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Die Energiedichte der neuen Zellen liegt bestenfalls bei 244 Wh/kg, selbst wenn sie mit 4,3 Volt aufgeladen und mit 2,5 Volt entladen werden. Das ist bereits ein niedriger Wert, aber im Normalbetrieb werden die Zellen nur mit 4,2 Volt aufgeladen und mit 3 Volt entladen. Die Energiedichte sinkt dann auf etwa 230 Wh/kg. Erwartet wurde hingegen ein Wert von 276 Wh/kg.
Der veröffentlichte Studienbericht lieferte zwar nicht alle Daten, die notwendig sind, um den Grund für diese niedrige Energiedichte zu verstehen, aber er lieferte zumindest einige Hinweise. Ein Teil der Erklärung liegt im Fehlen von Silizium in der Anode. Die in den Zellen verwendeten Anoden bestehen aus reinem Graphit. Die Verwendung von Silizium erhöht die Lithiumverluste in der Zelle bei der ersten Ladung, so dass diese Entscheidung auf den derzeitigen Lithiummangel zurückzuführen sein könnte.
Mittlerweile ist es üblich, kleine Mengen Silizium, das etwa zehnmal so viel Lithium speichern kann, zu verwenden, um die Energiedichte zu erhöhen. Dadurch können das Gewicht und die Dicke der Anode reduziert werden, was die Energiedichte erhöht und die Ladezeit verkürzt. Der Ladevorgang von Graphit wird immer langsamer, je mehr sich der Lithiumgehalt der Anode der maximal möglichen Menge nähert. Im Gegensatz dazu kann Silizium das Lithium viel schneller aufnehmen. Ein Siliziumanteil reduziert also nicht nur das Gewicht, sondern verzögert auch den Punkt, ab dem sich der Ladevorgang verlangsamt.
Die Anode wird von Tesla in einem platz- und energiesparenden Trockenverfahren beschichtet. Das Graphit wird mit einem Bindemittel erhitzt und mithilfe von Walzen auf die Kupferfolie der Anode aufgetragen. Die so entstandene Schicht aus Anodenmaterial ist jedoch mit 250 Mikrometern ungewöhnlich dick. Das spart Kupfer und erleichtert die Produktion, da mehr Material mit größeren Toleranzen verarbeitet werden kann. Es erhöht aber auch den Widerstand der Ionenleitung in den Zellen und verlängert den Ladevorgang.
Der Grund für die Dicke der Anode könnte auch mit der Kathode zusammenhängen, von der bereits bekannt war, dass sie noch mit dem herkömmlichen Nassverfahren bearbeitet wurde, bei dem das Material mit einem Lösungsmittel auf die Aluminiumfolie aufgetragen wird, das dann verdampft und wiederverwertet wird. Tesla wollte dieses Verfahren für die Anode und die Kathode anwenden, aber es stellte sich heraus, dass die Behandlung des härteren und dünneren Kathodenmaterials die Walzen beschädigen würde.
Bei der Kathode selbst handelt es sich übrigens nicht mehr um NCA, Nickel-Kobalt-Aluminium, das Tesla in den kleinen Zellen 18650 und 2170 verwendet, sondern um NMC, d. h. Nickel-Mangan-Kobalt. Beide Materialien haben eine vergleichbare Energiedichte, aber der Kobaltanteil in den drei Metallen ist etwas höher (12 %). Die Produktion von Akkumulatoren wird derzeit jedoch eher durch die Knappheit von Lithium als durch die Verfügbarkeit von Kobalt eingeschränkt. Der Grund dafür ist wahrscheinlich die etwas höhere Hitzebeständigkeit von NMC im Vergleich zu NCA.
Es ist möglich, dass Tesla durch das Nassverfahren schneller dickere Kathoden herstellen kann und im Gegenzug die lange Ladedauer in Kauf nimmt, da das nicht funktionierende Trockenverfahren zur Herstellung der Kathode derzeit die Produktionskapazität der 4680-Zellen in den Fabriken begrenzt.
Trotz allem ist die Ursache für das höhere Gewicht der Zellen noch nicht vollständig geklärt. Der Verzicht auf Silizium erklärt nicht einen Verlust von 15 % bei der Energiedichte. Die dickere Beschichtung der Anoden- und Kathodenfilme sollte sogar zu einem geringeren Gewicht führen. Es kann auch nicht an der Stahlhülse der Zelle 4680 liegen, die mehr als doppelt so dick ist wie die der Zelle 2170. Tatsächlich hat die Zelle auch einen mehr als doppelt so großen Durchmesser, so dass der Gewichtsanteil des Stahls in der Zelle konstant bleibt.
Ein weiterer möglicher Faktor ist, dass bei der Verarbeitung der dicken Beschichtung von Kathoden und Anoden eine größere Menge Bindemittel verwendet wird und zwischen den Partikeln größere Leerräume für den Elektrolyten entstehen. Dadurch kann der Widerstand der Ionenleitung in den Zellen, der durch die dicke Beschichtung erhöht wurde, verringert werden. Dies würde auch den Anteil des aktiven Materials in den Zellen und damit die Energiedichte verringern.
Sicher ist, dass die 4680er Zellen derzeit weit davon entfernt sind, die versprochenen Vorteile in Bezug auf Energiedichte und Reichweite zu bieten, und dass sie weniger Energie speichern als Packs mit den alten 2170er Zellen. Eine wesentliche Verbesserung wird es wahrscheinlich erst geben, wenn Tesla seine Produktionsprobleme in den Griff bekommen hat.
Um eine signifikant höhere Energiedichte zu erreichen, müssen die Batteriechemie und die Konstruktion der 4680-Zelle wahrscheinlich mehrfach überarbeitet werden. Aber selbst dann wird die Energiedichte des Akkupacks wahrscheinlich dauerhaft niedriger bleiben als die des Qilin-Akkupacks von CATL.
