Grundlagen zum Zellvergleich der Tesla-Batterien 18650, 2170 und 4680

Größere Kapazität, mehr Leistung, kleinere Größe, geringeres Gewicht, einfachere Herstellung im Megamaßstab und mit weniger teuren Komponenten sind die Herausforderungen bei der Entwicklung einer Batterie für Elektrofahrzeuge. Mit anderen Worten: Es kommt auf Kosten und Leistung an. Betrachten Sie es als einen Balanceakt, bei dem die erzielten Kilowattstunden (kWh) die größte Reichweite bieten müssen, jedoch zu angemessenen Herstellungskosten. Daher sieht man in der Beschreibung eines Batteriepacks während der Produktion häufig die Herstellungskosten mit Zahlen wie beispielsweise 240 bis 280 US-Dollar/kWh angegeben.

Oh, und vergessen wir nicht die Sicherheit. Erinnern Sie sich an das Samsung-Galaxy-Note-7-Fiasko vor ein paar Jahren und an die Elektroauto-Batterieäquivalente von Fahrzeugbränden und Kernschmelzen in Tschernobyl. Der Abstand zwischen den Zellen in einem Paket und thermische Kontrollen, um zu verhindern, dass eine Zelle eine andere Zelle, eine andere Zelle usw. in einem Katastrophenszenario mit außer Kontrolle geratener Kettenreaktion zündet, erhöhen die Komplexität der Batterieentwicklung für Elektrofahrzeuge. Davon hatte sogar Tesla einige Probleme.

Während Batteriepakete für Elektrofahrzeuge aus drei Hauptteilen bestehen: den Batteriezellen, dem/den Batteriemanagementsystem(en) und einer Box oder einem Behälter, der alles zusammenhält, werfen wir zunächst einen Blick auf nur die Zellen und wie sie funktionieren Sie haben sich mit Tesla weiterentwickelt, bleiben aber für Toyota ein Problem.

Die 18650-Zelle

Die zylindrische 18650-Zelle ist ein Lithium-Ionen-Typ mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Länge von 65 mm und wiegt etwa 47 Gramm. Bei einer Nennspannung von 3,7 Volt kann jede Zelle bis zu 4,2 Volt geladen und bis zu 2,5 Volt entladen werden, wobei jede Zelle bis zu 3500 mAh speichert.

Ähnlich wie ein Elektrolytkondensator bestehen die EV-Batteriezellen von Tesla aus langen Schichten von Anoden und Kathoden, die durch ein ladungsisolierendes Material getrennt sind, und sind aufgerollt und dicht in einer zylindrischen Form verpackt, um Platz zu sparen und so viel Energie wie möglich zu packen. Diese Schichten aus Kathode (negative Ladung) und Anode (positive Ladung) verfügen jeweils über Laschen zum Verbinden gleicher Ladungen zwischen Zellen, was zu einer leistungsstarken Batterie führt – die Summe vieler ergibt sozusagen eine.

Die 2170-Zelle

Wie bei einem Kondensator, dessen Kapazität (Leistung) erhöht wird, indem der Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenblechen verringert wird, das Dielektrikum (das oben erwähnte Isoliermaterial zwischen den Blechen) durch ein Material mit höherer Permittivität ersetzt wird und die Fläche sowohl der Anode als auch der Kathode vergrößert wird Die nächste Stufe in Teslas EV-Zelle war der 2170, der in einem Zylinder geliefert wurde, der mit 21 x 70 Millimetern etwas größer als der 18650 war und etwa 68 Gramm wog. Bei einer Nennspannung von 3,7 Volt kann jede Zelle bis zu 4,2 Volt geladen und bis zu 2,5 Volt entladen werden, wobei jede Zelle bis zu 4800 mAh speichert.

Es gibt jedoch einen Kompromiss, bei dem es in erster Linie mehr um Widerstand und Hitze geht als um die Notwendigkeit einer etwas größeren Dose. Im Fall des 2170 führte die Vergrößerung der Anoden-/Kathodenplattengröße zu einem längeren Weg für die Ladung, was zu einem höheren Widerstand und damit zu einem stärkeren Entweichen von Energie in Form von Wärme aus den Zellen führte und die Anforderungen an schnelles Laden beeinträchtigte.

Die 4680-Zelle

Um eine Batteriezelle der nächsten Generation mit noch größerer Leistung (aber ohne erhöhten Widerstand) zu schaffen, haben die Tesla-Ingenieure eine deutlich größere Zelle mit einem sogenannten „tabless“-Design entworfen, das den elektrischen Pfad verkürzte und dadurch zu einer geringeren Wärmeentwicklung durch den Widerstand führte. Ein Großteil davon ist darauf zurückzuführen, wer der möglicherweise beste Batterieforscher der Welt ist.

Die 4680-Zelle hat ein schindelförmiges Spiraldesign, das einfacher herzustellen ist und in einer Packungsgröße von 46 mm Durchmesser und 80 mm Länge erhältlich ist. Das Gewicht ist nicht verfügbar, aber die anderen Spannungseigenschaften sind Berichten zufolge ähnlich oder gleich; Allerdings ist jede Zelle für satte 9000 mAh ausgelegt, weshalb die neue Tesla-Tabless-Batterie so gut ist. Darüber hinaus blieb die Ladegeschwindigkeit den schnellen Anforderungen gerecht.

Was bedeutet das alles?

Während es den Designwünschen einer Batteriezelle zuwider zu sein scheint, mit jeder Zelle die Größe zu vergrößern statt zu verkleinern, führten die Verbesserungen bei der Leistungskapazität und der Kontrolle der Wärmeerzeugung des 4680 gegenüber dem 18650 und dem 2170 im Grunde genommen zu weniger Zellen mit mehr Leistung pro Packung bei gleicher Packungsgröße wie bei früheren Tesla-Modellen mit 18650- und 2170-Zellen.

Um dies in eine numerische Perspektive zu bringen, bedeutet dies, dass nur etwa 960 „4680“-Zellen benötigt werden, um den gleichen Raum wie die 4.416 „2170“-Zellen auf der gleichen Fläche zu füllen, aber mit zusätzlichen Vorteilen wie niedrigeren Kosten pro kWh-Produktion und eine deutliche Leistungssteigerung durch den 4680-Zellen-Pack.

Wie zuvor über einen Vergleich mit der 2170-Zelle berichtet, wird erwartet, dass der 4680 fünfmal mehr Energiespeicher mit sechsmal mehr Leistung bietet, was zu einer Steigerung von 82 kWh auf 95 kWh bei den neueren Teslas führt, was zu einer erwarteten Erhöhung der Straßenreichweite führt von bis zu 16 Prozent.

Abschließende Gedanken

Bedenken Sie, dass dies nur die Grundlagen der Tesla-Batteriezellen sind und dass hinter der Technologie noch viel mehr steckt. Aber es ist ein guter Anfang für zukünftige Artikel, da wir einen Blick darauf werfen werden, wie die Batteriepakete im Hinblick auf den Stromverbrauch verwaltet werden, sowie auf Sicherheitsaspekte im Hinblick auf die Kontrolle der Wärmeerzeugung, des Stromausfalls und ... natürlich ... des Risikos von Elektrofahrzeugen Batterie brennt.

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Timothy Boyer ist Torque News Tesla- und EV-Reporter mit Sitz in Cincinnati. Er hat Erfahrung mit der Restaurierung früher Autos und restauriert regelmäßig ältere Fahrzeuge mit Motormodifikationen für eine verbesserte Leistung. Folgen Sie Tim auf Twitter unter @TimBoyerWrites für tägliche Neuigkeiten zu Tesla und Elektrofahrzeugen.