Mit dem Traum der 4680-Batterien will Musk nicht mehr umherschwätzen.

Tesla hat sich mehr als fünf Jahre lang an der Entwicklung der 4680-Batterie festgeklebt, um schließlich still und leise aufzugeben.

Der südkoreanische Hersteller von Kathodenmaterialien L&F war der erste, der das Geheimnis preisgab. Die Ankündigung zeigt, dass der Wert des Liefervertrags für hochnickelhafte Kathodenmaterialien zwischen L&F und Tesla von 2,9 Milliarden US-Dollar auf 7.386 US-Dollar geschrumpft ist, was einer Reduzierung von über 99 % entspricht. Ein solches Streichern von Bestellungen ist fast gleichbedeutend mit einem Scheitern des Projekts.

Die beiden Parteien haben im Februar 2023 einen zweijährigen Liefervertrag unterzeichnet. Der Auftragswert entsprach dem vielfachen des Jahresumsatzes von L&F, was wie ein Geschenk vom Himmel wirkte. Doch dann fiel der Kuchen halbwegs und flog wieder weg.

Das hochnickelhafte Kathodenmaterial von L&F ist speziell für Teslas 4680-Batterie entwickelt und ein Schlüsselelement in Teslas Plan für "kostengünstige Batterien - günstige Fahrzeuge". Seitdem befand sich die 4680-Batterie von Tesla in einem Schrödingerschen Zustand zwischen "Stillstand" und "Serienproduktion".

Mit der überraschenden Enthüllung des Kernlieferanten scheint Teslas ehrgeiziger Plan seinem Ende entgegenzukommen.

Der Cybertruck ist nicht schuld

Der Scheitern der 4680-Batterie scheint direkt auf die Verkaufsniederlage des Cybertrucks zurückzuführen zu sein.

Nach Teslas Planung werden Model 3-Fahrzeuge hauptsächlich mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien ausgestattet, Model Y/S/X mit Nickel-Mangan-Ternär-Lithium-Batterien, während der Cybertruck und der Semi hochnickelhafte Kathoden in Ternär-Lithium-Batterien verwenden.

Die drei Batterieoptionen, die bei Teslas Battery Day vorgestellt wurden

Im Allgemeinen gilt: Je höher der Nickelgehalt in der Batteriekathode, desto höher die Energiedichte und desto besser die Reichweite. Für große und schwere Fahrzeuge wie den Cybertruck und den Semi ist dies eine ideale Kombination.

Bei der Batterieforschung und -entwicklung erreichte die erste Generation der 4680-Batterie auf Basis von NCM811 (d. h. ein Verhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan von 8:1:1) jedoch nicht die erwartete Energiedichte, und ihre Lade- und Entladefähigkeit war besonders schlecht. Dadurch wurde das Model Y, das als erstes diese Batterie einsetzte, bereits bei der Produktion eine Limitierte Auflage [1].

Daher suchte Tesla den eingangs genannten Materialhersteller L&F auf, der die 9er-Reihe von hochnickelhaltigen Batterien bereits frühzeitig kommerzialisiert hatte. Das Kathodenprodukt von L&F kann einen erstaunlichen Nickelgehalt von 95 % erreichen. Anschließend führte Tesla bei der zweiten Generation der 4680-Batterie eine 9er-Reihe von hochnickelhaltigen Kathoden ein, was die Energiedichte erhöhte. Leider gab es Probleme mit den Verkaufszahlen des Cybertrucks.

Nach sorgfältigen Berechnungen von ausländischen Nutzern betrug die Gesamtliefermenge des Cybertrucks seit der Produktion im zweiten Halbjahr 2023 etwa 50.000 Fahrzeuge [2].

Nach Teslas äußerungen und unter der extremen Annahme, dass man die Verkaufszahlen von Model 3/Y wegnehmen und alle 50.850 Fahrzeuge der Kategorie "Andere Fahrzeuge" letzten Jahres als Cybertrucks zählen würde, liegt man dennoch weit hinter Elon Musks Ziel von "250.000 Verkaufsfahrzeugen pro Jahr" zurück.

Der Cybertruck hat weder die Aufgabe des massenhaften Absatzes des Model Y übernommen noch ist er zu Teslas Gewinnmotor geworden. Die Verkäufe müssen auch mit internen Geschäftszusammenhängen gefördert werden. Der Titel eines Berichts von Electrek ist voller Ironie [3]: SpaceX hat Cybertrucks im Wert von mehreren Millionen US-Dollar gekauft, die Tesla nicht verkaufen konnte.

Der Grund ist leicht zu verstehen. Im Jahr 2019, als der Cybertruck vorgestellt wurde, gab Musk einen Preisbereich von 39.000 bis 69.000 US-Dollar an. Die oberste Ausstattung mit drei Motoren und Allradantrieb hatte eine EPA-Reichweite von bis zu 800 km.

Als der Cybertruck Ende 2023 endgültig auf den Markt kam, war der Preis stark gestiegen. Der Preis der obersten Ausstattung stieg von 69.000 US-Dollar auf 99.000 US-Dollar (derzeit 114.900 US-Dollar), während die Reichweite stark sank. Die Marktdurchsetzung war damit vorhersehbar.

Der direkte Grund für das Scheitern des Cybertrucks auf dem Markt liegt wahrscheinlich in der offensichtlichen Diskrepanz zwischen der beworbenen und der serienmäßigen Version in Bezug auf Reichweite und Preis. Die "Energiedichte" und die "Produktionskosten", die mit Reichweite und Preis verbunden sind, scheinen wiederum auf die 4680-Batterie selbst zu verweisen.

Fünf große Hindernisse

Die 4680-Batterie von Tesla wurde erstmals im Jahr 2020 auf dem "Battery Day" vorgestellt. Das Ziel war einfach: Die Einzelzellen-Energiedichte soll vervielfacht, die Reichweite um 16 % erhöht, die Leistung vervielfacht und die Kosten pro Kilowattstunde um 56 % gesenkt werden.

Die 4680-Batterie bezieht sich, wie der Name sagt, auf eine zylindrische Batterie mit einem Durchmesser von 46 Millimetern und einer Höhe von 80 Millimetern. Die 2170-Batterie hat einen Durchmesser von 21 Millimetern und eine Höhe von 70 Millimetern. Im Vergleich zur letzteren ist die 4680-Batterie größer, hat eine höhere Kapazität und erfordert in demselben Batteriepack weniger Einzelzellen, was die Anzahl der Batteriekomponenten reduziert.

Die 2170-Batterie und die 4680-Batterie

Aber nur eine Änderung der Form reicht nicht aus, um Musks Ziel einer Reduzierung der Batteriekosten pro Einheit um 56 % zu erreichen. Nach Teslas Planung soll 14 % durch das Design, 18 % durch die Produktion, 17 % durch die Anoden- und Kathodenmaterialien (5 % Anode, 12 % Kathode) und 7 % durch die Technologie der Integration von Batterie und Fahrzeugkarosserie erreicht werden.

Im Idealfall muss die 4680-Batterie noch drei Schritte meistern:

Erstens: Die Full-tab-Technologie (Tesla nennt es tabless). Die Tab-Technologie ist ein metallischer Leiter, der die positive und negative Elektrode der Batterie verbindet und wie eine Brücke für das Laden und Entladen fungiert. Das herkömmliche Tab-Design ist wie eine einsspurige Brücke, und der Strom kann nur in einem engen Kanal fließen. Wenn die Batteriegröße zunimmt und die Elektrodenfolien länger werden, wird der Abstand zwischen den Tabs größer, der Elektronentransportweg wird länger und die Lade- und Entladeeffizienz sinkt.

Die Full-tab-Technologie ist wie eine Autobahn. Die Tabs werden am Ende der Elektrodenfolie gebildet und nach dem Wickeln direkt mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch wird die Kontaktfläche größer, der Elektronentransportweg kürzer, der Innenwiderstand kleiner und die Lade- und Entladeeffizienz steigt rapide an.

Das herkömmliche Tab-Design und das Full-tab-Design

Zweitens: Die Anode und die Kathode. Einfach ausgedrückt, je höher der Nickelgehalt in der Kathode und je höher der Siliziumgehalt in der Anode, desto höher die Energiedichte. Daher ist Teslas Lösung "hochnickelhafte Kathode + siliziumdotierte Anode".

Angesichts des starken Anstiegs des Kobalts Preises ist es ein großer Trend, Kobalt zu reduzieren und Nickel zu erhöhen. Die Verwendung von Graphit mit Siliziumdotierung in der Anode kann sowohl die Reichweite verbessern als auch theoretisch die Kosten senken.

Drittens: Das Trocken-Elektroden-Verfahren in der Batterieproduktion. Das derzeit vorherrschende Naßverfahren besteht darin, die Anoden- und Kathodenmaterialien, den Leitfähigkeitsverbesserer und das Bindemittel in einem flüssigen Lösungsmittel zu mischen, auf eine Metallfolie aufzubringen und dann zu trocknen, um die Elektrode herzustellen. Dies verbraucht viel Energie und ist nicht umweltfreundlich.

Das Trockenverfahren ist ein sehr Musk-artiger Gedanke: Wenn man "zuerst nass machen und dann trocknen" muss, warum nicht den Schritt des "Nassmachens" weglassen und die Mischung direkt auf die Folie pressen, um eine trockene Elektrode herzustellen?

Daher ist es sehr einfach, die Batteriegröße von "2170" auf "4680" zu erhöhen. Tatsächlich muss Tesla "Größe + Full-tab-Technologie + hochnickelhafte Kathode + siliziumdotierte Anode + Trocken-Elektroden-Verfahren" kombinieren. Es muss sowohl die Energiedichte stark erhöhen als auch Musks Image als Kostensenker nicht enttäuschen. Die vorherrschende Meinung lautet [5]: Nur Tesla wagt es, Batterien so herzustellen.

Die von Musk gewünschte Kostensenkungskurve für die Batterien ist die rote Linie

Seit der Präsentation im Jahr 2020, also in fast sechs Jahren, hat die Starship zehn Mal gestartet, und Teslas FSD hat sich um vier große Versionen weiterentwickelt. Doch von den fünf großen Hindernissen, die die 4680-Batterie überwinden muss, hat man bisher nur drei genommen.

Der Sprungansatz ist zu schwierig

Im April letzten Jahres feierte Musk hochkantig, dass die 4680-Batterie die "kostengünstigste Batterie pro Kilowattstunde" von Tesla geworden sei. Gleichzeitig ließ er sich nicht nehmen, die Lieferanten anzupökeln. Der Batterieherstellungsdirektor Michael Guilfoy machte es noch schlimmer und kündigte an, dass das Trocken-Elektroden-Verfahren "innerhalb des Jahres in voller Produktion gehen" würde [4].

Acht Monate später enthüllte eine Ankündigung von L&F die grausame Wahrheit: Die vollständige Version der 4680-Batterie ist immer noch eine überfordernde Aufgabe.

Bei der zweiten Generation der 4680-Batterie wurde das Design von "große Zelle + Full-tab-Technologie" grundsätzlich realisiert, aber bei der siliziumdotierten Anode und dem Trocken-Elektroden-Verfahren gab es bisher keine deutlichen Fortschritte.

Die Anode der ersten Generation der 4680-Batterie enthielt praktisch kein Silizium. Bei der zweiten Generation hat der Siliziumgehalt zwar zugenommen, liegt jedoch noch weit hinter dem Zielwert von 20 %.

Zurzeit liegt das Siliziumanteil in der Silizium-Kohlenstoff-Anode im Allgemeinen zwischen 5 % und 10 %. Ein hoher Siliziumgehalt erfordert immer noch die Lösung des Problems der Expansionsrate. Es gibt auch ein Problem, das keine Automobilhersteller gerne sehen möchten: Die Kosten für Silizium-Kohlenstoff-Anoden sind weit höher als die für herkömmlichen Graphit, was die Batteriekosten stark erhöht.

Das Trocken-Elektroden-Verfahren ist ein Mittel zur Kostensenkung, das die erhöhten Kosten der Silizium-Kohlenstoff-Anode ausgleichen kann. Doch die Serienproduktion ist fast während des gesamten Entwicklungsprozesses der 4680-Batterie schwierig.

Der Unterschied zwischen dem Nassverfahren und dem Trockenverfahren ist wie das Bestreichen eines Brotes mit Sahne und mit Sand. Natürlich ist das erstere einfacher. Unevenes Mischen der Rohstoffe und ungleichmäßiges Aufbringen können die Batterieleistung beeinträchtigen. Hinzu kommt die Eigenschaft der Kathodenmaterialien, dass sie "spröde und teuer" sind, was auch die Produktionsausrüstung und die Ausbeute herausfordert.

Im Juli 202