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.
Vozy Tesla jsou poháněny výhradně elektrickým nábojem uloženým v bateriích a nazývají se bateriová elektrická vozidla nebo BEV. Důvodem existence Tesly jako společnosti je jednoduše to, že lithium-iontové baterie mají nejvyšší nabíjecí kapacitu ze všech praktických baterií v historii za dané peníze, dostatečně vysokou na to, aby byla BEV praktická.
Nahoře: Pohled na novou Teslu Model 3 (Obrázek: InsideEVs)
Myšlenka použití lithium-iontových dobíjecích bateriových článků byla poprvé navržena britským chemikem na počátku 1970. let 2017. století. V tomto článku na Wikipedii je podrobný přehled vývoje článků lithium-iontových baterií. Televizní pořad NOVA (viz níže) věnoval na začátku roku XNUMX epizodu lithium-iontovým článkům, která demonstruje výhody a nebezpečí spojená s lithium-iontovými články. Je osvětlující, i když trochu lehký, technicky.
Nahoře: Nova’s Search for the Super Battery (Zdroj: PBS)
Bateriové články jsou zdánlivě jednoduchá zařízení sestávající ze tří základních součástí: dvou elektrod, záporné anody a kladné katody oddělených chemickou „polévkou“, zvanou elektrolyt. Když se lithium-iontové baterie nabíjejí, jsou lithiové ionty nuceny migrovat na zápornou elektrodu, kde se ukládají. Během vybíjení lithiové ionty opačným směrem pro katodu.
Nahoře: Jak funguje dobíjecí lithium-iontová baterie (Obrázek: Jak věci fungují)
Tesla od roku 18650 používá 2013 článků vyrobených společností Panasonic v Asii ve vozech Modely S a X. Jedná se o malé bateriové články, o něco větší než standardní články AA. Teslovy válcové články mají průměr 18 mm a výšku 65 mm. Design Panasonic, možná s přispěním od Tesly, je podle některých účtů jednou z nejrobustnějších formulací, které jsou dnes k dispozici, poskytující velmi dlouhou životnost a spolehlivý výkon v drsném automobilovém prostředí.
Nahoře: Bateriové články Panasonic 18650 používané v Tesla Model S a X (Obrázek: PBS)
Nejoblíbenější bateriový balíček od Tesly obsahuje 7,104 18650 článků 16 v 444 85 článkových modulech schopných uchovat až 2015 kWh energie. V roce 6 společnost Panasonic změnila design anody a zvýšila kapacitu článků o přibližně 90 %, což umožnilo bateriovým sadám uchovat až 516 kWh energie. Nedávno inženýři Tesly překonfigurovali vnitřky bateriové sady tak, aby pojala 8,256 článků v každém modulu, což znamená celkem 100 300 článků schopných uchovat o něco více než XNUMX kWh energie, což umožňuje vozům užít si dojezd přes XNUMX mil.
Nahoře: Uvnitř baterie Tesla Model S (Zdroj: Electrek)
S cílem dále zlepšit účinnost článků a snížit náklady postavila Tesla velkou továrnu na baterie v Sparks, NV poblíž Rena s názvem Gigafactory 1, která nyní vyrábí nový design článků s názvem 2170, protože má průměr 21 mm a výšku 70 mm. původně používané v produktech domácího úložiště Tesla Powerwall a produktech pro ukládání dat Powerpack a také v novém sedanu Model 3, který byl navržen tak, aby byl menší a levnější než Model S. Design 2170 je objemově o 46 % větší než 18650 a 10-15 % energeticky účinnější než články 18650, uvádí J. B. Straubel, technický ředitel společnosti Tesla.
Nahoře: Porovnání článku baterie Model S/X 18650 s článkem baterie Model 3 2170 (Obrázek: DNK Power)
Jedním z klíčových požadavků na baterie elektromobilů, zejména na cestách, je jejich relativně rychlé dobití. Vzhledem k tomu, že baterie jsou zařízení na stejnosměrný proud (DC) a domácí elektrická síť je střídavá, nabíjení doma obvykle používá 240 V obvod dodávající 40 ampér (přibližně 10 kW energie). Vůz má vestavěný nabíjecí obvod, který usměrňuje střídavý proud a převádí jej na stejnosměrný proud. Nabíjení tímto způsobem obvykle trvá několik hodin. Tesla celosvětově nainstalovala nabíjecí stanice Supercharger DC, které dodávají výkon až 135 kW. DC obchází nabíjecí obvody auta a nabíjí přímo baterii. To je mnohem rychlejší, obvykle to vyžaduje 20 až 40 minut.
Nahoře: Vozidla Tesla se nabíjejí na stanici Supercharger (Obrázek: Motoring Research)
Baterie Tesla využívající baterie Panasonic 18650 se nemohou nabíjet rychleji. Maximální nabíjecí napětí pro článek Panasonic je 4.2 V. Panasonic udává maximální nabíjecí proud 2 ampéry na článek. Tesla umožňuje nabíjecí proud až 4 ampéry. Proto maximální výkon, který může baterie Tesla použít k nabíjení, je 4.2 X N X I, kde N je počet článků v sadě a I je maximální povolený proud na článek. Pro balíčky 85/90 kWh to je 7,104 16.8 x 119.3 = 100 kW. U 8,256 kWh balení je to 16.8 138.7 x XNUMX = XNUMX kW. Neexistuje způsob, jak nabíjet rychleji bez zvýšení maximálního nabíjecího proudu na článek, což by mohlo urychlit degradaci článků nebo něco horšího.
Nahoře: Baterie Tesla Model S je umístěna v podlaze vozidla (Obrázek: ExtremeTech)
Všechny články dobíjecích baterií se časem degradují, protože v článcích probíhají nežádoucí vedlejší reakce, které produkují vedlejší produkty, které blokují lithiové ionty, aby se během nabíjení dostaly k anodě. Na baterie Tesla se vztahuje záruka na selhání, ale ne na degradaci. První náznaky naznačují, že degradace buněk 18650 je velmi pomalá, při nejhorším ztrácí pouze jedno nebo dvě procenta kapacity za rok. Buňky jsou zjevně velmi odolné vůči degradaci.
Nahoře: První náznaky ukazují, že baterie Tesla Model S se po ~5 30,000 mílích degradovaly pouze o XNUMX % (Obrázek: CleanTechnica)
Vozy Tesla Model 3 budou využívat výše zmíněných 2170 článků vyrobených v Gigafactory. Větší články mohou být schopny spotřebovat více než 4 ampéry nabíjecího proudu, což by urychlilo nabíjení, ale protože články 2170 mají větší kapacitu pro ukládání energie než články 18650, bude k vytvoření sady s danou hodnotou kWh potřeba úměrně méně. (N se zmenšuje, já se zvětšuji). To znamená, že nabíjení vyšším výkonem nemá pro tyto akumulátory smysl. Stále platí vztah 4.2 X N X I. Bude zajímavé sledovat, jak si tyto nové bateriové články povedou.
*George Hawley vlastnil Tesla Model S S85 a Model X 90D. V současné době má také rezervaci Model 3. Hawley více než 40 let pracoval v telekomunikacích především jako Product Planner. Začal s Bell Telephone Labs v New Jersey 20 let a skončil s několika začínajícími společnostmi v Kalifornii. Jeho kariéra je popsána v jeho knize Tangled Wires, vydané v roce 2017.
