Tesla ist jetzt erstmals die Produktion einer E-Auto-Batterie durch eine neue Produktionstechnik gelungen, welche die Kosten von Batteriezellen um 20% reduzieren kann und einen bis zu 50% geringeren CO2-Fußabdruck in der Produktion hat. Seit Jahren versuchen sich Batteriehersteller weltweit an diesem neuen Verfahren, der sogenannten Trockenbeschichtung, sind aber bisher immer an ihrer Hochskalierung in die Massenproduktion gescheitert. Tesla hat diese Technologie jetzt erstmals serienreif gemacht. Was es mit diesem neuen Verfahren genau auf sich hat, wieso das wirklich ein großer Schritt in der Batterieindustrie ist und wann wir die Technik in unseren E-Autos erwarten können, darum geht's jetzt.
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Schon vor zwei Jahren habe ich ein Video zu der Trockenbeschichtung gemacht, Fun Fact eines meiner ersten Videos zu E-Mobilität und ich habe sie damals als eine der wichtigsten Durchbrüche in der Batterieindustrie bezeichnet. Doch es war nicht klar, wann diese Technik wirklich serienreif werden könnte. Aber erstmal von vorne, was hat es mit der Trockenbeschichtung überhaupt auf sich?
Lithium-Ionen-Batteriezellen bestehen aus einer negativen Elektrode, auch Anode genannt, und einer gegenüberliegenden positiven Elektrode. auch Kathode genannt. Die Elektroden beinhalten sogenannte Energiespeichermaterialien, die beim Auf-und Entladen positiv geladene Lithium-Ionen austauschen und dadurch Energie speichern und wieder freigeben. Diese Energiespeichermaterialien haften auf einer Metallfolie, die den elektrischen Strom aus der Batteriezelle zu unseren Verbrauchern leitet, wie zum Beispiel den E-Motoren eines Elektroautos.
Der traditionelle Weg, diese Elektroden herzustellen, ist die energiespeichernden Materialien mit einem Lösungsmittel und anderen Chemikalien zu einer nassen Paste zu vermischen, die in einer dünnen Schicht auf diese Metallfolie aufgetragen wird. Doch anschließend muss das Lösungsmittel wieder entfernt werden. Die Elektroden werden hierfür in fast 100 Meter langen Öfen unter hohen Temperaturen für bis zu 24 Stunden getrocknet. Ein energieintensiver und sehr teurer Prozess, der ein wesentlicher Grund dafür ist, warum die Batteriezellproduktion als so energieintensiv und auch CO2-intensiv gilt.
Bei der Trockenbeschichtung hingegen ist die Trocknung nicht mehr notwendig, da die Energiespeichermaterialien und Chemikalien ohne den Einsatz von Lösungsmitteln trocken auf die Stromsammlerfolie beschichtet werden. Das spart Massen an Energie und Zeit zur Trocknung und man kann auf teure Öfen und die für die Trocknung benötigte Fabrikfläche sowie auf die teuren Lösungsmittel komplett verzichten und Batterien daher deutlich schneller produzieren. Die Trockenbeschichtung ist dabei nicht nur auf eine bestimmte Art von Lithium-Ionen-Batteriezellen anwendbar, sondern könnte zukünftig im gesamten Batteriemarkt eingesetzt werden.
Es wäre also ein riesiger Schritt in der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und auch für die E-Mobilität, denn die Batterie ist nach wie vor die teuerste Komponente eines E-Autos. Aber wie so oft in der Batterietechnik ist lange nicht alles, was im Labor vielversprechend aussieht, auch in der Massenproduktion im Industrie-Maßstab umsetzbar. Also schauen wir uns mal an, was da die Probleme sind und wie Tesla diese gelöst haben will.
Im Jahr 2019 kaufte Tesla ein US-amerikanisches Unternehmen namens Maxwell Technologies auf. das behauptete, ein Trockenbeschichtungsverfahren für die Herstellung von Superkondensatoren erfunden zu haben. Aber Tesla war nicht an ihren Superkondensatoren interessiert, sondern wollte die Rechte an dem Trockenbeschichtungsverfahren und damit verbundenen Patenten haben, um diese für Teslas erste eigene Batteriezelle nutzen zu können. Schon auf dem Battery Date 2020 kündigte Tesla ihre erste eigene Batteriezelle aus Eigenproduktion. an.
Die 4680er Rundzelle. Die 4680er ist deutlich größer als alle Rundzellen, die man zuvor auf dem Markt kannte und sollte dank eines neuen Zelldesigns energiedichter und leistungsstärker werden als die Zellen der Konkurrenz. Möglich ist das durch einen geringeren Zellinnenwiderstand und eine leicht handhabbare Kühlung der Zellen. Was diese Zellen genau können, ist aber erstmal nicht Thema dieses Videos. Wichtig ist jetzt erstmal, dass sie erstmals auch trocken beschichtete Elektroden verwenden sollten.
Die 4680er der ersten Generation kam also 2022 erstmals auf den Markt und wurde bisher in den US-Modellen des Tesla Model Y und des Cybertrucks eingesetzt. Genau zu dieser Zeit habe ich übrigens für Tesla geforscht und hatte eine der ersten massenproduzierten 4680er-Zellen in der Hand. Doch es gab ein Problem.
Diese ersten Zellen wurden nach wie vor nicht vollständig trocken gefertigt. Zu Anfang gelang es Tesla, nur die Anoden der 4680er trocken zu produzieren. Für die hohen Kosten einer Batteriezelle ist jedoch vor allem die Kathode verantwortlich und ihre Trockenbeschichtung war nach wie vor eine enorme Herausforderung. Statt die Kathoden selbst trocken zu produzieren, wurden sie von Zulieferern geliefert, welche die Elektroden nach wie vor nass produzieren.
Laut Berichten setzte Teslas CEO Elon Musk das 4680er Team massiv unter Druck. Entweder sie lösen das Problem oder er feuert das ganze Team und stellt die Eigenproduktion der Zellen ein. Es zeigte sich wieder, dass es nicht immer angenehm ist, unter Elon zu arbeiten.
Wenn ihr das ganze Thema Batterien übrigens spannend findet, solltet ihr unbedingt mein Batterie-Lernprogramm Battery Essentials angucken, in welchem ich mein komplettes Wissen aus mehreren Jahren Batterieentwicklung, auch von meiner Zeit bei Tesla, in wenigen Stunden Videomaterial zusammengefasst habe. Einfach erklärt und auch für Anfänger geeignet. Macht euch gerne selbst ein Bild und schaut euch die ersten Rezensionen an auf www.batteryessentials.de. Das Problem bei der Trockenbeschichtung der Kathode war vor allem ein bestimmter Produktionsschritt, der als Kalendrierung bezeichnet wird.
Beim Kalendrieren werden die Elektroden unter schweren Walzen dicht verpresst, damit sie die gewünschte Energiedichte erreichen. Doch da das Kathodenmaterial wegen des Einsatzes harter Metalle deutlich härter war als das Anodenmaterial, das auf relativ weichem Graphit basiert, sollen die Walzen während der Verpressung der Karthode reihenweise gebrochen sein. Jedes Mal, wenn das passierte, hat es wohl um die 45 Tage gebraucht, bis Tesla neue Walzen bestellen und anliefern konnte, wodurch die Massenproduktion der trockenbeschichteten Karthoden immer wieder nach hinten verschoben werden musste. Doch Tesla hat wieder einmal gezeigt, und das muss man ihnen trotz ihres verrückten CEOs lassen, dass sie ein verdammt gutes Batterieteam haben. dass auch große Probleme in den Griff kriegt.
Im Juli 2024 vermeldeten mehrere Tesla-Mitarbeiter, dass es nach über vier Jahren Entwicklung endlich gelungen sei, auch die Kathode in der Massenproduktion trocken zu beschichten. Dafür mussten wohl neue Zulieferer für Beschichtungsmaschinen gesucht und neue Geräte gekauft werden, um das Problem zu lösen. Außerdem soll Gerüchten zufolge auch die Kathoden-Chemie angepasst worden sein, um die Materialien weicher zu machen.
Kurz darauf verließ dieser mattschwarze Tesla-Cybertruck das Tesla-Werk in Austin, Texas. Das erste Fahrzeug, das eine Batterie mit vollständig trockenbeschichteten Zellen einsetzt. Übrigens sind diese Batterien mit trockenbeschichteten Elektroden nicht mit Feststoffbatterien zu verwechseln, denn in den 4680ern wird nach wie vor ein flüssiger Elektrolyt verwendet. Doch wann können auch wir in Europa damit rechnen, dass unsere Batterien mit diesem umweltfreundlicheren und günstigeren Verfahren produziert werden?
Nun, das wird leider nicht so schnell gehen und das hat gleich mehrere Gründe. Da der Prozess jetzt erst im Großmaßstab erprobt wurde, müssen jetzt erstmal mehrere Trockenbeschichtungsfertigungslinien aufgebaut werden. Ende des Jahres soll die Trockenbeschichtung beider Elektroden dann auch im großen Volumen in der Tesla-Fabrik in Texas angewendet werden.
Da die Effizienz von neuen Produktionsprozessen anfangs aber eher gering ist, ist nicht davon auszugehen, dass direkt jede 4680er Zelle trocken produziert wird. Zudem wird es laut Tesla-Ingenieuren weiterhin noch einige kleine Probleme zu lösen geben, auch wenn die größten Probleme jetzt beseitigt sind. Außerdem ist auch die gesamte 4680er-Produktion von Tesla noch nicht ausreichend, um damit all ihre Modelle weltweit auszurüsten. Teslas hochgesteckte Ziele der Performance der Zellen und ihres Produktionsvolumens konnten sie bisher noch nicht erreichen.
Sie produzieren derzeit etwa eine Million Zellen pro Woche. was nach viel klingt, aber nur für ein paar tausend Elektroautos ausreicht, namentlich nur für einen Teil der in den USA verkauften Cybertrucks. Eigentlich sollten die 4680er auch in Deutschland produziert werden, aber diese Pläne wurden jetzt erst einmal pausiert, weil die Produktion in den USA durch den Inflation-Roll Reduction Act derzeit deutlich günstiger ist als bei uns. Der Inflation Reduction Act subventioniert die Produktion grüner Technologien aber nur in den USA. Doch trotz dieser Subventionen hat Tesla seine Kostenziele für die 4680er noch nicht erreicht.
Und es ist Stand Juli 2024 immer noch teurer für Tesla, die Zellen selbst zu produzieren, als Zellen von LG und Panasonic einzukaufen. Und selbst für ihre eigene 4680er-Produktion... kaufen sie weiterhin fertig beschichtete Elektroden von chinesischen Herstellern ein. Das liegt einfach daran, dass Tesla noch ein recht junger und kleiner Zellproduzent ist und die großen Batteriehersteller aus Asien natürlich von den Skaleneffekten ihrer riesigen Produktionen profitieren. Es bleibt spannend, ob Tesla das gesetzte Ziel erreichen kann, bis Ende dieses Jahres die Kosten für ihre selbst hergestellten Batterien unter den Verkaufspreisen der Zellen von LG und Panasonic zu kriegen.
Möglich ist das auf jeden Fall nur mit der Trockenbeschichtung. Wenn Tesla die Kostenreduktion nicht gelingt, droht den 4680ern aus der Eigenproduktion nach wie vor das Aus, trotz der Erfolge in der Trockenbeschichtung. Doch wie sieht es bei anderen Herstellern außer Tesla aus?
Natürlich ist Tesla nicht das einzige Unternehmen, das an der Trockenbeschichtung arbeitet. Auch andere große Hersteller wie LG und Samsung arbeiten an der Technik. Und auch Powerco, das deutsche Batteriestartup von Volkswagen, arbeitet an dem Prozess. Doch die meisten dieser Unternehmen, gerade Powerco, stecken noch in den Kinderschuhen bei der Entwicklung.
Selbst LG, der drittgrößte Batteriehersteller der Welt, rechnet erst 2028 mit einer Massenproduktion von trockenen Elektroden. Bis also ein Großteil der E-Autos von der Trockenbeschichtung profitiert, auch hier in Europa werden noch einige Jahre vergehen. Dennoch, es wurde gerade bewiesen, dass die Trockenbeschichtung in die Massenproduktion überführbar ist. Und das ist unabhängig von der Marke Tesla ein großes Ding und zeigt wieder einmal, dass Lithium-Ionen-Akkus noch lange nicht ausentwickelt sind. Und auch wenn der CEO eine Schraube locker hat, Tesla ist einer der wenigen Batteriehersteller der westlichen Welt, wenn nicht vielleicht der einzige, der derzeit mit der Innovationskraft der asiatischen Konkurrenz mithält.
Und das muss man ihn lassen. Aber was ist eure Meinung dazu? Schreibt es gerne in die Kommentare. Und damit macht's gut und bis bald, euer Tom.