Batterie Entwicklung – Solid State Batterie und Tesla 4680 Batterie
Ich habe vor einiger Zeit gelesen, dass Tesla ihre 4680 Batterie vorgestellt hat. Aber mir ist nicht klar, was der Unterschied zu anderen Batterien ist und was der Vorteil ist. In diesem Zusammenhang werden oft Solid State und Lithium Batterien erwähnt. Ich möchte selber verstehen, was der Unterschied ist und was die Vor- respektive Nachteile sind. Daher schreibe ich hier für mich meine Erkenntnisse.
Ich muss gestehen, dass ich erst kürzlich über das Batterie Thema gestolpert bin. Ich glaube es war sogar, da ich mir ein YouTube Video angesehen habe dazu. Darin wurden die Batterie von Tesla mit dem Namen 4680 Batterie vorgestellt. Diese Batterie ist eigentlich nicht mehr neu, denn diese wurde schon im Jahr 2020 am Battery Day vorgestellt. Aber die Batterie kam jetzt wieder in den Fokus in den Medien, da Panasonic die 4680 Batterie kürzlich gezeigt hat, auch wenn es sich erst um einen Prototypen handelt. Die Pilotproduktion soll im März 2022 beginnen, einen Starttermin für die Serienproduktion gibt es noch nicht. Auch zur Zellchemie gibt es noch keine Informationen – die Zellen aus aktueller Panasonic-Produktion arbeiten mit einer Nickel-Cobalt-Aluminium-Chemie (NCA). Tesla selbst produziert bereits 4680er-Zellen – allerdings bisher nur zu Testzwecken. Und am Batterie Day 2021 hat nun Elon Musk noch weitere Details veröffentlich, auch zu der geplanten Produktion.
Der Unterschied zu den bisher verwendeten Batterien in den Tesla Modellen liegt in der Grösse der Batterie. Das Model S hat 18650 und das Model 3 verwendet 2170-Zellen. Die neuen Batterie hat eine Abmessung von 80 Millimeter in der Höhe und haben einen Durchmesser von 46 Millimeter. Nun ist auch klar woher der Name der Batterie kommt, wie dies bei allen Batterien von Tesla ist. Die neuen 4680-Module sollen fünf Mal mehr Energie speichern, wobei man auch sagen muss, dass sie gut 5 Mal so viel Volumen haben. Bei vergleichbarer Größe der gesamten Batterie sollen sie aber 16 Prozent mehr Reichweite bringen.
Aber den wirklichen unterschied der Batterie liegt nicht in der Grösse. Das Magazin Spiegel hat online ein Interview mit einem Deutschen Professor, der dies wie folgt beschreibt:
«[…] Bisher stecken in Tesla-Batterien Rundzellen, die etwas größer sind als die Batterien einer klassischen Taschenlampe. Darin steckt eine aufgerollte Metallfolie mit einer Paste darauf, das ist das eigentliche Speichermaterial. Am Ende dieser Rolle befindet sich eine Lasche. Wenn ich die Batterie lade oder entlade, muss der Strom über die Lasche die gesamte Wicklung durchlaufen. Tesla hat es jetzt geschafft, diese Rolle quer zu verbinden und die Lasche überflüssig zu machen.
Der Weg für den Strom wird deutlich kürzer und Tesla kann die Größe der Zelle auf die einer kleinen Bierdose erhöhen. Das würde eigentlich kein Hersteller machen, da beim Schnellladen sonst die Wärme nicht aus der Zelle herauskommt. Durch das Design ohne Lasche und die kürzeren Wege ist aber der Widerstand geringer, es wird kaum noch Wärme erzeugt. Allein durch das Format sind 16 bis 18 Prozent höhere Reichweiten möglich, gleichzeitig kann so ein System bis zu sechsmal schneller geladen werden. Das ist ein Quantensprung.[…]»
Hier der Link zum Text: https://www.spiegel.de/auto/tesla-battery-day-das-ist-ein-quantensprung-a-21308112-66dd-45eb-9b50-edce807da711
Jetzt haben wir viel über die Tesla 4680 Batterie gelernt. Aber was ist eigentlich eine Lithium Batterie und was ist der Unterschied zu einer Solid State Batterie.
Lithium Batterie
Hier müssen wir als erstes unterscheiden zwischen Lithium und Lithium-Ionen Batterien.
Eine Lithiumbatterie ist eine Primärzelle, bei der Lithium als aktives Material in der negativen Elektrode verwendet wird.
Lithium Batterien sind Primärbatterien, die metallisches Lithium als Anode haben. Diese Batterietypen werden auch als Lithium-Metall-Batterien bezeichnet.
Sie heben sich von anderen Batterien durch eine hohe Ladungsdichte und hohe Stückkosten ab. Je nach Bauart und verwendeten chemischen Verbindungen können Lithiumzellen Spannungen von 1,5 V (vergleichbar mit einer Zink-Kohle- oder Alkalibatterie) bis etwa 3,7 V erzeugen.
Lithium Batterien finden Anwendung in vielen langlebigen, kritischen Geräten wie Herzschrittmachern und anderen implantierbaren elektronischen medizinischen Geräten. Diese Geräte verwenden spezielle Lithium-Iodid-Batterien, die für eine Lebensdauer von 15 oder mehr Jahren ausgelegt sind. Aber für andere, weniger kritische Anwendungen wie in Spielzeug kann die Lithiumbatterie das Gerät tatsächlich überdauern. In solchen Fällen ist eine teure Lithiumbatterie möglicherweise nicht wirtschaftlich.
Eine Lithium-Ionen Batterie ist eine Art wiederaufladbarer Batterie, bei der sich Lithium-Ionen während des Entladens von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode und beim Laden zurück bewegen.
Lithium-Ionen Akkus haben eine hohe Energiedichte, keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung. Zellen können hergestellt werden, um entweder Energie oder Leistungsdichte zu priorisieren. Sie können jedoch ein Sicherheitsrisiko darstellen, da sie brennbare Elektrolyte enthalten und bei Beschädigung oder falscher Aufladung zu Explosionen und Bränden führen können.
Also im Zusammenhang mit Elektro Auto sind somit Lithium Ionen Batterien von Relevanz, da sie wiederaufladbar bar sind.
Solid State Batterie
Eine Solid State Batterie, oder auf Deutsch Festkörperbatterie, ist eine Batterietechnologie, die Festelektroden und einen Festelektrolyten anstelle der flüssigen oder Polymer-Gel-Elektrolyte verwendet, die in Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien zu finden sind.
Die Festelektrolyte wurden erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt, aber das sie mehrere Nachteile haben, wie etwa eine niedrige Energiedichten, kam es nie zu einer breiten Anwendung. Entwicklungen im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert haben ab den 2010er Jahren ein erneutes Interesse an Festkörperbatterietechnologien insbesondere im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen geweckt.
Und dies ist eben nun passiert als Anfang dieses Jahres NIO eine bahnbrechende bevorstehende Batterieoption für seine Elektroautos angekündigt - 150-kWh-Batteriepacks, bestehend aus Solid State Batterien mit ultrahoher Energiedichte. Diese sind noch nicht verfügbar, aber das chinesische Unternehmen ist zuversichtlich, dass es ab dem vierten Quartal 2022 mit der Auslieferung dieser neuen 150-kWh-Pakete an die Kunden beginnen wird.
Die Festelektrolytstrukturen bringen mehrere Vorteile. Einerseits sind sie durch den geringeren Bedarf an Kühl- und Sicherheitseinrichtungen leichter und platzsparender, andererseits kann durch die höhere Energiedichte bei gleichem Platzbedarf viel mehr elektrische Energie eingespart werden. Damit ermöglichen sie ein leichtes, filigranes Design und beanspruchen weniger Platz bei der Bereitstellung einer gewohnten Energiemenge. Gleichzeitig entfällt die Brandgefahr von Elektroautos, da feste Materialien nicht so leicht Feuer fangen. Festkörperbatterien gelten daher als zuverlässiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten.
Der Unterschied zwischen Solid State und Tesla 4680 Batterie
Sowohl Lithium-Ionen- als auch Festkörperbatterien haben ihre eigenen Herausforderungen.
Lithium-Ionen Batterien sind ein sehr ausgereifter Markt und sie sind weltweit verbreitet, aber im Vergleich zu Solid-State-Batterien sind sie nicht sehr kosteneffizient. Zudem ist der Solid-State-Akku sehr einfach herzustellen. Derzeit werden Festkörperbatterien nur von wenigen Unternehmen erforscht, im Gegensatz zu Lithium-Ionen, die es seit mehr als einem Jahrzehnt gibt Daher wird die Migration von Lithium-Ionen auf die Festkörperbatterie ein sehr langsamer Prozess sein.
Es ist offensichtlich, dass Festkörperbatterien das nächste große Ding sind, aber bis diese bereit sind, ist Tesla immer noch wettbewerbsfähig mit ihren Batterien. Dies heisst aber nicht, dass Tesla niemals Solid-State-Batterien verwenden wird. Tesla wartet wohl nur darauf, dass die Technologie weiter ausgereift ist.
