Im vergangenen April versprach Elon Musk, dass Tesla seine Elektroautos im Laufe ihrer Lebensdauer bald für mehr als 1 Million Meilen antreiben könne. Zu der Zeit schien die Behauptung ein bisschen viel. Das ist mehr als die doppelte Laufleistung, die Tesla-Besitzer erwarten können, wenn sie die aktuellen Batteriepakete ihres Autos herausholen, die bereits weit über der Reichweite der meisten anderen EV-Batterien liegen. Es schien einfach nicht real zu sein - außer jetzt scheint es so zu sein.
Anfang dieses Monats veröffentlichte eine Gruppe von Batterieforschern an der Dalhousie-Universität, die eine exklusive Vereinbarung mit Tesla hat, einen Artikel im Journal of the Electrochemical Society, der eine Lithium-Ionen-Batterie beschreibt, die „ein Elektrofahrzeug für mehr als 1 Stunde antreiben sollte Millionen Meilen “, während er während seiner Lebensdauer weniger als 10 Prozent seiner Energiekapazität verliert.
Angeführt von dem Physiker Jeff Dahn, einem der weltweit führenden Lithium-Ionen-Forscher, zeigte die Dalhousie-Gruppe, dass sein Akku alle zuvor gemeldeten Lithium-Ionen-Akkus deutlich übertrifft. Sie stellten fest, dass ihre Batterie besonders nützlich für selbstfahrende Roboter- und Langstrecken-Elektrofahrzeuge sein könnte, zwei Produkte, die Tesla entwickelt.
Interessant ist jedoch, dass die Autoren die Ergebnisse nicht als Durchbruch ankündigen. Sie präsentieren es vielmehr als Benchmark für andere Batterieforscher. Und sie sparen nicht an den Einzelheiten.
"Alle Einzelheiten zu diesen Zellen, einschließlich Elektrodenzusammensetzungen, Elektrodenbeladungen, Elektrolytzusammensetzungen, verwendeten Additiven usw., wurden zur Verfügung gestellt", schrieben Dahn und seine Kollegen in dem Artikel. "Dies wurde getan, damit andere diese Zellen neu erstellen und als Benchmark für ihre eigenen F + E-Bemühungen verwenden können."
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In der Elektrofahrzeugindustrie ist die Batteriechemie ein streng gehütetes Geheimnis. Warum also sollte Dahns Forschungsgruppe, die 2016 ihre exklusive Partnerschaft mit Tesla unterzeichnete, das Rezept für eine solch einzigartig erscheinende Batterie herausgeben? Laut einem ehemaligen Mitglied von Dahns Team ist die Antwort wahrscheinlich, dass Tesla bereits über mindestens eine proprietäre Batteriechemie verfügt, die die im Benchmark-Papier beschriebenen Eigenschaften übertrifft. Tatsächlich erhielt Tesla kurz nach Erscheinen des Papiers ein Patent für einen Lithium-Ionen-Akku, der dem in dem Papier beschriebenen bemerkenswert ähnlich ist. Dahn, der sich weigerte, diesen Artikel zu kommentieren, wird als einer seiner Erfinder aufgeführt.
Die in der Veröffentlichung beschriebenen Lithium-Ionen-Batterien verwenden Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) als positive Elektrode (Kathode) und künstlichen Graphit als negative Elektrode (Anode). Der Elektrolyt, der Lithiumionen zwischen den Elektrodenanschlüssen transportiert, besteht aus einem Lithiumsalz, das mit anderen Verbindungen gemischt ist.
Es ist seit langem bekannt, dass NMC / Graphit-Chemie die Energiedichte und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien erhöht. (Fast alle Elektroautos, einschließlich des Nissan Leaf und des Chevy Bolt, verwenden in ihren Batterien NMC-Chemikalien, insbesondere nicht Tesla.) Die Mischung aus Elektrolyt und Additiven ist das, was letztendlich Gegenstand von Geschäftsgeheimnissen ist. Aber auch diese Materialien waren, wie in der Zeitung beschrieben, in der Branche gut bekannt. Mit anderen Worten, sagt Matt Lacey, ein Lithium-Ionen-Batterie-Experte bei der Scania Group, der nicht an der Untersuchung beteiligt war, "es gibt nichts in der geheimen Sauce, das geheim war!"
Stattdessen erzielte Dahns Team seine enormen Leistungssteigerungen durch viele Optimierungen dieser bekannten Inhaltsstoffe und durch die Optimierung der Nanostruktur der Kathode der Batterie. Anstatt viele kleinere NMC-Kristalle als Kathode zu verwenden, stützt sich diese Batterie auf größere Kristalle. Laut Lin Ma, einem ehemaligen Doktoranden in Dahns Labor, der maßgeblich an der Entwicklung des Kathodendesigns beteiligt war, ist es weniger wahrscheinlich, dass diese „einkristalline“Nanostruktur Risse entwickelt, wenn eine Batterie geladen wird. Risse im Kathodenmaterial beeinträchtigen die Lebensdauer und Leistung der Batterie.
Durch die Partnerschaft mit Tesla wurde das Team von Dahn mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien beauftragt, die mehr Energie speichern und eine längere Lebensdauer haben als handelsübliche Batterien. In Elektroautos bedeuten diese Kennzahlen, wie weit Sie Ihr Auto mit einer einzigen Ladung fahren können und wie viele Ladungen Sie aus der Batterie herausholen können, bevor sie nicht mehr funktioniert. Im Allgemeinen gibt es einen Kompromiss zwischen Energiedichte und Batterielebensdauer - wenn Sie mehr von einem wollen, bekommen Sie weniger von dem anderen. Dahns Gruppe war verantwortlich für die scheinbar unmögliche Aufgabe, diesen Kompromiss zu überwinden.
Die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Elektroautos wie Teslas Modell 3. Kunden möchten mit einer einzigen Ladung lange Strecken zurücklegen können. Teslas neuere Autos können bis zu 370 Meilen pro Ladung erreichen, was weit über die Reichweite von Elektrofahrzeugen anderer Unternehmen hinausgeht. Tatsächlich schätzt Dahn, basierend auf dem durchschnittlichen amerikanischen Pendelverkehr, dass die meisten EV-Besitzer nur etwa ein Viertel einer Gebühr pro Tag verbrauchen. Um eine Flotte von Roboterachsen oder ein Imperium von Langstrecken-Elektrofahrzeugen zu bauen, benötigt Tesla jedoch eine Batterie, die jeden Tag volle Entladezyklen bewältigen kann.
Das Problem ist, dass das tägliche vollständige Entladen und Wiederaufladen den Akku stärker belastet und seine Komponenten schneller zersetzt. Es reicht jedoch nicht aus, die derzeitige Lebensdauer eines Tesla-Akkus (etwa 300.000 bis 500.000 Meilen) beizubehalten. Langstrecken-Elektrofahrzeuge und -Roboterachsen legen täglich mehr Kilometer zurück als ein durchschnittlicher Pendler. Deshalb möchte Musk eine Batterie, die eine Million Kilometer lang hält.
Fragte Musk und Dahn lieferte. Wie Dahn und sein Team in ihrem Benchmarking-Papier ausführlich darlegten, „muss man keinen Kompromiss mehr zwischen Energiedichte und Lebensdauer eingehen.“Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass ihre Batterien mehr als 4.000 Mal geladen und entladen werden könnten und nur noch etwa verlieren 10 Prozent ihrer Energiekapazität. Zum Vergleich: Aus einer Studie aus dem Jahr 2014 geht hervor, dass ähnliche Lithium-Ionen-Batterien bereits nach 1.000 Zyklen die Hälfte ihrer Kapazität verloren haben.
„Viertausend Zyklen sind wirklich beeindruckend“, sagt Greg Less, technischer Direktor des Batterielabors des Energy Institute der Universität Michigan. "Eine Million-Meilen-Reichweite ist mit 4.000 Zyklen problemlos realisierbar."
Nur wenige Tage nach der Veröffentlichung des Benchmarking-Papiers erhielten Tesla und Dahn ein Patent, in dem ein einkristalliner Lithium-Ionen-Akku beschrieben wurde, der fast identisch mit den in dem Papier beschriebenen Batterien ist. Die patentierte Batterie enthält einen Elektrolytzusatz namens ODTO, mit dem die Patentansprüche "die Leistung und Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien verbessern und gleichzeitig die Kosten senken" können.
Es ist nicht sicher, ob die im Patent beschriebene Batterie die Millionen-Meilen-Batterie ist, von der Musk sagte, dass sie nächstes Jahr in Produktion gehen würde, und weder Tesla noch Dahn reden. Aber es ist eine sichere Wette, dass der proprietäre Akku von Tesla noch besser funktioniert.
Laut Shirley Meng, die das Labor für Energiespeicherung und -umwandlung an der Universität von San Diego leitet, verfolgen viele Elektrofahrzeughersteller Batterien mit einem höheren Nickelgehalt als in Dahns Papier und Patent beschrieben. Dieser Ansatz kann die Energiedichte einer Batterie erhöhen. Laut Meng besteht der nächste Schritt darin, diese Konstruktionen mit höherer Dichte mit einer leistungsstarken Mischung aus Elektrolyten und Additiven zu kombinieren. Ob es die Formel ist, die Dahns Gruppe perfektioniert hat, ist eine offene Frage.
