Teslas 4680-Zellen haben ein Problem beim Innenwiderstand

Teslas ganzer Stolz sind bekanntlich die zylindrischen 4680-Zellen mit NMC-Chemie, die Elon Musk immer wieder für ihre hohe Energiedichte gelobt hat. BYD dagegen, der Erzkonkurrent aus China, setzt auf seine Blade-Batterie, die prismatische Zellen mit LFP-Chemie verwendet. Ein Team des Lehrstuhls „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen hat nun die beiden Konzepte auf Zellebene miteinander verglichen.

Die Studie erschien erst am 6. März in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science. Sie zeigt die spezifischen Stärken und Schwächen der sehr unterschiedlichen Batteriezellen auf. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehört wohl, dass die Tesla-Zelle (wohlgemerkt, die erste Generation, die im Model Y von 2022 verwendet wurde; mittlerweile gibt es eine verbesserte Variante) ein Kühlungsproblem hat, das durch den hohen Innenwiderstand bei fast voller Zelle bedingt ist.

Der Innenwiderstand einer Zelle ist für die Wärmeverluste beim laden und Entladen verantwortlich. Die Aachener Fachleute luden die Zelle mit einer Laderate von 1C auf; das entspricht langsamem Schnellladen und bedeutet, dass eine Batterie in einer Stunde voll aufgeladen würde. Dabei zeigte sich, dass der Innenwiderstand bei hohem Ladestand (SOC) und vor allem bei niedriger Temperatur ansteigt. Normalerweise nimmt der Ladungstransfer an der Kathode bei höheren SOC-Werten ab und kompensiert den Anstieg des Anodenwiderstands, so die Studie. Deshalb war ein Ansteigen des Gesamtwiderstandes nicht zu erwarten.  

"Der Zellwiderstand der Tesla 4680 steigt bei hohen SOC-Werten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, während der Zellwiderstand der BYD-Blade-Zelle bei höheren SOC-Werten sinkt. Der Grund dafür könnte ein erhöhter Ladungstransferwiderstand in und an der Oberfläche der Anode aufgrund einer hohen Lithiumkonzentration sein, da diese Widerstände mit zunehmendem SOC tendenziell steigen." (J. Gorsch et al.)

In Konsequenz entwickelt die 4680-Zelle jedenfalls viel Wärme beim Laden und erfordert deshalb mehr Anstrengungen beim Thermomanagement. Die Kollegen von Notebookcheck vermuten, dass dieses Problem für das anfangs langsame Laden des Cybertruck verantwortlich sein könnte. Inzwischen nutzt Tesla allerdings neue 4680-Zellen.

Die 4680-Zelle produziert deutlich mehr Wärmeleistung pro Liter als die Blade-Zelle

Bild von: Jonas Gorsch et al., Elsevier Inc.

Die obige Tabelle zeigt die wichtigsten Eigenschaften der beiden Zellen. Die Blade-Zelle ist fast einen Meter lang und damit deutlich größer als der Blechzylinder von Tesla. Deshalb speichert eine Zelle auch deutlich mehr Strom (in Amperestunden). Etwas gemildert wird der Unterschied durch die niedrigere Spannung der LFP-Zelle. Wichtiger ist jedoch die Energie, die pro Kilo oder pro Liter gespeichert werden kann, und die ist bei Tesla wesentlich größer. All das ist qualitativ nichts Neues, die genauen Werte kannten wir allerdings nicht. 

Die Forschenden haben aber auch die Zusammensetzung der beiden Zellen ermittelt. Wie bekannt, verwendet Tesla an der Anode kein Silicium, was erstaunt, weil dies die Energiedichte erhöhen würde – und auf hohe Energiedichte ist die Zelle offenbar optimiert.

Eine Analyse ergab zudem, dass der Stahlzylinder von Tesla einen größeren Anteil am Gewicht der Zelle hat (16%) als das Alu-Gehäuse der Blade-Zelle (6 Prozent). Allerdings wird das kompensiert durch das geringe Gewicht von Anoden- und Kathodenträger ("substrate foil").

Insgesamt ergibt sich bei beiden Zellen ein sehr ähnlicher Gewichtsanteil von rund 60 Prozent für das aktive Material (also Graphit an der Anode und NMC bzw. LFP an der Kathode, "total electrode material"). Das ist eine Überraschung, wie RWTH-Institutsleiter Professor Achim Kampker sagt: "Obwohl die Zelle von BYD viel größer ist als die von Tesla, ist der Anteil der passiven Zellkomponenten wie Stromabnehmer, Gehäuse und Stromschienen ähnlich."

Das Aktivmaterial macht bei beiden Zellen etwa 60 Prozent des Zellgewichts aus

Bild von: Jonas Gorsch et al., Elsevier Inc.

Auf Basis der ermittelten Gewichte der verschiedenen Komponenten wurden auch die Materialkosten errechnet. Dabei ergaben sich Kosten  von etwa 25 Euro je Kilowattstunde für die LFP-Zelle, aber rund 37 Euro/kWh für die NMC-Zelle – Tesla wendet also rund 10 Euro mehr pro kWh auf. Bei einer ungefähren Speicherkapazität von 80 kWh ergibt das eine Differenz von 800 Euro. Das sind wohlgemerkt nur die Materialkosten auf Zellebene; weder die Herstellungskosten noch die Kosten für Kühlung, Steuerung etc. sind enthalten.  

Materialkosten der beiden Zellen: Die Blade-Zelle ist um 10 Euro je Kilowattstunde billiger

Bild von: Jonas Gorsch et al., Elsevier Inc.

Insgesamt sind beide Batteriezellen sehr unterschiedlich, aber beide "hochgradig innovativ". Bei der Blade-Zelle standen offenbar die Kosten im Fokus, während Tesla vor allem die Performance beim Laden und Entladen wichtig war. Wer sich für die Details interessiert: Die Studie ist für eine wissenschaftliche Arbeit gut verständlich geschrieben. Wenn Sie die Studie online aufrufen und den Browser per Rechtsklick die Übersetzungsarbeit machen lassen, werden Sie das meiste davon verstehen.

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Unter dem Strich

Ob Auto- oder Batteriehersteller: Die Innereien der Batteriezellen bleiben meist geheim, genauso wie die elektrischen Eigenschaften. Dabei sind sie es, die darüber entscheiden, wie gut die Zelle ist. Deshalb hat die Studie der Aachener Hochschule ein weites Echo in der Presse gefunden, und das sogar bei Tageszeitungen. Besser ist es aber, sich die Originalarbeit anzusehen.