – obsahují asi 5krát více energie než její současné menší články 2170. Tesla může použít menší počet nových článků pro stejnou energii a dojezd, čímž sníží náklady.
Tesla čelí zdlouhavému procesu rozšiřování své továrny na baterie, který je však komplikován plány na použití nové výrobní technologie zvané suché potahování elektrod.
Lithium-iontové baterie (LIB) jsou technologií ukládání v nejmodernějších EV, což vede k podstatnému růstu celosvětové produkce LIB. Prioritou v rámci bateriové technologie bylo dosažení vyšších energetických kapacit LIB, aby mohly konkurovat vozidlům se spalovacím motorem (ICE).
Zpracování suchých elektrod je součástí další generace elektrod, protože snižuje náklady a eliminuje toxicitu, aby byly splněny budoucí požadavky na výrobu baterií.
Výzkum ukazuje, že míchání a potahování suchých elektrod by bylo revoluční pro výrobu LIB ve velkém měřítku. Vynechání rozpouštědla při zpracování suchou elektrodou podstatně snižuje spotřebu energie a umožňuje silný, mechanicky stabilní povlak elektrody. Suchý povlak v konečném důsledku snižuje přípravu suspenze a krok míchání, zkracuje dobu sušení a eliminuje toxické těkavé výpary z N-methyl-2-pyrrolidonu (NMP), regenerace rozpouštědla a recyklačních systémů.
Ve srovnání s materiály zpracovávanými za mokra je nákladově efektivní a šetrný k životnímu prostředí. Dále, proces suchých elektrod může zlepšit energetickou a výkonovou hustotu tím, že umožní unikátní, husté, vysoce zatěžované elektrodové mikrostruktury.
Potíže s výrobou baterií ve velkém měřítku
“Mění způsob, jakým se dělá výroba baterií,” řekla Shirley Meng Reuters. “Je to opravdu, opravdu obtížné vyrábět rychlostí a v měřítku.” Meng je profesorkou na Chicagské univerzitě, která dříve spolupracovala s Maxwellem, společností zabývající se technologií baterií, kterou získala Tesla.
Tovární zařízení pro vlastní výrobu baterií, jako je tato, řekl Musk, „neexistuje. Vyrábí se.”
Reuters nabízí pěkné vysvětlení toho, jak se baterie EV nabíjejí a vybíjejí tokem iontů lithia mezi anodou obsahující grafit a katodou. Katody obsahují nikl, který dodává vysokou hustotu energie a umožňuje vozidlu jet dále. Ceny přísad do baterií, jako je nikl, tento týden zasáhly rekordy kvůli obavám z dodávek pramenícím z rusko-ukrajinského konfliktu a Musk již v lednu předpověděl omezení dodávek baterií, díky čemuž je vlastní výroba klíčem k růstu.
Snaha o energetickou hustotu přivedla baterie elektrických vozidel od používání lithium-železo-fosfátových katod v raných dobách k ternárním vrstveným oxidům stále bohatším na nikl; jelikož se však nikl používá při výrobě baterií pro elektromobily, jakékoli sankce uvalené na ruský nikl se stanou překážkou pro výrobu elektromobilů. Rusko bylo v roce 2021 třetím největším producentem niklu s více než 200,000 XNUMX tunami.
Technologie suchých elektrod nejenže nabízejí způsob, jak snížit spotřebu energie v procesu výroby bateriových článků – což snižuje náklady – ale takové inovace by také mohly v blízké době poskytnout příležitosti ke zvýšení výkonu dnešních lithium-iontových baterií. Výroba suchých elektrod přeskakuje tradiční, komplikovaný krok výroby baterií, který zahrnuje chemickou kaši.
Pokud to bude fungovat, bude to levnější a efektivnější, ale Musk volně přiznává, že to bude výzva. „Velmi obtížnou částí je pak zvýšit výrobu a dosáhnout extrémně vyšší spolehlivosti a bezpečnosti s články,“ řekl na evropské konferenci o bateriích v listopadu 2020.
Vystačíte si s malou pomocí od obchodního partnera Panasonic
Japonská média NHK oznámil začátkem tohoto měsíce, že Panasonic plánuje postavit továrnu v USA, která bude dodávat Tesle LIB, ve snaze zvýšit výrobu, aby uspokojila očekávanou poptávku po elektrických vozidlech. S plánovanými staveništi v Oklahomě a Kansasu by rozšíření Panasonicu rozšířilo plán společnosti Tesla na zvýšení vlastní výroby baterií s novou továrnou, kterou uvádí online v Texasu.
Panasonic má v úmyslu zahájit sériovou výrobu nového typu lithium-iontové baterie, která má průměr 46 mm a výšku 80 mm, pro Teslu do března 2024 na dvou nových výrobních linkách v její továrně na západě Japonska ve Wakayamě. Podle Kazuo Tadanobu, generálního ředitele energetické divize společnosti Panasonic, spočívá výhoda společnosti Panasonic na trhu v její schopnosti „použít řemeslné zpracování k zachování bezpečnosti i při zvýšení výkonu baterie“.
A poté, co vedl vývoj článků nové generace, Tabanobu uznal, že společnost oceňuje svůj vztah s Teslou a bude pracovat na udržení svého místa v řadě baterií Tesla. “Nechceme prohrát,” řekl výkonný ředitel Panasonicu.
Panasonic byl prvním výrobcem baterií, který spolupracoval s Teslou, když souhlasil s výrobou bateriových článků v Tesla Gigafactory v Nevadě. Tento vztah měl v průběhu let své vzestupy a pády a Tesla vytvořila spojenectví s jinými výrobci baterií. Tesla zvýšila výrobu a diverzifikovala svůj dodavatelský řetězec na další firmy, včetně čínských výrobců lithium-železofosfátových (LFP) powerpacků, jako je Contemporary Amperex Technology Co. (CATL).
V roce 2021 Tadanobu řekl, že Panasonic nemá v úmyslu vyrábět baterie LFP pro Tesly standardního dosahu, i když ve zprávě Tesly se uvádí, že společnost plánuje začít používat ty ve svých vozidlech „standardní řady“ po celém světě.
Jak dilema baterie ovlivňuje pravděpodobné dodávky Tesly 2022
V roce 2020 Musk předpokládal, že Tesla bude mít v roce 100 kapacitu na výrobu 4680 gigawatthodin 2022 baterií, což je dost pro napájení asi 1.3 milionu aut a více než dost pro výrobu v továrnách v Texasu a Německu. Nedávno Tesla oznámila, že do konce března začne dodávat vozy Model Y s většími bateriovými články.
Tesla v lednu vyrobila miliontý článek 4680.
Očekává se, že Tesla letos dodá zhruba 1.4 milionu vozů. Průmyslový výzkumník Benchmark Mineral Intelligence očekává, že společnost vyrobí baterie pro přibližně 30,000 484,000 vozidel Model Y, což v roce 2024 vzroste na XNUMX XNUMX, podle dosud nezveřejněné prognózy poskytnuté společnosti Reuters.
Jak pravděpodobné je, že Tesla letos dosáhne očekávaných cílů hromadné výroby vlastních nových baterií? Nikdo to neví jistě, ale určitě existují překážky spojené s otevřením nové továrny a vývojem nové metodiky výroby baterií.
Nezbytnost vlastní výroby baterií Tesla je nezbytná pro zajištění rozsahu nezbytného pro stavbu méně nákladných elektromobilů s delším dojezdem. Konkurence se plíží zezadu.
Senior viceprezident Drew Baglino v lednu řekl, že Tesla „učiní významný pokrok v křivce rampy“ ve své továrně na testování baterií ve Fremontu v Kalifornii, zatímco instaluje bateriové zařízení ve svém nadcházejícím závodě v Texasu. Baglino řekl, že se Tesla „soustředí na zvýšení kvality výnosů a nákladů, abychom zajistili, že jsme připraveni na větší objemy v tomto roce, jak budeme narůstat a příští rok“.
Jako znamení ambicí Tesly se očekává, že její vlastní výroba baterií porazí zavedené výrobce baterií Panasonic a LG na trhu s 4680.
Samozřejmě, spousta klábosení obklopuje příležitosti v rámci polovodičové baterie, o které mnozí říkají, že je lepší než baterie s kapalnými nebo polotekutými elektrolyty. Má nižší riziko vzplanutí, přesněji známého jako tepelný únik. S vyšší hustotou energie se polovodičové baterie mohou nabíjet a vybíjet rychleji, fungovat lépe při nízkých teplotách a nabídnout větší výdrž. Polovodičové baterie brání velké komercializaci dva faktory: nižší vodivost pevného elektrolytu a problémy s nestabilitou rozhraní.
Překonání nestabilit, které vznikají na rozhraní, bylo pro výzkumníky nejnáročnější. Tyto nestability mohou nastat jak během výroby, tak během elektrochemického provozu takových baterií. Výzkum a vývoj prováděný na MIT demonstruje důležitost kontroly plynného prostředí během procesu slinování pro získání dobrého kontaktu mezi keramickou katodou a keramickým elektrolytem v bateriích v pevné fázi. Společné slinování katody a elektrolytu v prostředí O2 poskytuje chemicky stabilní rozhraní s nízkým mezifázovým odporem.
Máte tip na CleanTechnica? Chcete inzerovat? Chcete navrhnout hosta pro náš podcast CleanTech Talk? Kontaktujte nás zde.
Naše nejnovější video EVObsession
Nemám rád paywally. Nemáte rádi paywally. Kdo má rád paywally? Zde v CleanTechnica jsme na chvíli implementovali omezený paywall, ale vždy to bylo špatné – a vždy bylo těžké rozhodnout, co bychom tam měli dát. Teoreticky váš nejexkluzivnější a nejlepší obsah jde za paywall. Ale pak si to přečte méně lidí!! Rozhodli jsme se tedy, že zde v CleanTechnica zcela zrušíme paywally. Ale.
Stejně jako ostatní mediální společnosti potřebujeme podporu čtenářů! Pokud nás podporujete, vkládejte prosím trochu měsíčně, abyste pomohli našemu týmu napsat, upravit a publikovat 15 příběhů o čistých technologiích denně!
Společnost má poměrně diverzifikovanou strategii, pokud jde o formát článku, katodovou chemii a dodavatele.
23. května 2022 v 8:23 ET
Tesla je největším světovým výrobcem elektromobilů a mnozí se diví, jaké baterie tato společnost používá. Existuje tajný typ baterie, který jí umožňuje dosáhnout úspěchu?
Když se podíváme na téměř 20 let Tesly, zdá se, že tajemství nespočívá v konkrétní baterii, ale v přístupu – velmi pragmatickém, flexibilním, zaměřeném na neustálý vývoj, přizpůsobování a hledání příležitostí.
Tvarový faktor bateriového článku
Když společnost začínala svou cestu s původní Teslou Roadster, nebylo na výběr mnoho typů lithium-iontových baterií. Tesla se prostě rozhodla použít válcové baterie typu 18650 (nedávno nazývané 1865), určené pro všeobecné použití (mírně přizpůsobené EV).
Jejich použití bylo obtížné kvůli vysokému počtu malých článků (nízká kapacita) v bateriovém bloku (několik tisíc), ale byly k dispozici v konzistentní kvalitě a ve velkém objemu. S vynikajícím inženýrstvím pro zvládnutí elektrického a tepelného managementu (kapalinové chlazení) se Tesla vydala pragmatickou cestou (některé další společnosti začaly v té době používat nové typy sáčků nebo prizmatických článků).
Články typu 1865 byly použity v Roadsteru a Modelu S/Model X (včetně aktualizovaných). Primárním dodavatelem těchto článků pro Teslu je Panasonic (z Japonska).
Později Tesla přišla na to, že by bylo lepší mít větší bateriový článek (vyšší kapacita na článek a nižší počet článků), optimalizovaný pro elektromobily. Tak vstoupil válcový článek typu 2170 ve velkém na trh pro Tesla Model 3/Tesla Model Y a také pro produkty pro skladování energie.
Typ 2170 původně vyráběl Panasonic v Tesla Gigafactory 1 v Nevadě (v současnosti zhruba 38-39 GWh/rok). V posledních letech se LG Energy Solution společnosti LG Chem také stalo dodavatelem takových článků pro Teslu – vyrábí je v Číně, především pro továrnu Tesla Giga Shanghai.
V letošním roce vstoupil na trh nejnovější a zatím největší cylindrický formát buněk, typ 4680. Buňka je fyzicky 5x větší než typ 2170, což umožňuje další optimalizaci systému a zavádění některých nových technologií. Vzhledem k velikosti a novým řešením je však výroba náročná. To je důvod, proč Tesla zahájila svůj vlastní vývoj a výrobu v Kalifornii a Texasu a povzbuzuje dodavatele – včetně Panasonicu – aby urychlili své úsilí.
To jsou tři válcové typy článků, které Tesla používá ve svých elektromobilech, ale existuje ještě čtvrtý – hranolový typ pro baterie LFP, který dodává CATL. Od 1. čtvrtletí 2022 byla téměř polovina všech vozů Tesla vybavena prizmatickými bateriemi LFP. Je to další jasný příklad pragmatického přizpůsobení se poptávce trhu, protože prizmatické baterie LFP jsou základem levnějších modelů Tesla na základní úrovni.
Typy baterií Tesla:
- Typ 1865 (průměr 18 mm a výška 65 mm)
použití: Roadster (originál), Model S, Model X - Typ 2170 (průměr 21 mm a výška 70 mm)
použití: Model 3, Model Y - Typ 4680 (průměr 46 mm a výška 80 mm)
použití: Model Y Made-in-Texas (v budoucnu i Model Y z Německa a nové modely) - hranolový
použití: základní model 3 a model Y
Chemie článků baterie
Všechny trakční baterie Tesla jsou lithium-iontové baterie, ale nejsou všechny stejné. Existuje několik hlavních chemických katod, z nichž každá se v průběhu let vyvíjí.
Tři hlavní typy katod v elektromobilech Tesla:
- nikl-kobalt-hliník (NCA)
- nikl-kobalt-mangan (NCM)
- fosforečnan lithný (LFP)
První dva – NCA a NCM – mají vysokou energetickou hustotu, což je předurčuje k použití ve verzích vozů Tesla s dlouhým dojezdem. Tyto dva typy byly použity ve válcových článcích (NCA v roce 1865 a 2170 od Panasonic, NCM v roce 2170 od LGES).
LFP je méně energeticky hustý typ. Neobsahuje žádný nikl ani kobalt, díky čemuž je levnější. Perfektně se hodí pro základní modely a systémy pro ukládání energie. Tesla používá prizmatické články LFP od CATL.
V nedávné zprávě o dopadu z roku 2021 Tesla vysvětluje, že ano „bude pokračovat v prosazování diverzifikované katodové strategie pro LFP, katody bohaté na nikl a mangan, aby oslovila různé segmenty trhu s produkty pro vozidla a skladování energie a poskytla budoucí flexibilitu na základě dostupnosti surovin a cen.
Tesla se snaží zvýšit obsah niklu a snížit obsah kobaltu v bateriích NCA a NCM, což by snížilo náklady a zlepšilo hustotu energie (a dojezd). Není však snadné odstranit kobalt kvůli jeho roli v bezpečnosti a dlouhé životnosti baterie.
“Tesla bude i nadále prosazovat diverzifikovanou katodovou strategii pro LFP, katody bohaté na nikl a mangan, aby oslovila různé segmenty trhu s produkty pro vozidla a skladování energie a poskytla budoucí flexibilitu na základě dostupnosti surovin a cen.”
Společnost také poznamenává, že v nadcházejících letech se její absolutní poptávka po kobaltu zvýší, protože se předpokládá, že růst výroby baterií a vozidel předstihne celkovou míru snižování kobaltu na bázi článku.
Musíme také pamatovat na to, že katoda není jediným prvkem baterie a neustále dochází k vylepšování všech prvků, včetně anody (obsah křemíku vs. grafitu) a elektrolytu.
Dodavatelé baterií
Konečně dodavatelé baterií. Zpočátku a po dlouhou dobu byl hlavním dodavatelem baterií společnosti Tesla Panasonic – články typu 1865 a 2170 s chemií NCA. Později se k němu ale přidaly LG Energy Solution (články typu 2170 s chemií NCM) a CATL (prizmatická LFP chemie).
Kromě toho Tesla zahájila vlastní výrobu baterií – článek typu 4680 s nezveřejněnou chemií (ale nejspíše s vysokou energetickou hustotou). 1 miliontý článek Tesly byl vyroben v Kalifornii v lednu (elektromobil by mohl potřebovat až asi 1,000 XNUMX takových článků).
Jinými slovy, můžeme vidět postupující diverzifikaci:
- Panasonic:
Japonsko: NCA typu 1865 (hlavní použití: Model S/Model X)
USA (Gigafactory 1 v Nevadě: NCA typu 2170 (hlavní použití: Model 3/Model Y z Kalifornie) - Řešení LG Energy společnosti LG Chem:
Čína: NCM typu 2170 (hlavní použití: MIC Model 3/Model Y a MIG Model Y) - CATL:
Čína: prizmatický LFP (hlavní použití: základní model 3/model Y globálně) - Tesla:
Kalifornie/Texas: 4680-typ, nezveřejněná chemie (hlavní použití: Made-in-Texas Model Y)
* mohou existovat další dodavatelé a další případy použití (dodavatel/formát buňky/chemie), ale to jsou obecné případy.
Jak vidíme, téma baterie se stalo poměrně složitým. Zdá se, že Tesla jde kupředu s novými typy baterií, ale zatím nerezignuje na ty předchozí (částečně kvůli nedostatku výrobní kapacity baterií a dodatečných nákladů na redesign produktů pro nové články).
Jen čas ukáže, jak rychlá a úspěšná bude nejnovější větev baterií typu 4680.
