Arkiv / Teknik

Att bygga batterifabrik…

Creative commons license

Nyligen presenterade Tesla sina planer på att bygga Gigafactory . Det var inte bara Teslas aktie som ökade efter presskonferensen, utan även för de tre största litiumproducenterna i världen steg aktierna med 5-10 %. [ref]Tesla Plans Boosting Lithium ETF (LIT, TSLA, ROC, FMC, SQM). Fox Business. 28 feb 2014. länk [/ref]
Intresset är stort.
Ett av de stora målen med Teslas batterifabrik är att samla hela kedjan av produktionsled under ett och samma tak. Detta i kombination med en storskalig produktion ska kunna sänka kostnaden för det färdiga batterisystemet med 30 %.
Är detta rimligt? I Tyskland är det många som jobbar för fullt med att räkna på batteriproduktion, kostnader och produktionsvolymer. M+W rapporterade redan för ett år sedan att man genom att öka den årliga produktionen med en faktor 10 (från 0,1 till 1 GWh) kan cellkostnadens sänkas med 25 %.
Är det rimligt att bygga batterifabrik på tre år?
Planen är att Gigafactory ska stå klar 2017 och ska förse Tesla med batterisystem till alla sina modeller. Full kapacitet kommer man ha 2020, då Tesla antar att de årligen kommer sälja 500.000 bilar. Om Gigafactory ska förse alla dessa bilar med batterisystem är idagsläget oklart. Under uppbyggnaden av Gigafactory kommer Tesla fortsätta att köpa celler från Panasonic, och planen är att under de kommande fyra åren köpa 1,8 miljarder celler (ja, du läste rätt) från Panasonic. Med lite baklängesräkning blir det ca 250.000 bilar. Oklart är om Tesla anlitar fler leverantörer innan Gigafactory står klar, eller om 250.000 bilar är enligt plan.
Vad är det då som kostar? Cirka 65 % av kostnaderna går till utrusning och cirka 20 % till anläggningen, enligt siffror från tyska M+W. [ref]Smart EV and HEV Battery Production; Darmstadt, Tyskland 2013[/ref]. Hur man bygger fabriken spelar stor roll för både kostnad och kvalitet.
Att tillverka en cell är ett gediget hantverk och bygger på erfarenhet. Då man vill få in så lite vatten som möjligt i cellen (typ ett fåtal ppm) sker många av delstegen i renrumsmiljö. Med en smart renrumsdesign kan man lätt sänka anläggningskostnaderna med 20 % hävdar Fraunhofer. [3] Man kan dela in cellproduktionen i tre huvudsteg: elektrodtillverkning, cellproduktion och formering.
Elektroderna tillverkas genom att man blandar katodmaterialet med finfördelat kol (oftast carbon black), ett bindemedel och lösningsmedel. Denna slurry belägger man sedan på en tunn metallfolie (koppar för anoden och aluminium för katoden). Ofta gör man kilometerlånga folier som efter beläggning torkas, pressas och klipps till i rätt format. Tjockleken, porositeten, densiteten och ytstrukturen på filmen är avgörande för cellens prestanda och livslängd. Lite grovt kan man säga att ju tjockare film desto mer energi och ju tunnare ju mer optimerad för höga och snabba strömmar.
Sammansättningen av cellen görs sedan genom att man staplar/rullar elektroderna till det format/prestanda cellen ska ha, kontaktorer sammanfogas och allt packas in i ett ytterskal. Slutligen fyller man på elektrolyten innan cellen tillsluts.
Sista steget är formeringen av cellen och kan bestå av att man upprepande cyklar cellen och lagrar den t.ex. vid förhöjd temperatur. Allt för att man ska få så bra gränsytor mellan alla ingående delar i cellen som möjligt. I vissa fall har man ett steg där man släpper ut gas som bildats under formeringscyklingen.
Många produktionssteg är dock länkade och påverkar varandra starkt. Ändrar man på ett steg kan det få konsekvenser på flera parametrar senare i produktionskedjan. Sedan tillkommer modulsammansätttning, montering av elektronik, kylsystem mm innan man har ett färdigt batterisystem.
Att få allt detta att stämma på en treårsperiod låter optimistiskt. Tesla måste därför under en längre tid designat sin fabrik och slutit de avtal man behöver. Det som känns mest troligt är att Tesla har en partner för Gigafactory som är en van tillverkare av Li-batterier till fordon. Att denna partner är Panasonic är kanske ingen högoddsare, men än är inget bekräftat. Det borde dock inte vara helt problemfritt att kopiera en fabrik. Finns det redan personal som ’går i lära’ hos Panasonic? Då byggnaden inte är klar än så blir det nog bråda, och spännande, dagar i Gigafactory framöver.
Vill Tesla säkra materialleveranser?
Att samla allt som rör batteriproduktion under samma tak kan ha sina fördelar. Tesla kan på så sätt vara säkra på att de hela tiden har samma kvalitet och egenskaper hos de ingående materialen; katodmaterial, elektroder och elektrolyten. För att över tid få en jämn och tillförlitlig prestanda och kvalitet på cellerna bör man t.ex. inte ändra sitt elektrodmaterial. En ny leverantör som på pappret säljer exakt samma material (kemi, partikelstorlek, kristallinitet, ytarea, osv) kan ge helt annorlunda resultat på cellnivå. Därför krävs det en hel del intrimning för att ändra på någon del.
Angående framtida materialåtgång tror Avicenne att det 2025 behövs 330.000 ton katodmaterial. [3] Fabriker med årlig produktion på 300 ton per år är inte ovanligt. Att nu Tesla tänker göra sina egna material är inte helt orimligt, men hinner de till 2017?
Att ta kontrollen över materialinnehållet i cellen kan vara ett strategiskt steg för Tesla. Grovt räknat bör materialkostnaderna utgöra >80% för att sänka kostnaderna rejält på cellnivå. Det är framför allt katodmaterialet som kostar; ca 50 % av materialkostnaden.
Fler satsningar på elektrod- och elektrolyttillverkning
Nyligen meddelade Ford att de satsar $120.000 i forskning och utveckling kring framställning av elektrodmaterial. Detta gör man tillsammans med Kentucky-Argonne Battery Manufacturing Research Center. [ref]Ford Awards Automotive Research Grant to Kentucky. 14 feb 2014. länk[/ref].
”We are focusing the research here on how the battery electrodes are made”, sa Ted Miller, senior manager of energy storage and materials strategy and research. ”The trick is to make the slurry uniform and applying it evenly… and… is an important piece of the battery technology puzzle”.
Centret, som skapades 2012, har som mål att nåla fast USA som en ledande batteriproducent. Bland annat är Hitachi och Toyota sponsorer.
Att gå från kassettband till batterimaterial är inte så långt. Vet man bara hur man kan göra kilometerlånga ytbeläggningar så har man en bra grund för batteritillverkning. Detta är något som BASF insett och nu tar man nästa steg i att ytterligare förstå samspelet mellan alla delkomponenter i en Li-joncell. Nyligen öppnade man sin första R&D-anläggning i Asia Pasific, och man säger att man investerat ”several million euros”. [ref]BASF inaugurates Battery Materials R&D and Application Center in Amagasaki, Japan. BASF Pressrelease. 5 feb 2014. länk[/ref]. Anläggningen i Amagasaki i Japan är BASFs sjätte produktion-/R&D-anläggning för batterimaterial. 2020 antar BASF att de kommer ha en omsättning på 500 miljoner Euro bara inom batterimaterialområdet. En stor del kommer de att ta hem genom att licensiera ut sin teknologi.
Egna kommentarer
Låt oss hoppas att Tesla lyckas. Det mesta tyder på att Tesla inte behöver bygga 500.000 system för att nå målet 30 % lägre batterikostnad. Svårare är att se hur och om tidsplanen går ihop. Det mesta tyder på att de har en stark och kunnig partner. Kan det vara Panasonic? Någon av de koreanska batterijättarna?
Tesla har, som ett fåtal andra ledande elbilstillverkare, insett systemdesign börjar med celldesign.
Tyskland satsar oerhört på batteriområdet. När byggs den första Gigafactory i Tyskland?