テスラの新しいテーブルレスバッテリーが新たなレベルのパフォーマンスを解放

Telsa は、Panasonic、LG、CATL などのメーカーとの提携を通じて、世界最大のバッテリー購入者の 1 つです。 電気自動車と電力貯蔵の需要が増加し続けているため、より多くのセルを求める彼らの終わりのない欲求がすぐに満たされる可能性は低いです。

Battery Day の基調講演で発表されたように、Tesla は 2030 年までに年間生産量 3 TWh という目標を達成するために、バッテリー技術を次のレベルに引き上げるための幅広いプロジェクトに熱心に取り組んでいます。この中で最も興味深い側面の 1 つは、テスラの新しいテーブルレス 4680 バッテリーの発表。これは自社で製造されます。 4680 がなぜこれほどエキサイティングなのか、またテーブルを廃止することがなぜそれほど重要なのかを見てみましょう。

テスラは、他のメーカーが主に角柱型のデザインを使用している中、バッテリーパックに円筒型セルの使用に断固としてこだわっているという点で、電気自動車メーカーの中でもやや独特です。 ラップトップ メーカーや懐中電灯メーカーに人気の由緒ある 18650 から始まり、テスラはその後、より大型の 21700 バッテリーの使用に移行しました。これは、フォーム ファクターが大きいほど各セルの容量が大きいことを意味します。 これらのセルを構築するには、アノード材料とカソード材料の細長いシートを間にセパレータ材料を挟んで重ね合わせ、次に円筒形本体の内側に収まるように「ゼリーロール」に巻きます。 アノードとカソードにはそれぞれ、通常は丸めたシートの中央に小さなタブがあり、電池の外側ケースの端子に電力を供給します。

これらの小さなタブは、さまざまな方法で円筒形のセルを保持します。 アノードとカソードの面積が大きいにもかかわらず、バッテリーに出入りするすべての電流は幅わずか数ミリメートルの一対のタブを通過する必要があるため、これらはセルに出入りする電流のボトルネックとして機能します。 ジェリーロールの外側領域からの電子は、セル端子に到達するまでにかなりの距離を移動する必要があり、21700 個のセルでは電気経路長は最大 250 mm になります。 この経路長の増加は抵抗の増加を意味し、それに応じて熱性能にも影響を及ぼします。 さらに、タブのせいで、アノードシートとカソードシートを高速で効果的に生産する努力が妨げられ、突起した特徴に対処するために生産機械が停止と起動を繰り返しなければなりません。

テスラはこれまで、18650 セルからより大型の 21700 設計に移行して性能を向上させてきましたが、セル サイズをさらに拡大する取り組みは壁に突き当たりました。 セルが大きければ、より多くのエネルギーを蓄え、生産コストを削減できますが、熱の問題により、充電時間と放電速度に悪影響が及ぶ可能性があります。 セルが大きくなると経路長が長くなり、抵抗が高くなるとセルあたりの出力が少なくなり、充電が遅くなります。 テスラの急速充電技術があっても、多くの人は依然として電気自動車の充電が遅すぎると考えているため、これは価値のないトレードオフの 1 つでした。

「テーブルレス」バッテリーを入力してください。 小さな電池タブをアノードとカソードにそれぞれ取り付けるのではなく、アノードとカソードの箔全体をレーザーでパターン化し、その全長に沿って本質的に多数の小さなタブを持たせるように加工します。 製造プロセスの後半で個別のタブを手動で取り付けるステップを置き換えます。

アノード、カソード、セパレータをすべて一緒に巻き上げると、これらの多くの小さなタブが平らになって「屋根付き螺旋」を形成し、活電池材料とケーシングの間にはるかに大きな接触面積が形成されます。 これは、電子が移動する経路長が大幅に短縮されることを意味します。 テスラは、以前の設計と比較して 5 倍もの削減効果があると見積もっています。 これは、電子が単一タブの接続に到達するために最初にシートの中心まで遠回りする必要がなくなり、バッテリー端子に向かって直接移動できるようになったという事実によるものです。

最終的に完成したのが 4680 セルで、その直径 46 mm、長さ 80 mm にちなんで名付けられました。 これは 5 桁の命名法からの逸脱ですが、テスラ社内では 18650 セルの末尾にゼロが付いている理由を誰も理解できなかったため、同社は新しいセルの名称からそれを削除しました。 新しいセルは、サイズが大きいため、以前の設計の 5 倍のエネルギーを含むと主張されています。 さらに良いことに、テスラは、テーブルレス構造の電気経路長の短縮により、より優れた熱性能を可能にし、最大 6 倍の電力を供給できると主張しています。 テスラの自動車用パックの 4680 セルへの切り替えにより、航続距離が最大 16% 向上する可能性があると推定されています。この分野での自動車メーカーのすでに素晴らしい数字を考えると、これは印象的な数字です。 たとえば、次期モデル S プレイドは、4680 セルを使用して 520 マイルの航続距離があると主張しています。

新しいデザインは生産面でもメリットをもたらします。 個別のタブを取り付けるのではなく、アノードとカソードをレーザーでパターニングして直接接続することにより、製紙技術と同様に連続ロール加工で材料を取り扱うことができます。 これにより、各アノードおよびカソードシートにタブを取り付けるために機械が継続的に加速および減速する必要がなくなり、機械が継続的に高速で移動できるため、生産速度の大幅な向上が期待できます。 需要を満たすためにより多くのバッテリーを生産するというテスラの目標は、現在の生産技術では実際には達成不可能であるため、処理と生産速度の改善がこの問題を解決する鍵となります。 これはコスト削減にもつながり、25,000ドルの価格帯でより入手しやすい電気自動車を生産するという同社の取り組みの主要な部分となる。

これらの新しいセルは、エネルギー密度が高く、出力が大きいため、ハッカーやメーカーの巨大な市場にアピールするでしょう。 しかし、テスラの基調講演全体を通じて一貫したテーマは、現状ではニーズを満たすのに十分なバッテリーを調達できないということでした。 テスラは全供給を自社の社内使用のために保管しているため、テーブルレス電池が一般市場に投入されるまでには数年かかると思われます。 他のメーカーも、提供される利益を理由に同様の技術の開発に躍起になるだろうが、これには時間がかかり、それまでの間、最高の円筒型セルを求める個人は、地元の解体場に新しいテスラが現れるのを待たなければならないだろう。

テーブルレス技術の発表は、テスラのバッテリーデー発表の一部にすぎませんでした。 世界的な需要を満たすために電池の生産量を増やすという同社の高い目標を達成するために、アノードとカソードの化学反応や生産技術など、他の分野での進歩を図るための取り組みが継続中である。 電気輸送とパワーウォール グリッド ストレージが本当に世界を変えるのであれば、このようなプロジェクトが成果を上げる必要があります。そうしないと、車に搭載するバッテリーがなくなってしまいます。