Forscher der RWTH Aachen haben die Vorzeige-Akkus von Tesla und BYD zerlegt, analysiert und miteinander verglichen. Das Ergebnis überrascht.
Tesla und BYD zählen zu den größten Herstellern von batterieelektrischen Fahrzeugen überhaupt. Doch beim Kernthema – der Zelltechnologie ihrer Batterien – gibt es nur wenige öffentlich zugängliche und detaillierte technische Daten. Wie sich etwa der Aufbau, die Zusammensetzung oder gar die Zellchemie unterscheiden, konnte man bisher nur spekulieren. Jetzt hat ein Team der RWTH Aachen sowohl die 4680er-Zellen von Tesla als auch die Blade-Batterie von BYD zerlegt und die beiden Akkus miteinander verglichen.
Zylindrische NMC-Zellen gegen Eisen-Klingen
Die Forscher des Lehrstuhls "Production Engineering of E-Mobility Components" (PEM) kamen dabei gleich zu mehreren interessanten Ergebnissen. Doch zunächst zu den grundsätzlichen Unterschieden beider Zell-Typen. Bei Tesla’s 4680 handelt es sich um eine eine zylindrische Zelle (Nickel-Mangan-Cobalt-Chemie, NMC) mit einem Durchmesser von 46 Millimetern und einer Höhe von 80 Millimetern – daher der Name. Diese Zelle wird in verschiedenen Tesla-Fabriken wie Texas, Kalifornien oder Shanghai hergestellt und etwa im Tesla Model Y verbaut.
BYD setzt bei der Blade-Batterie dagegen auf eine ganz andere Philosophie. Der chinesische Konzern ist bekannt dafür, dass er fast ausschließlich sogenannte LFP-Batterien einsetzt. LFP steht dabei für das Kathoden-Material Lithium-Eisenphosphat. Diese besondere Form der Lithium-Ionen-Akkus kommt dabei ohne giftige Schwermetalle wie Nickel, Cobalt oder Cadmium aus. Bei der sogenannten Blade-Batterie reiht BYD schmale Batteriezellen wie Schwertklingen (Blades) aneinander.
Erste Überraschung: kein Silizium in Anoden
Was zu erwarten war, belegt die chemische Analyse direkt: Bei Teslas 4680-Zellen steht eine hohe Energiedichte im Vordergrund, während bei der Blade-Zelle von BYD die Volumeneffizienz und kostengünstigere Materialien bedeutsamer sind. Hinzu kommen deutliche Unterschiede bei der Herstellung. Für die 4680-Zelle verwendet Tesla ausschließlich Laserschweißen – BYD hingegen verwendet für die Blade-Zelle sowohl Laser- als auch Ultraschallschweißen als Elektroden-Kontaktierungstechnologie.
Dazu bestätigt die RWTH Aachen die Hersteller-Angaben zu Lithiumeisenphosphat von BYD und NMC811 von Tesla. Die Energiedichten betragen auf Zellebene 160 Wh/kg und 355,26 Wh/l bei BYD und 241,01 Wh/kg und 643,3 Wh/l bei Tesla. Erste Überraschung: Beide Zellen verwenden Graphitanoden ohne Siliziumdioxid. "Wir waren überrascht, dass in den Anoden beider Batterien kein Silizium enthalten ist – vor allem bei Teslas Zelle, da Silizium in der Forschung weithin als Schlüsselmaterial zur Erhöhung der Energiedichte gilt", sagt PEM-Leitungsmitglied Professor Heiner Heimes.
Erhebliche Unterschiede bei Ladegeschwindigkeit
Die Forschenden fanden zudem heraus, dass die beiden "hochgradig innovativen" und "grundlegend unterschiedlich designten" Batterietypen erhebliche Unterschiede in der Geschwindigkeit aufweisen, mit der sie sich im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität aufladen oder entladen lassen. Der Studie zufolge liegt der Blade-Zelle von BYD eine besondere Methode zugrunde, bei der durch Laminierung der Separatorkanten die Anoden und Kathoden im Elektrodenstapel in idealer Position zueinander fixiert werden.
Die Tesla-Batterie nutze indes ein neuartiges Bindemittel, das die aktiven Materialien in den Elektroden zusammenhält. Die Batterien wiesen allerdings auch unerwartete Ähnlichkeiten auf: So wurden ihre dünnen Elektrodenfolien jeweils mit dem noch ungewöhnlichen Laserschweißen anstatt mit dem marktüblichen Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Und: "Obwohl die Zelle von BYD viel größer ist als die von Tesla, ist der Anteil der passiven Zellkomponenten wie Stromabnehmer, Gehäuse und Stromschienen ähnlich", sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker.
LFP-Batterie von BYD effizienter als Tesla 4680
Dass der LFP-Blade-Akku allerdings effizienter sein soll, ist die nächste Überraschung der Studie. Das liegt laut RWTH am besseren Wärmemanagement. Vergleicht man etwa die spezifische Erwärmung pro Volumen, erzeugt die Tesla 4680-Zelle etwa die doppelte Wärmemenge, die bei einer Last von 1 C abgeführt werden muss. Wenn man also ein Auto mit der exakt selben Leistung hat, müsste die für die Tesla 4680-Zellen erforderliche Kühlung etwa doppelt so viel Wärme pro Volumen abführen wie die BYD-Zelle bei derselben Last. Daher ist das LFP-Elektrodendesign für die Entwicklung einer Kühlstrategie für schnelles Laden günstiger.
Um den thermischen Wirkungsgrad der Zellen zu vergleichen, wurde der interne Gleichstromwiderstand der Zelle bei 10 % Ladezustand (SOC) und 10 °C, 20 °C und 40 °C für beide Zellen charakterisiert. Der Zellwiderstand der Tesla 4680 steigt bei hohen SOC-Werten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, während der Zellwiderstand der BYD Blade-Zelle bei höheren SOC-Werten sinkt. An dieser Stelle empfehlen die Forscher weitere Untersuchungen, um die Ursachen dafür zu ermitteln. Wer sich näher für die technische Analyse interessiert, findet eine ausführliche Auswertung im "Cell Reports Physical Science." © auto motor und sport
