Elon Musk beloofde dat Tesla binnenkort een batterij van een miljoen mijl zou hebben. Een nieuw artikel suggereert dat hij wellicht niet overdreef.

Afgelopen april beloofde Elon Musk dat Tesla zijn elektrische auto’s binnenkort gedurende meer dan 1 miljoen mijl (1,6m kilometer) van stroom zou kunnen voorzien tijdens hun levensduur. In die tijd leek de claim een ​​beetje veel. Dat is meer dan het dubbele van het aantal kilometers dat Tesla-eigenaren kunnen verwachten uit de huidige batterijpakketten van hun auto.  En dit is al ver buiten het operationele bereik van de meeste andere EV-batterijen liggen. Het leek gewoon bijna onmogelijk – maar nu lijkt het ineens toch de waarheid.

Eerder deze maand publiceerde een groep batterijonderzoekers van de Dalhousie University, die een exclusieve overeenkomst heeft met Tesla, een artikel in The Journal of the Electrochemical Society waarin een lithium-ionbatterij wordt beschreven die “een elektrisch voertuig voor meer dan 1 miljoen mijl zou moeten kunnen aandrijven”. En dat terwijl het tijdens zijn levensduur minder dan 10 procent van zijn energiecapaciteit verliest.

Onder leiding van fysicus Jeff Dahn, een van de belangrijkste lithium-ion onderzoekers ter wereld, toonde de Dalhousie-groep aan dat zijn batterij aanzienlijk beter presteert dan een vergelijkbare eerder gerapporteerde lithium-ionbatterij. Ze merkten op dat hun batterij vooral nuttig kan zijn voor zelfrijdende robotaxis en lange-afstandsvrachtwagens, twee producten die Tesla ook ontwikkelt.

Wat interessant is is echter dat de auteurs de resultaten niet als een doorbraak aankondigen. Integendeel, ze presenteren het als een benchmark voor andere batterijonderzoekers. En ze beknibbelen niet op de details.

“Volledige details van deze cellen, inclusief elektrode samenstellingen, elektrode-ladingen, gebruikte elektrolyt samenstellingen, gebruikte additieven, enz.”, Schreven Dahn en zijn collega’s in de krant. “Dit is gedaan zodat anderen deze cellen opnieuw kunnen maken en ze kunnen gebruiken als benchmarks voor hun eigen R&D inspanningen.”

Batterij samenstelling

Binnen de EV-industrie zijn batterijchemicaliën een goed bewaard geheim. Dus waarom zou de onderzoeksgroep van Dahn, die in 2016 zijn exclusieve samenwerking met Tesla heeft ondertekend, het recept weggeven voor zo’n schijnbaar unieke batterij? Volgens een voormalig lid van het team van Dahn is het waarschijnlijke antwoord dat Tesla al ten minste één eigen batterijchemie heeft die beter presteert dan beschreven in de benchmark. Inderdaad, kort nadat het papier uitkwam, ontving Tesla een patent voor een lithium-ionbatterij die opmerkelijk vergelijkbaar is met die beschreven in het papier. Dahn, die weigerde commentaar te geven voor dit artikel, wordt vermeld als een van zijn uitvinders.

De in het papier beschreven lithium-ion batterijen gebruiken lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide of NMC voor de positieve elektrode (kathode) van de batterij en kunstmatig grafiet voor de negatieve elektrode (anode). De elektrolyt, die lithium-ionen tussen de elektrode-aansluitingen overbrengt, bestaat uit een lithiumzout gemengd met andere verbindingen.

Het is al lang bekend dat NMC / grafietchemicaliën de energiedichtheid en levensduur van lithium-ionbatterijen verhogen. (Bijna alle elektrische auto’s, inclusief de Nissan Leaf en Chevy Bolt, gebruiken NMC-chemie in hun batterijen, maar met name Tesla niet .) De combinatie van elektrolyt en additieven is het onderwerp van handelsgeheimen. Maar zelfs die materialen, zoals beschreven in het onderzoek, waren goed bekend in de industrie. Met andere woorden, zegt Matt Lacey, een expert op het gebied van lithium-ion batterijen bij de Scania Group die niet betrokken was bij het onderzoek, “er zit niets in de geheime saus dat geheim was!”

In plaats daarvan behaalde het team van Dahn enorme prestatieverbeteringen door heel veel van die bekende ingrediënten te optimaliseren en door de nanostructuur van de kathode van de batterij aan te passen. In plaats van veel kleinere NMC-kristallen als kathode te gebruiken, vertrouwt deze batterij op grotere kristallen. Lin Ma, een voormalig promovendus in het laboratorium van Dahn die behulpzaam was bij het ontwikkelen van het kathodeontwerp, zegt dat deze “single-crystal” nanostructuur minder snel barsten zal ontwikkelen wanneer een batterij wordt opgeladen. Scheuren in het kathodemateriaal veroorzaken een afname van de levensduur en de prestaties van de batterij.

Samenwerking

Door zijn samenwerking met Tesla kreeg het team van Dahn de taak om lithium-ion batterijen te maken die meer energie kunnen opslaan en een langere levensduur hebben dan in de handel verkrijgbare batterijen. In elektrische auto’s vertalen deze meetwaarden zich in hoeverre u met uw auto kunt rijden met een enkele lading en hoeveel ladingen u uit de batterij kunt halen voordat deze stopt met werken. Over het algemeen is er een wisselwerking tussen energiedichtheid en levensduur van de batterij – als u meer van de ene wilt, krijgt u minder van de andere. De groep van Dahn was verantwoordelijk voor de schijnbaar onmogelijke taak om deze wisselwerking te overwinnen.

De energiedichtheid van een lithium-ion batterij is een van de belangrijkste eigenschappen in elektrische consumentenauto’s zoals Tesla’s Model 3 . Klanten willen met één lading lange afstanden kunnen afleggen. De nieuwere auto’s van Tesla kunnen tot 370 mijl (een kleine 600 kilomter) per lading rijden , wat ver buiten het bereik van elektrische voertuigen van andere bedrijven ligt. Op basis van de gemiddelde Amerikaanse woon-werkverkeer schat Dahn dat de meeste EV-eigenaren slechts ongeveer een kwart van de lading per dag gebruiken. Maar om een ​​vloot robotaxi’s of een imperium van langeafstandsvrachtwagens te maken, heeft Tesla een batterij nodig die elke dag volledig kan worden ontladen.

Het probleem is dat elke dag volledig ontladen en opladen de batterij zwaarder belast en de componenten sneller verslechterd. Maar het volstaat niet om de huidige levensduur van een Tesla-batterijpakket te handhaven – ongeveer 300.000 tot 500.000 km . Langeafstandsvrachtwagens en robotaxis zullen meer dagelijkse kilometers inpakken dan uw gemiddelde forens. Daarom wil Musk een batterij die 1 miljoen mijl mee kan.

Musk vroeg en Dahn leverde. Zoals Dahn en zijn team in hun benchmarkdocument hebben uiteengezet, “hoeft men geen afweging meer te maken tussen energiedichtheid en levensduur.” De resultaten van het team laten zien dat hun batterijen meer dan 4.000 keer kunnen worden opgeladen en slechts ongeveer 10 procent van hun energiecapaciteit verliezen. Ter vergelijking: een artikel uit 2014 liet zien dat vergelijkbare lithium-ionbatterijen de helft van hun capaciteit verloren na slechts 1000 cycli.

“Vierduizend cycli zijn echt indrukwekkend”, zegt Greg Less, technisch directeur van het Battery Lab van het Energy Institute van de Universiteit van Michigan. “Een bereik van een miljoen mijl is gemakkelijk te doen met 4000 cycli.”

Slechts enkele dagen na de publicatie van het benchmarkingpapier kregen Tesla en Dahn een patent dat een enkelkristal lithium-ion batterij beschreef die vrijwel identiek was aan de batterijen die in het artikel worden beschreven. De gepatenteerde batterij bevat een elektrolyt toevoegsel genaamd ODTO dat volgens de patentclaim “de prestaties en levensduur van Li-ion-batterijen kan verbeteren, terwijl de kosten worden verlaagd.”

Een miljoen mijl

Het is niet zeker dat de batterij die in het patent wordt beschreven, de miljoen-mijlbatterij is waarvan Musk zei dat die volgend jaar in productie zou gaan, en noch Tesla noch Dahn praten. Maar het is een gok dat de eigen batterij van Tesla nog beter presteert.

Shirley Meng, die het laboratorium voor energieopslag en -conversie bij de UC San Diego runt, zegt dat veel bedrijven in elektrische voertuigen batterijen nastreven met een hoger nikkelgehalte dan wat Dahn’s papier en patent beschrijft. Die aanpak kan de energiedichtheid van een batterij verhogen. Meng zegt dat de volgende stap is om die ontwerpen met een hogere dichtheid samen te voegen met een hoogwaardige mix van elektrolyten en additieven. Of het de formule is die Dahn’s groep geperfectioneerd heeft, is een open vraag.

“Ik geloof dat het ultieme doel van Jeff’s team is om het ultra lange leven in een kathode met een hoog nikkelgehalte te demonstreren, maar misschien hebben ze een compleet ander mengsel van de cocktail met elektrolyten nodig”, zegt Meng. “Ik denk niet dat dezelfde formule zal werken, en daarom hebben ze alle formuleringen vrijgegeven.”

Welk ontwerp er ook bij Tesla’s gigantische Gigafactory in productie wordt genomen, de tekenen zijn duidelijk: binnenkort komt er een batterij van een miljoen kilometer bij.

Bron: Wired