Когда тесла выпустит новую батарею

Опубликовано: 13.05.2024

Шпионские фото так называемых «бисквитных» аккумуляторов Tesla (такое название они получили за характерную форму) появились на прошлой неделе, а на этой, на сегодняшнем мероприятии Tesla Battery Day, компания официально представила аккумуляторные ячейки собственной разработки. И производиться они, к слову, тоже будут самостоятельно. Новинка обозначена форматом 4680, где 46 мм — это диаметр, а 80 мм — высота.

Самой большой проблемой столь крупных ячеек является их нагрев, но в Tesla решили эту проблема, кардинального переработав компоновку ячейки. На изображениях ниже — наглядное сравнение старых ячеек и новых.

В Tesla отмечают, что увеличение габаритов позволило в разы улучшить основные параметры, но при этом запас хода повысится лишь на 16%. Стоимость таких ячеек на 14% ниже в сравнении с нынешними, но так как для собранной аккумуляторной батареи нужно меньше элементов, то экономия на готовой батарее получается даже больше. К примеру, если сами компоненты аккумулятора для электромобиля стоят условно $100 за кВт·ч, то с упаковкой, элементами управления и охлаждения стоимость поднимается уже до $125-130 за кВт·ч, так что суммарная экономия при использовании элементов 4680 может достигать 20% или даже 25%.

Много это или мало? Например, если в 2010 году стоимость одного кВт·ч автомобильной аккумуляторной батареи составляла $1100, то в 2019 году — уже $156. То есть за 10 лет кВт·ч стал дешевле на 87%. Сейчас Tesla за раз (точнее, за год-два) снизит стоимость еще на 20-25% — это существенно.

Эксперты считают, что стоимость одного кВт·ч автомобильных аккумуляторов упадет до отметки $100 к 2023 году, но в Tesla планируют снизить стоимость аккумуляторов для своих авто в течение этого срока еще больше. Аккумуляторная батарея для современного электромобиля в собранном виде сейчас стоит $10 000-12 000, в Tesla рассчитывают на снижение цены до отметки $6000 и даже ниже. Это, в свою очередь, позволит снизить стоимость электромобилей до уровня обычных авто с ДВС. И как раз применение элементов формата 4680 — ключевое решение, которое позволит Tesla выпустить электромобиль за $25 000. К слову, одним из первых электромобилей компании с ячейками формата 4680 станет ураганный Model S Plaid.

Событие, которое было два раза перенесено и которое обещало перевернуть мир литийсодержащих аккумуляторов, свершилось — Илон Маск представил новые батареи для будущих электромобилей. Новые аккумуляторные ячейки стали в 6 раз мощнее и в 5 раз ёмче. Но рано радоваться. Без подтасовки не обошлось.

Аккумуляторная ячейка Tesla 4680 (Tesla)

Фактически ёмкость новых литийсодержащих аккумуляторных ячеек Tesla выросла за счёт увеличения объёма ячейки. В компании представили новый увеличенный формфактор аккумулятора, который назвали 4680 (46 мм в диаметре и 80 мм высотой). По сравнению с аккумуляторной ячейкой 2170, которая до этого использовалась и будет использоваться дальше в блоках тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla, физический объём элемента 4680 в шесть раз больше.

Нетрудно заметить, что ёмкость в пересчёте на объём элемента даже стала меньше — она увеличилась только в пять раз. Однако это даст небольшой выигрыш в составе блока батарей, что увеличит дальность пробега на одном заряде примерно на 16 %.

Отметим, что переход на новый формфактор был сопряжён с преодолением ряда технических проблем. Например, задачу по эффективному отводу тепла от элемента решили путём отказа от медного вкладыша и переходом к теплорассеивающей медной прокладке по диаметру элемента.

Новый элемент использует новый теплорассеивающий вкладыш (на фото справа)

Новый формфактор также приведёт к снижению стоимости хранения киловатт-часа примерно на 14 %. Ожидается, что паритет между бензиновыми автомобилями и электромобилями с точки зрения затрат на «топливо» произойдёт тогда, когда стоимость блока батарей за каждый киловатт-час снизится до $100. По данным консалтинговой компании Cairn Energy Research Advisors, аккумуляторные батареи Tesla в 2019 году стоили $156 долларов за киловатт-час. К сожалению, обещанные 14 % экономии проблемы не решают.

Другими путями снижения стоимости аккумуляторных батарей в компании Tesla считают отказ от кобальта (полный или почти полный) и переход на никель с решением вопросов переработки аккумуляторов на собственных мощностях. Батареи 4680 откажутся от кобальта в своём составе и станут использовать никель. Маск заявил, что уже призвал горнодобывающие компании обеспечить наращивание поставок никеля. Российский «Норильский никель», кстати, якобы исключён из списка поставщиков по просьбе местных экоактивистов. В немилость он попал по причине нанесения урона окружающей среде в местах добычи.

В перспективе производством элементов 4680 будут заниматься множество заводов во всём мире. По словам Маска, через три года выпуск аккумуляторов компании будет увеличен в 85 раз с нынешних 35 ГВт·ч до 3000 ГВт·ч. Производство элементов 4680 Tesla обещает начать ближе к концу следующего года на своём заводе в США во Фремонте, штат Калифорния, с запланированной мощностью 10 ГВт·ч. Но к полномасштабному выпуску новых элементов компания приступит не раньше, чем через три года.

Примечательно, что выпуском новых катодов (электродов для элементов) будет заниматься свой собственный завод Tesla. О планах его строительства Маск заявил во время анонса новых батарей. Однако пока ничего конкретного на этот счёт не сообщается. Информация будет обнародована позже.

В то же время известие о весьма нескором выпуске новых аккумуляторов обрушило капитализацию Tesla на $50 млрд. От компании ждали совсем другого. Ранее Маск и другие где прямо, а где намёками обещали революцию в батареях намного раньше — не позднее 2021 года. Теперь же придётся ориентироваться на 2023, а то и 2024 год. Мы регулярно сталкиваемся с так называемыми «бумажными» анонсами, но ждать три года или около того — это перебор. И можно ли назвать революцией увеличение физических объёмов батареи? Нет, нельзя, а эволюцией — пожалуйста. Но к катоду без кобальта мы ещё присмотримся.

По плану завод Gigafactory Berlin должен быть достроен в марте 2021-го, а в июле там начнётся выпуск кроссоверов Tesla Model Y.

В начале июля компания Tesla скорректировала план своего европейского завода Gigafactory Berlin в надежде ускорить согласование его с местными властями. Тогда выяснилось, что из проекта исчезло упоминание о производстве батарей. Но теперь, три недели спустя, выяснилось, что не всё так просто. В интервью радио Antenne Brandenburg министр экономики земли Бранденбург Йорг Штайнбах (на её территории, в коммуне Грюнхайде, и строится предприятие) рассказал, что на фабрике близ Берлина Tesla намерена выпускать аккумуляторы, которые превосходят все предыдущие.

Согласование с экологами, видимо, пройдёт отдельно. Маск в недавнем разговоре со специалистами отрицал, что на заводе Gigafactory Berlin появится производство собственно аккумуляторных ячеек. Но тогда получается, что сборка из них целого аккумуляторного блока там вполне возможна, в ней ничего опасного для экологии нет. Илон также уточнил, что сами ячейки будут «локальными», сообщает издание Electrek. Значит, выпускать их будут где-то в Германии. Это всё согласуется со стратегией фирмы по сокращению логистических издержек за счёт расширения географии производства как аккумуляторов, так и самих электрокаров.

От Теслы мы ещё ждём аккумулятор-миллионник, имеется в виду срок службы в миллион миль. Однако такая батарея, предположительно, явится развитием существующей литий-ионной. А Штайнбах уверяет, что в данном случае (то есть на заводе близ Берлина) речь идёт о «совершенно новой технологии», с большей плотностью энергии и, соответственно, дающей больший запас хода.

Такой прорыв может принести какая-нибудь «экзотика» вроде твердотельных аккумуляторов, над которыми сейчас бьются исследователи и инженеры как в США, так и в Европе, и в Японии. Или так называемые литий-металлические ячейки. Ещё один кандидат на замену традиционным тяговым батареям — литиево-серные. В конце сентября Тесла планирует провести в США так называемый День батарей, и, вероятно, там будут раскрыты какие-то детали её перспективных разработок.

Прошедшая презентация Tesla Battery Day вызвала неоднозначную реакцию. Кто-то желал увидеть нечто большее, кто-то не понимает, и не может сопоставить цифры характеристик нового аккумуляторного элемента, называя их противоречивыми, как минимум. Давайте разбираться.

Одна из цифр, которая вызвала непонимание, это показатель увеличения пробега на одной зарядке электрокара, укомплектованного новым элементом 4680. На презентации был показан слайд, где белом по чёрному было написано "range +16%". "Range" переводится в зависимости от смысла предложения как "диапазон", "дальность", "дистанция".
Всё так. Но этот показатель относился только к форм-фактору новой батареи. А в конце будут суммированы все показатели, и соответственно процент увеличения диапазона будет значительно больше.

Итак, про батарею было сказано, что она запасает в 5 раз больше энергии, увеличивает выходную мощность в 6 раз, а дальность на 16%. А также снижает стоимость батареи в долларах за киловатт-час на 14%. Что тут не так? Некоторым эти показатели кажутся странными и не логичными. Ну ладно, товарищи, одно дело теоретизировать, другое, сделать продукт "в железе". Сделайте - сравним!

В рамках проекта Tesla Roadrunner в Kato Road был построен новый собственный завод с новыми, пилотными производственными линиями по производству новых элементов 4680. После отработки всего технологического процесса его производственная мощность составит 10 ГВт*ч аккумуляторной продукции в год.

Tesla продолжает создавать вертикально интегрированную компанию, и собственное аккумуляторное производство является одной из важнейших частей этого процесса. Чтобы это сделать Tesla приобрела ранее крупных игроков на поле аккумуляторов и суперконденсаторов - Maxwell Technologies и Hibar Systems. И привлекла специалистов по производственному оборудованию из Grohmann Automation. То есть, надо понимать, что сейчас в аккумуляторном подразделении Tesla работают профессионалы, занимавшиеся этой темой десятилетиями, и развившие свои бизнесы до трансконтинентальных размахов. Теперь весь этот опыт работает на развитие Tesla. Но мало придумать новый элемент или форм-фактор, надо ещё и создать новый технологический процесс. Что и сделано на новом заводе.

Скажете, это не революционно?

Форм-фактор

Некоторые специалисты начали высчитывать показатели нового аккумулятора исходя только из его физических пропорций, сомневаясь, что, только увеличив его размер до диаметра 46 мм и высоты 80 мм можно добиться 5-кратного увеличения накопления энергии и 6-кратного увеличения мощности. И что так же вызвало споры, это то самое увеличение дальности действия на 16%.

Одним из результатов этих усилий является новый формат цилиндрических аккумуляторных элементов для стола 4680, который обеспечивает множество преимуществ в производительности, производстве и стоимости стола. Как следует из названия, новые jumbo-ячейки имеют диаметр 46 мми высоту 80 мм.

Более крупный рулон с желе помещает больше активного материала батареи в корпус для 5-кратного увеличения накопления энергии и 6-кратного увеличения мощности. При увеличении размера пакета один только новый форм-фактор обеспечивает увеличение дальности действия на 16% - "range +16%".

Размер, конечно, имеет значение, но не только размер, но и внутренняя архитектура элемента и его состав. Элемент 4680 представляет собой фундаментальное переписывание истории аккумуляторных элементов в Tesla.

По словам Вице-президента Tesla по технологиям Дрю Баглино, в новом элементе важным элементом стало использование кремния - « новая химия и технология производства позволяет использовать в элементах более высокий процент кремния. В результате получается более дешёвая ячейка с большей ёмкостью . »

Новый взгляд на производство катодов.

Tesla подошла к производству катодов, что называется, с чистого листа, когда оптимизирован каждый шаг с целью минимизации отходов и затрат от руды до готового катода. И это было очень наглядно показано на презентации, чем отличается старая технология от новой. Это не только более рациональный подход, но и намного дешевле и приводит к меньшему количеству отходов.

Новые катоды Tesla с высоким содержанием никеля полностью исключают потребность в кобальте. С химической точки зрения, кобальт - отличный материал для катода, но с его производством и применением возникают серьёзные проблемы. Во-первых, кобальт токсичен. Чем меньше токсичных материалов придётся добывать, обрабатывать и использовать, тем лучше. К тому же сложно обеспечить устойчивый источник кобальта, поскольку значительный процент мировой добычи кобальта осуществляется в одной стране - Демократической Республике Конго. А это крайне не стабильный регион, и к тому же здесь есть значительные репутационные риски из-за способа добычи, при котором используется труд детей. Так что здесь есть вопросы, помимо химии, ещё и экономики, и этики.

Кобальт хорош для аккумуляторной батареи, но совсем не полезен для компании, стремящейся к 2030 году увеличить производство аккумуляторов до 3 ТВт*ч в год.

Отказ от кобальта в пользу катода с высоким содержанием никеля также снижает стоимость катода на 15% в расчете на киловатт-час. Это здорово - более низкая себестоимость аккумулятора позволит производить более доступные электромобили. Так же это позитивно сказывается последующем рециклинге батарей.

Работа над новым катодом привела к процессу, который снизил стоимость обработки катода на 76%. Всё это делается с использованием гораздо меньшего количества оборудования, что даёт 66% экономии капитальных затрат на производство самих катодов. В качестве "глазури на торте" новый процесс использует гораздо меньше воды, чем традиционный процесс. По факту, новый процесс приводит к безотходной воде. И это, кстати, значимый фактор для экологии. Ведь многие противники электромобилей продолжают твердить, что само производство экологически небезопасно. И как мы видим Илон Маск и Tesla создали новую технологию и новый производственный, экологически безопасный процесс.

Так же будет изменён логистический процесс, в сторону уменьшения затрат на транспортировку сырья.

Улучшенные тепловые характеристики

Усовершенствование, которое делает большую часть тяжелой работы, позволяющей использовать больший форм-фактор - это конструкция начинки. Удаление язычков (которые есть в рулонах элементов 2170 и более ранних) снижает внутреннее сопротивление внутри ячейки, вызванное дополнительным компонентом. Внутреннее сопротивление означает большее тепловыделение, более сложный производственный процесс и более высокую стоимость. В новой ячейке Tesla 4680 отсутствует внутренний язычок, вместо этого функция язычка интегрируется в сам рулон с желе, что обеспечивает чистый, однородный вид конца ячейки.

В сентябре на мероприятии Battery Day глава Tesla Илон Маск рассказал о новом форм-факторе аккумуляторов. Они чуть крупнее предыдущих, что в купе с другими улучшениями позволит повысить их энергетическую плотность, а значит, и запас хода электромобилей. Теперь американская компания показала, как будет выглядеть тяговая батарея на основе этих элементов.

Новый формат носит индекс 4680. Обозначение расшифровывается так: диаметр — 46 мм, высота — 80 мм. Напомним, несколько лет назад Tesla перешла с формата 18650 (диаметр — 18 и высота — 65 мм) на более крупный 2170 (диаметр — 21 и высота — 70 мм, последний ноль сокращается ради удобства). Это позволило повысить удельную плотность АКБ, поскольку в общей массе батареи меньше пространства уходит на оболочку. Сейчас они устанавливаются в компактные Model 3 и Model Y.

В итоге новые ячейки 4680 существенно толще и чуть длиннее 2170. В них отсутствует верхний наконечник, что тоже позволило выкроить чуть-чуть пространства под рабочее содержимое.

В новом блоке порядка 960 ячеек (40x24) стандарта 4680 вместо нескольких тысяч типа 2170. Аккумуляторы 4680 хранят примерно в пять раз больше энергии. Плотность ее может превышать 300 Вт*ч/кг.

Тесла отметила следующие преимущества, которые даст переход на новые аккумуляторы:

увеличение запаса хода до 54% (16% — за счет нового формата, 20% — материала анода, 4% — материала катода, 14% — интеграции в структуру электромобиля);
снижение себестоимости на 56%, что может означать менее $50-60 тысяч на кВт*ч на уровне ячейки;
снижение инвестиционной стоимости аккумуляторных заводов на 69% на ГВт*ч производственной мощности.

Также Илон Маск рассказал, что на новом заводе возле Берлина (Германия) ежегодно будет выпускаться объем батарей совокупной емкостью до 250 ГВт*ч, то есть почти столько же, сколько на данный момент делает вся мировая отрасль по производству аккумуляторных элементов.

Пока сроки начала производства новых аккумуляторов формата 4680 не называют. Предполагается, что это произойдет в 2022 или 2023 году.

Ранее Маск представил подробности об электрическом тягаче Tesla Semi, в том числе о запасе хода.

Читайте также: