Größere Kapazität, größere Leistung, kleinere Größe, geringeres Gewicht, einfachere Massenfertigung und die Verwendung billigerer Komponenten sind Herausforderungen bei der Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge. Mit anderen Worten: Es kommt auf Kosten und Leistung an. Betrachten Sie es als einen Balanceakt Die erreichte Kilowattstunde (kWh) muss eine maximale Reichweite bieten, jedoch zu angemessenen Herstellungskosten. Aus diesem Grund werden Sie in Beschreibungen von Batteriepaketen häufig die Herstellungskosten zusammen mit Zahlen sehen, die zwischen 240 und 280 US-Dollar/kWh liegen zum Beispiel während der Produktion.
Oh, und vergessen wir nicht die Sicherheit. Erinnern Sie sich an das Fiasko mit dem Samsung Galaxy Note 7 vor ein paar Jahren und an die Batterie von Elektrofahrzeugen, die Fahrzeugbränden und Kernschmelzen in Tschernobyl gleichkommt Packs, um zu verhindern, dass eine Zelle eine andere, eine andere usw. entzündet, erhöhen die Komplexität der Entwicklung von EV-Batterien. Darunter hat sogar Tesla Probleme.
Während ein Batteriepaket für Elektrofahrzeuge aus drei Hauptteilen besteht: Batteriezellen, einem Batteriemanagementsystem und einer Art Box oder Behälter, der sie zusammenhält, schauen wir uns zunächst nur die Batterien und ihre Entwicklung bei Tesla an. aber immer noch ein Problem für Toyota.
Bei dem zylindrischen 18650-Akku handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akku mit einem Durchmesser von 18 mm, einer Länge von 65 mm und einem Gewicht von ca. 47 Gramm. Bei einer Nennspannung von 3,7 Volt kann jeder Akku bis zu 4,2 Volt laden und ebenso niedrig entladen 2,5 Volt und speichert bis zu 3500 mAh pro Zelle.
Ähnlich wie Elektrolytkondensatoren bestehen Teslas Elektrofahrzeugbatterien aus langen Anoden- und Kathodenschichten, die durch ladungsisolierendes Material getrennt, aufgerollt und dicht in Zylinder gepackt sind, um Platz zu sparen und so viel Energie wie möglich zu speichern. Diese Kathoden (negativ geladen) und Anodenblätter (positiv geladene Blätter) verfügen jeweils über Laschen zum Verbinden ähnlicher Ladungen zwischen den Zellen, was zu einer leistungsstarken Batterie führt – sie summieren sich, wenn man so will, zu einer einzigen.
Genau wie ein Kondensator erhöht er seine Kapazität, indem er den Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenblechen verringert, das Dielektrikum (das oben genannte Isoliermaterial zwischen den Blechen) durch ein Material mit höherer Permittivität ersetzt und die Fläche von Anode und Kathode vergrößert Der nächste Schritt in der (Power-)Tesla-Elektrofahrzeugbatterie ist die 2170, die einen etwas größeren Zylinder als die 18650 hat, 21 mm x 70 mm misst und etwa 68 Gramm wiegt. Bei einer Nennspannung von 3,7 Volt kann jede Batterie bis zu 4,2 Volt laden Spannung und Entladung bei nur 2,5 Volt, wodurch bis zu 4800 mAh pro Zelle gespeichert werden.
Es gibt jedoch einen Kompromiss, bei dem es vor allem um Widerstand und Hitze geht und nicht um die Notwendigkeit eines etwas größeren Gefäßes. Im Fall des 2170 führt die Vergrößerung der Anoden-/Kathodenplattengröße zu einem längeren Ladeweg, was mehr Widerstand und damit mehr bedeutet Energie entweicht als Wärme aus der Batterie und stört die Schnellladeanforderung.
Um eine Batterie der nächsten Generation mit mehr Leistung (aber ohne erhöhten Widerstand) zu schaffen, haben die Tesla-Ingenieure eine deutlich größere Batterie mit einem sogenannten „Tables“-Design entworfen, das den elektrischen Weg verkürzt und so die durch den Widerstand erzeugte Wärmemenge reduziert. Ein Großteil davon ist darauf zurückzuführen, dass es sich möglicherweise um die besten Batterieforscher der Welt handelt.
Die 4680-Batterie ist zur einfacheren Herstellung in gekachelter Helixform konzipiert und hat eine Packungsgröße von 46 mm Durchmesser und 80 mm Länge. Das Gewicht ist nicht verfügbar, andere Spannungseigenschaften sollen jedoch ähnlich oder identisch sein;Allerdings hat jede Zelle eine Nennleistung von etwa 9000 mAh, was die neuen Tesla-Flachbildschirmbatterien so gut macht. Auch die Ladegeschwindigkeit ist immer noch gut für schnelle Anforderungen.
Auch wenn eine Vergrößerung der einzelnen Zellen statt einer Verkleinerung scheinbar im Widerspruch zu den Designanforderungen der Batterie steht, führten die Verbesserungen der Leistungskapazität und der Wärmekontrolle des 4680 im Vergleich zu den 18650- und 2170-Batterien zu wesentlich weniger Zellen im Vergleich zur Verwendung der 18650- und 2170-Batterie -Angetriebene frühere Tesla-Modelle haben mehr Leistung pro Batteriepaket gleicher Größe.
Aus numerischer Sicht bedeutet dies, dass nur etwa 960 „4680“-Zellen erforderlich sind, um den gleichen Raum wie 4.416 „2170“-Zellen zu füllen, aber mit zusätzlichen Vorteilen wie geringeren Produktionskosten pro kWh und der Verwendung von 4680-Zellen. Der Batteriesatz erhöht die Leistung erheblich.
Wie bereits erwähnt, wird erwartet, dass der 4680 im Vergleich zur 2170-Batterie die fünffache Energiespeicherung und die sechsfache Leistung bietet, was einer erwarteten Fahrleistungssteigerung von 82 kWh auf 95 kWh bei neueren Teslas entspricht und die Laufleistung um bis zu 16 % erhöht.
Denken Sie daran, dass dies nur die Grundlagen von Tesla-Batterien sind. Hinter der Technologie steckt noch mehr. Aber dies ist ein guter Anfang für einen zukünftigen Artikel, da wir lernen werden, wie man den Stromverbrauch von Batteriepaketen verwaltet und die damit verbundenen Sicherheitsprobleme in den Griff bekommt Wärmeentwicklung, Stromausfall und natürlich die Gefahr von Batteriebränden in Elektrofahrzeugen.
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Timothy Boyer ist ein Tesla- und EV-Reporter für Torque News in Cincinnati. Er verfügt über Erfahrung in der Restaurierung früher Autos, restauriert regelmäßig ältere Fahrzeuge und modifiziert Motoren, um die Leistung zu verbessern. Folgen Sie Tim auf Twitter @TimBoyerSchreibt für tägliche Tesla- und EV-Nachrichten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21. Februar 2022