Batterieforschung: Studie zeigt, wie Tesla und BYD ihre Zellen bauen

„Das Design der Tesla-Zelle (Tabless) zielt eigentlich auf eine hohe thermische Leitfähigkeit der Zelle ab, das heißt, man kann sie sehr gut kühlen, was gerade bei hohen Leistungen wie dem Schnellladen wichtig ist. Die Autoren der Studie haben nun aber gezeigt, dass sich dieses Hochstromdesign nicht über die gesamte Zelle fortsetzt und die Zelle im Vergleich zum BYD-Modell recht hohe thermische Verluste aufweist. Dies zeigt, dass die Tesla-Ingenieure in dieser ersten Version noch nicht das volle Potenzial aus der Zelle herausholen konnten. Für uns Entwickler in Deutschland und Europa bedeutet es möglicherweise auch, dass wir diesem Beispiel folgend vielleicht auch mutiger bei der Kommerzialisierung von Batterietechnologien sein sollten, selbst wenn diese noch nicht bis zur Perfektion ausentwickelt sind.“

„Die beiden Batteriezellen sind mittlerweile gut untersucht, insofern stellen die technischen Analysen kein komplettes Novum für die Fachcommunity dar. Die Autoren haben aber mit Sicherheit genau die Zellen ausgesucht, die noch über Jahre eine herausragende Rolle für die Elektromobilität spielen werden, gegebenenfalls in weiterentwickelter Form. Die Studie kann also durchaus als ‚Referenz für alles, was noch kommt‘ angesehen werden. Für einen Einblick in die ganz neuen Trends hätte man aktuellere Zellen auswählen können, diese sind aber sehr schwer zu beschaffen. Ich denke, das war auch nicht das Ziel der Studie.“

„Nein, das kann man leider noch nicht sagen. Bei der Tesla-Zelle handelt es sich um die erste Massen-Version dieses neuen Zelltyps überhaupt; bei der BYD-Zelle um einen schon etwas länger bekannten und entwickelteren Typ. Außerdem zielt die Tesla-Zelle auf hohe Energiedichte und die BYD-Zelle auf niedrige Kosten. Sie sind also nicht direkt miteinander vergleichbar und zum Beispiel ein allgemeines Urteil über die Tesla-Zelle auf Grundlage dieser ersten Version wäre unfair.“

„Leider finden sich solche Analysen nur sehr selten in der wissenschaftlichen Literatur. Für Teardown-Reports muss man üblicherweise viel Geld bezahlen. Ich halte sie für enorm wichtig für die akademische und industrielle Forschung und Entwicklung. Nicht nur lernt man viel über das Produktdesign, sondern noch wichtiger auch: viel über die Produktionsverfahren. Das ist gerade für uns Europäer, die wir am Anfang eigener Giga-Produktion stehen, enorm wichtig.“

„Das Team um Jonas Gorsch will – wie sie erklären – frühere Arbeiten unserer Gruppe ergänzen [1]. Die Teardown-Analysen zeigen die unterschiedlichen Kompromisse auf, die bei der Auswahl des Zell- und Packdesigns getroffen werden müssen. Die Teardown-Analysen generieren somit einen Mehrwert für die Forschung. Es lässt sich zudem feststellen, dass sich die unterschiedliche Wahl der chemischen Zusammensetzung – bei BYD auf Basis von Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Kathoden und bei Tesla auf Basis von NMC811 (Nickel-Mangan-Kobalt Beimischung im Verhältnis 8:1:1, siehe auch SMC Fact Sheet [II]; Anm.d.Red.) – im Design der Blade-Zelle gegenüber dem zylindrischen Design widerspiegelt. Die Ergebnisse an sich sind nicht überraschend, aber sie verdeutlichen einmal mehr die fehlende Transparenz und die Kluft zwischen dem Endprodukt und dem grundlegenden Verständnis. Eine Neuigkeit stellt jedoch das Fehlen von Silizium in der Anode dar, das derzeit in vielen anderen Zellentwicklungen beobachtet und beworben wird.“

„Das Forschungsteam wählte Batterien aus, die bereits auf dem Markt erhältlich sind, so dass diese dem Stand der Technik im Consumer-Bereich entsprechen. Es ist unmöglich, eine einzige beste Zelle zu bestimmen, wie das Autorenteam richtig dargelegt hat – die Kompromisse betreffen viele Details. Selbst in diesem Fall ist ein direkter Vergleich zwischen den beiden vorgestellten Batterien aufgrund der Unterschiede in der Chemie und im Zelldesign recht schwierig.“

„Welche Batterie die bessere ist, hängt von der endgültigen Anwendung und dem Produkt ab. Die LFP-Chemie wird gegenüber der NMC811 dominieren, wenn Kosten, Sicherheit und Lebensdauer der Zellen im Vordergrund stehen, während die NMC811 bei Hochenergie- und Hochleistungsanwendungen in Elektrofahrzeugen dominieren wird. Daher sind ein direkter Vergleich und eine Auswahl nicht trivial. Ein tieferes Verständnis und eine enge Zusammenarbeit über den gesamten Prozess hinweg – von der Materialauswahl bis zur Leistung des Endprodukts – sind für eine Einordnung notwendig.“

„Teardown-Analysen sind aus Forschung-und-Entwicklung-Sicht wertvoll, da die Unternehmen oft nicht transparent sind, was die Kluft zwischen Grundlagenforschung und serienreifen Produkten vergrößert. Zusammen mit dem Scaling Up (schrittweise Vergrößerung einer Produktion bis zur Massenproduktion; Anm. d. Red.) liefern Teardown-Studien wertvolle Erkenntnisse für die weitere Entwicklung der Technologien. Publikationen in Fachzeitschriften können dazu beitragen, ein Bewusstsein für die Komplexität solcher Systeme zu schaffen und zu schärfen. Für weitere Einzelheiten siehe [1].“

Dieses Statement entstand in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Markus Lienkamp, Inhaber des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik.

„Aktuell werden in Elektroautos (Battery Electic Vehicle, BEV) unterschiedliche Zellformate – Rundzellen, prismatisch, Pouch – sowie Batteriechemien eingesetzt, die sich im Wesentlichen im Kathodenmaterial – zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LFP) oder Nickel-reiche Metalloxide (NMC811) [II] – unterscheiden. Insbesondere der aktuell wieder stärkere Fokus auf LFP mit den potenziell geringeren Kosten und der verbesserten Lebensdauer ist interessant. Neben den geringeren Kosten ist der Verzicht auf Metalle wie Kobalt und Nickel entscheidend. Allerdings erkauft man sich aktuell noch mit einer etwas reduzierten Leistungsfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen, was sich im Winter bereits bemerkbar machen kann und im Fahrzeug durch geeignete Maßnahmen wieder ausgeglichen werden kann.“

„Im vorliegenden Paper wird also ein kostenorientiertes Zellendesign (BYD Blade-Zelle) mit einem leistungsorientierten Zellendesign (Tesla 4680-Zelle) verglichen und wertvolle Einblicke in die jeweiligen Vorteile und Kompromisse gegeben. Für sich gesehen, sind diese Ergebnisse erst einmal nicht überraschend, aber zahlreiche Details der Teardown-Analyse zum Aufbau der Zellen, den verwendeten Materialien und den Rückschlüssen auf die Fertigungstechnologie zeigen, was der Stand der Technik und seine Umsetzung in kommerziellen Produkten der Zellentwicklung ist.“

„Wie bereits im Paper erwähnt, ein Mehrwert für Forschende ist der identifizierte Stand der Technik, auf den weitere Forschungsarbeiten aufzusetzen sind. Beide Zellhersteller betreiben umfangreiche in-house-Forschung, so dass sich Forschungsergebnisse im Detail häufig erst durch derartige Teardown-Analysen identifizieren lassen.“

„Die Autoren haben zwei Zellen ausgewählt, die bereits umfangreich in Elektroautos eingesetzt werden und sich in großen Stückzahlen im Markt befinden. Die Idee war es sicher, ein kostenorientiertes Zellendesign (BYDs Blade-Zelle) mit einem leistungsorientierten (Teslas 4680-Zelle) zu vergleichen.“

„Nein, das kann man so nicht beantworten. Die leistungsfähigere ist die Tesla-Zelle, die mit der verbesserten Lebensdauer und den geringeren Kosten ist die BYD-Zelle, was aber im Wesentlichen auf die bewusst unterschiedlich gewählten Kathodenmaterialien zurückzuführen ist. Ziel dieser Untersuchung war es sicher auch nicht, herauszufinden, welche Zelle die bessere ist. Beide Zellen decken einen unterschiedlichen Anwendungsbereich ab und die Frage war eher, wo die Grenze zwischen diesen Anwendungsfeldern zu ziehen ist.“

„Die Bedeutung dieser Teardown-Analysen für Forschung und Entwicklung ist insbesondere in der Identifizierung eines Benchmarks zu sehen, auf den die Forschung und Entwicklung entsprechend aufbauen muss. Der Test und die Untersuchung von Zellen und Batterien, die frei im Markt verfügbar sind, ist durchaus üblich ebenso wie eine Veröffentlichung zum Beispiel in einem Fachjournal.“