Roadrunner 4680 – minden amit megtudtunk a Tesla új aksijáról

A Tesla rendes éves közgyűlése a Covid-19 vírus miatt egészen különleges körülmények között lett megtartva: a meghívottak a cég új fremonti akkugyárának parkolójában 276 Teslában foglaltak helyet. A főleg Model 3-ból és Y-ból álló flotta autósmozi szerűen állt a színpad előtt, a kocsik központi kijelzőjén pedig az esemény közvetítést lehetett nyomon követni.

Az első egy órában viszonylag gyorsan lezavarták a szinte mindig unalmas, száraz közgyűlést, majd kezdődött az akku nap.

Újratervezés

A prezentációt Elon Musk mellett Drew Baglino, a Tesla hajtásláncért és akkumulátortechnológiáért felelős alelnöke tartotta és a rendelkezésükre álló egy órában az elejétől a végéig elmagyarázták miért és hogyan alkotta meg a vállalat az új, mérföldkőnek számító akkumulátor technológiáját.

Drew Baglino és Elon Musk.

Kezdjük rögtön a miérttel.

A Tesla küldetése a világ mielőbbi átállítása a fenntartható energiaforrásokra és közlekedési eszközökre. Ez nem újdonság, eddig is tudtuk. A vállalat azonban ma már úgy látja, hogy eredeti mestertervük nem elég, gyorsabban, radikálisabban kell lépni, ezért újragondolták stratégiájukat.

A cég eredeti terve az volt, hogy a nevadai gigagyárat évi 35 GWh akkumulátorgyártási kapacitásra pörgeti fel és innen látja el autóit cellákkal. Később ezt a célszámot 150 GWh-ra emelték. A régebbi 35 GWh-át egyébként már mostanra elérték az eredetileg tervezett alapterület harmadával és most már inkább a helyi autógyáraikba telepítenek aksigyárat, hogy minden egy helyben készüljön.

Azonban a Tesla vezetése most úgy látja, hogy az akkumulátorok árának csökkenése lelassult, mert egyszerűen nincs még mindig elég gyártási kapacitás és maguk a cellák sem fejlődnek elég gyorsan. Ezért most alapjaitól gondolták újra nem csak a cellák szerkezeti és kémiai felépítését, de a gyártásukat is.

Az új cél a mostani évi 35 GWh kapacitásukat 2022-re 100 GWh-ra emelni, 2030-bn pedig már 3 TWh, azaz 3000 GWh lesz szükséges – ennek fele autókba, másik fele energiatárolókba kerül majd. Csakhogy ennyi akkumulátorhoz a mai módszerekkel valószínűtlenül sok pénz és alkalmazott meg rengeteg idő kellene.

A vállalat célja, hogy megfelezze az akkumulátorok előállításának jelenlegi költségét – és érzésük szerint 18-36 hónap alatt el is jutna majd ide. A rendezvény mögötti épületben már működik az új akkugyártósor u.n. pilot verziója, amin a technológia jelenlegi csorbáit küszöbölik ki, de a cél az, hogy jövő év végére elérjék az évi 10 GWh gyártási kapacitást. Miközben tovább növelik megrendeléseiket meglévő partnereiktől is (Panasonic, LG, CATL), az itt szerzett tapasztalatok alapján készülnek majd el az új gigagyárak gépsorai –  helyszínenként 200 GWh  kapacitással.

Ehhez 5 fő területen kellett/kell újragondolniuk az akkugyártást.

A cella

A vállalat korábban már hajtott végre nagy ugrást amikor a 18650-es cellákról állt át a 2170-esekre. Ekkor 50%-kal nőtt az energiatároló képesség, azonban ez „egyszerűen” evolúció volt.

Az új 4680-as cellájuk viszont alapjaiban lett újra tervezve.

A 4,6 centi átmérőjű és 8 centi magas henger alakú energiatároló az ideális méret az elektromos autókhoz  és a megnövekedett méretnek köszönhetően ötször annyit energiát tud tárolni mint a 2170-es. Csakhogy az akkumulátor méretének növekedésével nő a cella belső ellenállása is, ami komoly melegedéshez vezet, ezért eddig senki nem gyártott ekkorát.

Most a Tesla a korábban már általunk is bemutatott „fül” nélküli szabadalmával (tabless) megoldotta ezt a gondot. Ezzel a technikai trükkel már nem csak egy ponton tudja leadni a cella az energiát és az elektronok útja is jelentősen lerövidült – míg a kisebb 2170-es cellában 250 millimétert kell megtenniük a „fülig”, addig az új, jóval nagyobb 4680-asban csak 50 mm az út. Így a cella nem melegszik fel belül.

EZT OLVASTAD MÁR?  Tűzveszélyes a Tesla?
A tabless cella felülnézetből – feltekert u.n. jellyroll teljes teteje képes átadni a töltést.

Csak szimplán a méretváltás 16%-os hatótávnövekedést eredményez az autókban és 14%-kal csökkenti a költséget. Ráadásul a fül nélküli fóliát egyszerűbb és gyorsabb is gyártani, hiszen nincs fül aminél egy pillanatra meg kell álljon a gyárósor.

A gyár

De nem elég csak a cellát újratervezni, magát a gyártás folyamatát is olcsóbbá és gyorsabbá kell tenniük. Ebben segítségükre van a korábbi Hybar és Grohmann felvásárlás – a két céget integrálták a Teslába és ezek a csapatok együtt dolgozták ki az új rendszert.

A jelenlegi módszerrel készülő cellák egyik fő problémája, hogy az aksiban található kémiát u.n. nedves módszerrel viszik fel a műanyag fóliára, majd ezután hatalmas, több  tízméteres szárítókemencékben kell a felesleget elpárologtatni és a sokszor mérgezőanyagokat visszagyűjteni.

A Maxwell Technologies felvásárlásának köszönhetően a Tesla már másfél éve dolgozik a száraz elektródás technológián. Eddig már több tízezer cellát gyártottak le, és most tartanak a gépsorok negyedik változatánál. Még 2-3 iterációra szükség lesz, mire elfogadható szintre csökken a selejt. A módszer nagy előnye, hogy a száraz állapotban, por formában felvitt keveréket nem kell szárítani, így tized annyi hely és energia kell a gyártáshoz.

A cellák összeállítására is új gépsorokat terveztek a Grohmann  és a Hybar szakembereivel, összevontak és automatizáltak több külön folyamatot. Teljes méretben egy ilyen cellasor 20 GWh kapacitásra lesz képes, ami hétszeres növekedést jelent.

A cellagyártás utolsó szakasza a cellák formázása, amikor is azokat többször lemerítik és feltöltik – így kapják meg a végleges kapacitásukat. Ez általában a teljes beruházás költségének 25%-a ezért ezt is teljesen újragondolták. Az új megoldás 86%-kal olcsóbb és 75%-kal igényel kevesebb helyet.

Összességében a gyártás újratervezése 75%-kal csökkentette a beruházásiköltségeket, a cellák pedig 18%-kal lettek olcsóbbak.

Anód, katód, aktív anyagok

A Tesla már eddig is használt a grafithoz kevert szilíciumot az anódban és ennek arányát a világ számos gyártója próbálja emelni. Nem véletlen, ugyanis a szilícium kilencszer több lítiumot tud tárolni, mint a grafit. Csakhogy a töltési-merítési ciklus során az anyag a négyszeresére tágul és gyakorlatilag záros határidőn belül a cella kinyírja saját magát.

Sokan sokféleképpen próbálják ezt a problémát áthidalni, azonban a Tesla egy teljesen új módszert dolgozott ki. A drága nanoszálas megoldás költségének majd tizedéért egy elasztikus szilikon bevonatot és kötőanyagot találtak ki, ami lehetővé teszi a szilícium tágulását repedezések nélkül. Ezzel cellaszinten további 5% költséget csökkentettek.

A katód esetében a cég úgy döntött, hogy a megoldás a diverzifikálás, azaz termékvonalanként az adott felhasználási mód sajátosságainak megfelelő kémiát használnak a cellában. Ja és az új cellák teljesen kobaltmentesek.

A jövőben az olcsóbb, kisebb hatótávú autókban és az energiatároló rendszerekben vasfoszfát alapú lesz a katód, ami súlynövekedéssel jár ugyan, de itt vállalható a kompromisszum. Az SR akkupakkoknál van még szabad hely és súlyelőny is van a nagyobb aksis verziókhoz képest – ebből adnak fel kicsit. Az ipari energiatárolóknál pedig kis túlzással lényegtelen a súlytöbblet.

A nagyobb hatótávú autókban és az otthoni, falra szerelt energiatárolókban marad a mostani nikkel-mangán keverék, csak kobalt nélkül, ahol pedig igazán nagy teljesítmény kell és fontos a súly ott megemelt nikkel tartalommal dolgoznak majd – ilyen lesz a Semi és a Cybertruck.

EZT OLVASTAD MÁR?  5 csillagosra tört az e-Tron

Az új módszerekkel 66%-kal csökken a befektetés mértéke, 76%-kal olcsóbb az előállítás és egyáltalán nem keletkezik szennyezett víz – minden csepp újra van hasznosítva. Ezentúl a Tesla autó- és akkumulátorgyáraiban saját maguk állítják majd elő a katódot.

Sőt.

A Tesla megvásárolt Nevada államban egy 20 ezer hektáros lítiumban gazdag területet és saját maga fogja bányászni a kulcsfontosságú anyagot. A 100%-ban elektromos árammal működő, szulfátmentes rendszerben egyszerű asztali sóval nyerik ki a vizes földből a lítiumot, így az előállítás 33%-kal olcsóbb és környezetbarát. Az immár lítiummentes földet visszateszik a helyére és teljesen helyreállítják a környezetet.

A Tesla egyébként beindítja saját nevadai gyárában az akkumulátorok újrahasznosítását is – ez még idén megkezdődik. Ezt eddig külső partner végezte, de most házon belülre hozzák.

A fentieknek köszönhetően összesen 49%-kal lett olcsóbb a cellák költsége kilowattóránkként – és még nincs vége.

A cella a szerkezet része

Az utolsó pont amit újraterveztek az maga az akkupakk, pontosabban annak az autó struktúrájában betöltött szerepe.

Musk elmondta, hogy ahhoz hasonló megoldást találtak ki, mint amit a repülőgépek is alkalmaznak, tehát, hogy az üzemanyagtartály a szárny szerkezeti eleme. Jelen esetben a Model Y az első példa, ahol a cég mérnökei saját alumínium ötvözetet fejlesztettek ki, amelyet bevonatok és hőkezelés nélkül tudnak a gigantikus öntő-présgépbe fecskendezni. Ennek segítségével az autó eleje és hátulja is 1-1 darabból készül nemsokára.

Ez az innováció volt szükséges ahhoz is, hogy az új cellák közvetlenül az autó padlólemezébe kerülhessenek majd, annak szerves részét képezve, hozzájárulva a szilárdságához. A cellákat így sokkal sűrűbben lehet elhelyezni és a megoldás összességében 10%-os súlycsökkenést jelent, 14%-kal növeli a hatótávot és 370-nel kevesebb alkatrészt eredményez, miközben az autó ellenállóbb lesz az oldalsó ütközésekkel szemben. A cellák közé saját fejlesztésű tűzálló-ragasztójukat fecskendezik be, ami stabilizálja a szerkezetet és megakadályozza a tűzeseteket.

A gyárban ez a gyakorlatilag akkupakk mentes megoldás 35%-kal kevesebb helyet igényel és 55%-kal olcsóbb mint a mai módszerek.

Összességében

Összességében az akkumulátorgyártás teljes fenti újragondolása azt eredményezte, hogy cella szinten 56%-os költségcsökkentést értek el kilowattóránkként, 54%-kal nőhet a hatótáv és 69%-kal csökken a beruházás gigawattórára vetített költsége.

A Tesla várakozásai szerint 12-18 hónap alatt lesz érezhető az új gyártósor költségcsökkentő hatása, és a teljes potenciált 3 év alatt érhetik el. Hangsúlyozták, nem laborban működő kísérleti dolgokról és elméleti áttörésekről van szó, a fenti komplett rendszer már üzemel is a Kato Roadon – videót is vetítettek a gyárban működő gépekről. Jelenleg még dolgoznak a szárazelektródás megoldás selejtarányán de pontosan tudják mit kell tenniük, hogy ezen javítsanak és Berlinbe, Austinba már ennek a gyártósornak a felskálázott méretű változata kerülhessen.

Elektromos autót használsz?