Obávané “úzké hrdlo”. Jak dusno je v Tesle kvůli klíčové inovaci?

Během nedávného horovu Elona Muska s investory se objevila věta, která nejednoho fanouška i akcionáře mohla vyděsil: Musk řekl, že výroba nového elektrického článku pro vozy firmy narazila na “úzké hrdlo”. Firma sice pokročila v případě výroby, ale do jejího rozjezdu ještě zbývá spoustu práce.

Výraz “úzké hrdlo” znalcům Tesly totiž připomíná téměř smrtelné období firmy na přelomu let 2017 a 2018. Kalifonrská společnost tehdy měla veliké problémy s přípravou výroby Modelu 3. Musk musel vyškrabávat poslední finanční rezervy a přespával v kanceláři.

Model 3 samozřejmě uspěl, a firma se díky němu nadechla k dalšímu ohromnému růstu. Může se zdát, že tentokrát jsou sázky nižší – jde “jen” o novou baterii – ale tak to není.

Význam nového článku s označním 4680 pro Teslu je těžké přecenit. Měl by totiž dodat “šťávu” Muskovům sny o milionůch elektromobilů ročně. Dojezd vozů by se měl zvýšit o více než 50 %, 16 % z toho díky vyšší energetické hustotě nového článku, a náklady na baterie by měly klesnout na polovinu. Díky tomu by se v prodeji měla v příštích letech objevit Tesla za 25 tisíc dolarů, tedy zhruba půl milionu korun. (V Česku by samozřemě byla dražší minimálně o HDP.)

O hodně lepší váleček

Články v bateriových souborech jejích modelů dodnes velmi nápadně připomínají tužkové baterie. První generace článků Tesly se tak nazývala 18650, protože měla rozměry 18 na 65 milimetrů (tužkové baterie AA mají 14,9 na 50 mm, tyto první baterie Tesly tedy nebyly o mnoho větší). Pak přišly větší 2170 (21 na 70 mm), které měly tedy zhruba o polovinu větší objem. V září 2020 pak Tesla oznámila přechod na větší články 4680, které už mají zhruba pětkrát vyšší kapacitu než původní články 18650.

K tomuto údaji jedna poznámka, která dobře vystihuje Muskův postoj k reklamě a marketingu: během zmíněné prezentace v září 2020, během tzv. Battery Day, se opakovaně mluvilo o několikanásobně vyšší kapacitě. Nikdo ovšem zároveň jedním dechem nedodal, že zvýšení kapacity je dáno téměř úplně prostě zvýšením objemu baterie. Ne že by Tesla vysloveně lhala. Neudělala ale nic pro to, aby nezkušené posluchač nedošel ke špatnému závěru.

Vysloveně nepřesné pak bylo tvrzení, že nové baterie v automobilech Tesla jsou unikátní svou “strukturální konstrukcí”. To jednoduše znamená, že články jsou v baterii (paralelně) zapojeny co nejefektivněji, tedy aby se uspořilo místo a hmotnost. Ale stejný princip už použvají i další výrobci, například v mikroelektromobilu Wuling Mini.

Skutečných novinek je ale i přes tyto výhrady dost. Jedna spočívá ve způsobu odvodu a přívodu elektřiny ze samotného aktivního materiálu na póly baterie. To mají na starost v článcích malé vodivé prvky – anglicky nazývané „tabs“ – obvykle vyrobené z niklu, hliníku, případně mědi. „Tabs“ jsou jedním ze slabších míst baterie. Když se baterie rychle nabíjí či vybíjí, právě v těchto kovových prvcích vzniká velké množství tepla – což je pro lithiovou baterii samozřejmě velký problém.

Tesla si v roce 2020 podala patent na baterie, které se bez těchto vodivých prvků mají zcela obejít (baterie s „tabless“ elektrodami). Změna by měla údajně výrazně zjednodušit výrobu. Umísťování a připevňování „tabů“ totiž podle Muska i Baglina výrazným způsobem zdržovalo výrobu článků. Proces není okamžitý, a tak se kvůli němu musí článek na své cestě linkou zastavit. Bez těchto prvků se údajně může linka pohybovat v podstatě kontinuálně. Můžeme si ji údajně představit jako například plnicí linku na nápoje.

Odstranění kovových prvků by také mělo údajně velmi výrazně snížit množství odpadního tepla, které vzniká při rychlém nabíjení baterií. Což v důsledku může vést k nabíjení většími proudy a tedy zkrácení zastávek na dobíjecích stanicích.

Samozřejmě to je spíše hypotetická úspora. Rychlost dobíjení do značné míry záleží na parametrech samotných nabíječek, které provozovatel z pochopitelných důvodů nemůže měnit každý rok. Doma také tak velkými proudy těžko bude někdo dobíjet. „Tabless“ baterie by však mohly mít například zvýšenou životnost. Vyšší teploty bateriím rozhodně neprospívají.

Model článku 4680 společnosti Tesla (kredit Reddit user u/Bimmer3389)
Model článku 4680 společnosti Tesla (kredit Reddit user u/Bimmer3389)

Bez kanálů

Novým typem baterie by měla do jisté míry i dohánět konkurenci. Ještě v Modelu 3 totiž používá systém chlazení, který není úplně efektivní. Mezi řadami článků má kanálky na odvod odpadního tepla, které vlastně nejsou zapotřebí. Většina tepla totiž vzniká na obou koncích článků. Dělat mezi nimi místo na kanály je podle jiných výrobců znalců oboru v podstatě zbytečně.

Samozřejmě, znalcům nemusíte věřit. V případě Tesly se už mnohokrát mýlili. V tomto případě ale v podstatě uznává svou chybu i Tesla sama. Nové “balení” baterie kanálky mezi články mít nebude, místo toho budou články umístěny na kapalinou chlazené desce. Velmi podobně jako to je u elektromobilů GM, Fordu, Volkswagenu, Porsche a tak dále a tak podobně.

Místo by se mělo uspořit i jinak. Konstruktér a konzultant Sandy Munro, který proslul svým YouTube kanálem, kde rozebíra elektromobily, nedávno odhadl, že Tesla dokáže zvýšit výkon bateriových celků o více než 50 procent při zachování stejných rozměrů. Do rozměrů baterie pro Teslu 3, která má kapacitu 72 kWh, by se podle něj mohla vejít nová baterie s kapacitou cca 130 kWh.

Kromě zmíněné úspory vzniklé změnou chladícího systému by k tomu měly významně přispět i další změny v konstrukci. Více dílů by mělo být slepeváno, a také svařované části konstrukce se dají udělat efektivněji. Celkem by tam nové bateriové celky podle něj mohly obsahovat o 30 až 40 procent méně oceli.

Trochu to osolíme…

Nový typ 4680 bude mít pozměněné například i elektrody. Jedna změna bude na tradičně uhlíkové anodě. Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem poměrně malou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Naproti tomu například jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia.

Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má i nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního). Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu.

Přesto se v anodách křemík už používá, a nejen u Tesly. Je to totiž jeden z nejnadějnějších způsobů, jak kapacitu baterií zvýšit. Ovšem v současných anodách je křemíku málo, řádově jednotky procent z celkového objemu. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

Na Battery Day zaznělo, že množství křemíku by se mělo zvýšit několikanásobně, aby se dojezd při zachování objemu baterie zvýšil cca o 20 procent. Problém s „bobtnáním“ chce Tesla vyřešit tak, že baterie nebude znovu čistě křemíková – bude obsahovat i elastické materiály, které se mohou zmenšit tak, aby se kompenzovalo zvětšování křemíku v anodě. Jak vidno, v tomto ohledu je ještě co zlepšovat.

Změny by se měly dotknout i druhé elektrody, tedy katody (poznámka bokem: v dobíjecích bateriích se samozřejmě role elektrod mění podle toho, zda se nabíjí, či vybíjí, ale pro zjednodušení se jako anoda obvykle označuje elektroda, na které během vybíjení dochází k oxidaci). V první řadě Tesla potvrdila, že se pokusí zbavit kobaltu v bateriích.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC. Kobalt je z těchto materiálu nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu.

I proto se většina výrobců snaží kobaltu zcela zbavit. V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent. Tesla tedy znovu není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně. Tesla možná bude, možná nebude první, důležité je, že vývoj pokračuje. V roce 2021 by mělo být vyrobeno cca 10 GWh těchto baterií, tak uvidíme, jaké informace od výrobce dostaneme – a jaké uniknou.

Článek Panasonic staršího typu 2170 určený pro elektromobily Tesla (kredit Tesla/Panasonic)

Za sucha to stále nejde

Součástí linky nebude podle všeho další technologie, od které si fanoušci hodně slibují. Tesla totiž zhruba v květnu 2019 dokončila koupi firmy Maxwell Technologies. Ta si dala mimo jiné za cíl radikálně zjednodušit jeden ze složitých kroků ve výrobě baterií a vyrábět elektrody „za sucha“.

Dnes se vstupní materiály pro obě elektrody nejprve musí rozpustit, pak lisovat a vysušit. Celý proces nejen výrobu zdržuje, ale také zdražuje, už kvůli nákladům na energie a nutné vybavení.

Maxwell Technologies přišly s demonstrací procesu výroby za sucha, který by se měl bez těchto kroků obejít. Po jeho dotažení do výroby by se obě elektrody měly velmi jednoduše lisovat za sucha a nízkých teplot do požadované podoby tenkého filmu.

Jak ovšem potvrdili Musk a Baglin, zatím jsou k dispozici pouze první prototypy technologie ve velmi malém, v podstatě laboratorním měřítku. Do výroby má tedy proces ještě opravdu daleko a nedá se předpokládat, že by Tesla tuto technologii dokázala dotáhnout do praxe během tří let, jak to slibuje u většiny ostatních „zlepšováků“, které na Battery Day prezentovala.

Ale možná se samozřejmě pleteme. V prezentacích Tesly bývá těžké odlišit šum od skutečného signálu.

Nejlepší ve výrobě

Všechna dílčí zlepšení mají jeden hlavní cíl: výrazně zjednodušit, zrychlit a tedy i zlevnit výrobu baterií ve velkém. Tesla, která sází na to, že investory naláká na velké cíle, tak především dala najevo, že hodlá ve výrobě baterií přejít na kvantitaivně novou úroveň.

Firma si dala za cíl vyrobit ročně baterie s celkovou kapacitou od 10 do 20 terawatthodin. Celková roční výrobní kapacita je dnes o dva řády nižší, pohybuje se zřejmě někde v pásmu nad 300 GWh ročně. Rekordní Gigafactory v Nevadě, která ještě není dostavěna, je koncipována na výrobu kolem 150 GWh za rok.

Jak zvýšit výrobu řádově stokrát? Tesla má dva recepty. Stejně jako řada jiných firem samozřejmě chystá stavbu dalších továren na baterie. Ale zároveň tvrdí, že „zlepšováky“ představené v rámci Battery Day mohou velmi výrazně zvýšit výrobu v již stojících továrnách. Kontinuální výroba jednodušších baterií, které pojmou více energie, může údajně zvýšit produkci z jedné linky zhruba sedminásobně.

Toto číslo je nutné brát s rezervou, protože máme k dispozici pouze nablýskanou prezentaci a „tvrdá data“ jsou předmětem obchodního tajemství. Podle odhadů agentury Bloomberg se ceny baterií (kompletních baterií, ne pouze článků) v roce 2020 pohybovaly v průměru někde kolem 140 dolarů za kilowatthodinu. Na Battery Day se hovořilo o tom, že zavedení představených novinek by mělo cenu snížit zhruba o něco více než 50 procent.

Pokud by tomu tak bylo, cena by se měla poměrně dostat dosti hluboko pod bedlivě sledovanou hranici 100 dolarů za kilowatthodinu. Zhruba na ní by se přitom elektrické vozy mohly v pořizovací ceně začít rovnat vozům se spalovacím motorem. Tedy zhruba na úrovni nového modelu Tesly, jehož existenci Musk v prezentaci potvrdil. 

A kdy by to mohlo být? Tesla je známá tím, že nedodržuje slíbené termíny. Koncem dubna Musk uvedl, že do výroby baterie zbývá 12 měsíců, ne-li 18 měsíců. V tom případě by bylo možné, že stávající dodavatelé baterií pro Teslu, tedy společnosti Panasonic, CATL, LG Energy Solution a SK Innovation, možná dodají baterii 4680 dříve než samotná Tesla. (Nový šéf Panasonicu potvrdil, že jeho společnost do výroby článků 4680 mohutně investuje, pokud se ukáží jako životaschopné).

Po měsících mlčení Tesla v srpnu konečně potvrdila, že odklad skutečně přijde. Kvůli nedostatku baterií bylo představení jejího Cybertrucku posunuto na rok 2022. Tento masivní pick-up je spolu s (rovněž odloženým) tahačem Semi jedním z horkých kandidátů na využití článků 4680. Vzhledem k rozměrům to nepochybně bude “žrout” energie.

Související články

Vložit komentář...