Warum es so schwer ist Batterien in Massen zu produzieren. Batterien für Anfänger erklärt.

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Elon Musk gab an Teslas Battery Day zu verstehen: „Die Herstellung in großem Maßstab, insbesondere wenn es sich um eine neue Erfindung handelt, ist zwischen 1.000 und 10.000% schwieriger als ein Prototyp.“ In diesem Artikel werde ich versuchen zu erklären, warum. Die meisten Menschen, die Sie auf der Straße nach einer neuen Erfindung fragen, werden Ihnen sagen das die Erfindung selbst, und ein erster Prototyp das Schwierigste daran sei und die Herstellung danach nur noch eine Frage des Kapitals und der Ressourcen. Nichts könnte falscher und losgelöster von der Realität sein.

So wie viele Kinder in unseren Städten nicht mehr wirklich wissen, woher die Milch kommt (möglicherweise aus dem Lebensmittelladen?), so wissen ähnlich viele Menschen heute nicht mehr woher die Geräte kommen, die sie täglich benutzen. Die meisten haben noch nie eine Produktionsanlage von innen gesehen, und in einem YouTube Video, in dem alle Produktionslinien perfekt, schnell und sauber funktionieren sieht alles doch so einfach aus. In Wirklichkeit stehen die Produktionslinien für neue Produkte meistens still, weil etwas nicht so funktioniert, wie es sollte.

„Die Schlüsselerfindung nach einer Erfindung ist die Erfindung, wie man sie massenhaft herstellt. Wenn Sie das nicht beherrschen, ist Ihre Erfindung wertlos.“

Man spricht von dem Moment, in dem der Erfinder den Moment der Wahrheit hatte, als er die einzigartige Technologie, chemische oder physikalische Lösung fand, die ohne Zweifel ein erleuchtender Moment der Weisheit und Freude war. Worüber sie nicht sprechen, ist, warum die meisten Erfindungen nie in die Produktion und in die Hände der Verbraucher gelangen und wenn überhaupt, dann meistens erst Jahrzehnte später. Die meisten Erfindungen warten so lange, bis sie irgendwie in Masse reproduziert werden können, dass sie in Vergessenheit geraten sind, und das ist der Grund, warum die meisten Erfindungen wieder und wieder und wieder erfunden worden sind. Wie ist das möglich?

„Die Antwort liegt darin, dass es 1.000% bis 10.000% mal schwieriger ist, eine neue Erfindung in Serie herzustellen als einen Prototyp zu bauen.“

Fehlerfreie Serienfertigung der 4680-Batteriezellen ist ausschlaggebend für Teslas Zukunft

Eine neue Erfindung, die man der Öffentlichkeit mit einem Prototyp präsentiert, ist in der Regel handgemacht und auch irgendwie ein Stück Kunst. Es handelt sich um ein Unikat, und obwohl Sie natürlich mehr Fachkräfte einstellen könnten, die mehr davon herstellen, werden sie sehr teuer sein und daher für die Masse nicht erschwinglich bleiben. Handarbeit skaliert für ein preislich erschwingliches Produkt nicht. Genauso wichtig ist, dass sie keine einheitliche Qualität haben und die technischen Merkmale bei Handarbeit zu stark variieren. In der Welt der Batterien müssen die Produkte wie „Ein-Ei-Zwillinge“ sein, mit 100% immer derselben DNA, sonst ist das Risiko hoch, dass Ihr Batteriepack im Fahrzeug nicht funktioniert.

Jede einzelne Batterie mag für sich allein funktionieren, aber ist sie leicht unterschiedlich, kann dies beim Laden und Entladen einer ganzen Menge dieser Batterien zu Ungleichheiten und damit technischer Problemen führen. All dies macht die Produktion teuer und damit Ihr Produkt teuer. Wenn die Leute es sich nicht leisten können, weil es eher ein einzelnes Kunstwerk als ein Produkt ist, das man kaufen und benutzen kann, dann ist es buchstäblich eine wertlose Erfindung. Die Welt ist voll von wertlosen Erfindungen, die auf dem Papier und als Prototyp großartig aussehen, und Sie können sie sogar in kleinen Mengen produzieren, aber nicht mehr als das. Die Welt ist voll von vergessenen Erfindungen, über die heute niemand mehr spricht.

Tesla

Eine Erfindung, die etwas wert ist, ist eine Erfindung, die in hohen Stückzahlen zu niedrigen Stückkosten und innerhalb der festgelegten Qualitätsparameter und Spezifikationen hergestellt werden kann. Die meisten Erfindungen in der Welt haben diesen Test nie bestanden und verschwanden entweder, bis sie für immer in Vergessenheit gerieten oder bis sich die Fertigung und die Materialwissenschaft zu einer erforderlichen Qualität entwickelte.

Als Produktionsingenieur und später als Berater und Vertriebsmitarbeiter hatte ich den Luxus, die meisten großen deutschen Produktionsunternehmen zu besuchen, zu analysieren und sogar in ihnen zu arbeiten. Ich habe eine Menge über Produktion und Fertigung und ihre Herausforderungen gelernt, und das Beste daran ist, dass sie mich sogar dafür bezahlt haben, dass ich lernte, was sie tun. In meiner Kindheit sprach meine Familie bei jedem Mittagessen, wenn wir alle zusammenkamen, über die Optimierung der Produktion in unserer kleinen Familienfertigung. Man kann also mit Fug und Recht sagen, dass ich mit Produktion und Fertigung aufgewachsen bin.

Die Produktion wird unterschätzt, ist oft magisch, und sie findet an verborgenen Orten statt, welche die meisten Menschen noch nie gesehen haben. Wo auch immer Sie in diesem Moment sind, schauen Sie sich um und identifizieren Sie die Produkte, die Sie verwenden und die einst erfunden wurden, und fragen Sie sich, ob Sie wissen, wie sie heute hergestellt werden. Die meisten von Ihnen werden das verneinen, und selbst wenn Sie es wollten so können Sie es auch nicht wissen, weil Sie den Zugang zu den Produktionsanlagen schlicht nicht erhalten.

Als ich Ende September in Fremont, Kalifornien bei Tesla war, stand ich direkt vor den Produktionsanlagen der neuen 4680 Batterielinie und „wäre dafür gestorben“ sie sehen zu dürfen. Leider wurde mir aufgrund der CoVid-Sicherheitsvorschriften kein Zugang gewährt. Eines Tages werde ich aber die Gelegenheit haben, die am weitesten fortgeschrittene Giga-Fabrik von Tesla und ihre Batterieproduktion in Berlin zu sehen.

Tesla

Das Problem mit einer Erfindung ist also, dass man, um sie auf den Markt zu bringen, auch erfinden muss, wie sie hergestellt wird. Alle anderen Produkte um Sie herum haben Produktionsanlagen, die im Laufe der Jahre und Jahrzehnte mit kleinen Änderungen und Verbesserungen gebaut, verbessert und perfektioniert wurden. Eine wirklich neue Innovation wie die neue Batterie (scheinbar) ohne Kontakt von Tesla hat sehr viele Neuerungen bei der Herstellung die es zu meistern gilt. Wenn man das nicht schafft wird sie nie ein batterieelektrisches Fahrzeug betreiben oder eine Hausbatterie oder Industriebatterie werden.

Die Reichweite des Tesla Battery Day scheint nicht verstanden worden zu sein

Als Elon Musk und Drew Baglione auf der Bühne vor mir stehend am Battery Day darüber sprachen, wie schwer es ist und wie lange es dauern wird, ihre neue Erfindung in Serie zu produzieren, sprachen sie über die Erfindung der Massenfertigung innerhalb definierter Qualitätskriterien und technischer Spezifikationen. Sie sprachen nicht darüber, dass es schwierig ist, einige wenige Einheiten zu produzieren. Das ist von fast allen völlig missverstanden worden. Die Verwirrung ist noch verständlich aber darüber zu schreiben und zu reden als ob man verstanden hat ist es nicht. Es mag eine altmodische Einstellung sein aber ich glaube, wenn man erkennt das man nicht versteht sollte man bevor man darüber redet und schreibt erst einmal versuchen zu verstehen. Das habe ich bei den Medien, Journalisten und Analysten vermisst und vermisse es noch heute.

Insbesondere Batterien haben sehr geringe Toleranzen, um die technischen Anforderungen zu erfüllen, damit sie bei vielen Ladezyklen und unter verschiedenen Arbeitsbedingungen lang genug halten. Um dieses Risiko zu verringern, hat Tesla vor vielen Jahren begonnen, mit drei Batteriemodulen in einem Batteriepack zu arbeiten. Diese reduzieren das Risiko denn man ist nun in der Lage komplette fehlerhafte Module auszutauschen. Wie ein Legostein kann man ein Modul des Packs austauschen ohne Zerstörung des gesamten Akkus in Kauf nehmen zu müssen.

Mit der neuen, auf dem Battery Day, vorgestellten Batteriearchitektur gehören diese Module der Vergangenheit an denn sie werden alle gemeinsam in einem Gehäuse verbaut. Statt über 4.000 einzelne Batterien sind es jetzt, weil wesentlich grösser auch nur unter 100 Einheiten was die Komplexität der Montage reduziert aber die Anforderungen an eine perfekte Massenfertigung jeder einzelnen Zelle noch anspruchsvoller und schwieriger macht.

All das muss berücksichtigt werden, wenn man eine Massenproduktion erfindet, die wie auf einer deutschen Autobahn mit hoher Geschwindigkeit wie Wasser in einem schnellen Fluss fließen soll, ohne die kleinsten Staus, Stop and Go oder unerwartete Unfälle.

Die perfekte Massenproduktion gleicht dem perfekten Verkehrsablauf. Irgendwie.

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine endlose Reihe von Autos, die auf einer deutschen Autobahn mit 150 km/h mit kurzem Abstand zueinander fahren. Auf ihrer rechten und linken Seite haben sie Servicefahrzeuge mit derselben Geschwindigkeit, die Fahrzeugteile anmontieren, Schweißarbeiten ausführen, Luft in die Räder füllen, Software laden und andere komplexe Aufgaben bei 150 km/h ausführen, aber nur für Bruchteile einer Sekunde, bis sie zum nächsten Fahrzeug wechseln. Sie machen diesen Wechsel zum nächsten Fahrzeug und arbeiten so schnell, dass sie die ganze Zeit tatsächlich aber an der gleichen Stelle auf der Autobahn bleiben. Diese Autos sind unsere Batterien, und die Servicefahrzeuge sind die Werkzeuge an der Produktionslinie, die an diesen arbeiten.

Und nun stellen Sie sich vor, es passiert etwas Unerwartetes und ein erstes Auto trifft mit 150 km pro Stunde auf einen Gegenstand auf der Straße. Die Katastrophe beginnt und wir haben in kurzer Zeit eine Massenkarambolage mit Schäden nicht nur an den Fahrzeugen, sondern auch an den Servicefahrzeugen mit den Werkzeugen und natürlich an der Autobahn selbst.

Eine große Gruppe von Notfall- und Reparaturfahrzeugen wie Krankenwagen, Autotransporter, Kräne, Polizei, Reinigungskräfte und andere Reparaturdienste werden alarmiert, fahren zum Unfallort und reparieren und reinigen alles, bis die Autobahn wieder frei ist. Die Strecke ist gesperrt und es gibt keine Umleitung. Der Stau ist unglaublich lang, und alle sind schlecht gelaunt, während die Ursache, warum dieser Unfall passiert ist, noch nicht einmal analysiert und gefunden wurde. Je schneller und näher beieinander die Fahrzeuge sind, desto größer sind die Schäden und der Zeitverlust. Sie erleiden eine endlose Folge von Massenunfällen, und jede Verbesserung, die Sie umsetzen, ist eine Veränderung, die irgendwo anders wieder neue Probleme verursacht. Die Strecke steht die meiste Zeit still und es gibt keine Umleitung.

Jetzt kommen die klugen Ingenieure und versuchen herauszufinden, wie das passieren konnte und was geändert werden muss, um einen solch katastrophalen Massenunfall zu vermeiden. Die Ursache dafür zu finden, ist Arbeit, wie sie Sherlock Holmes leistet. Eine Lösung kann eine kleine zeitliche Werkzeuganpassung, eine Materialänderung oder eine Puffererhöhung sein, ohne dass der Erfolg sicher ist, weil dies noch nie zuvor jemand gemacht hat. Jedes Mal, wenn Sie eine Anpassung vornehmen, ist es das erste Mal und der Ausgang trotz aller Software-Simulationen ungewiss.

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Versuch und Irrtum ist das, was Sie tun. Ein langsames herantasten, an ein Optimum. Diese Unfälle passieren häufig und an unerwarteten Stellen. Die Produktionslinie muss, selbst wenn ein stabiler Prozess bekannt ist, kontinuierlich kalibriert, justiert, geändert und optimiert werden, bis Sie die perfekte Geschwindigkeit und Orchestrierung und Synchronisierung von Werkzeugen, Produkten und Bedingungen gefunden haben. All das ist eine wirkliche Kunst, und das lustige dabei ist, dass die Künstler Menschen sind, denen niemand jemals applaudiert und die niemand kennt. Wir werden sie nie in einer Talk-Show erleben, sie sind es aber die eine neue Erfindung zu uns bringen.

Jeder noch so kleine Stopp in der Massenproduktion ist eine Kosten- und Qualitätskatastrophe, da der Prozess für eine gute Qualität und Quantität einen konstanten Materialfluss mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfordert. Die Produktionsgeschwindigkeit ist hoch, während sich alle Batterien über die Linie bewegen, die Werkzeuge sie modifizieren und während der laufenden Produktion an ihnen arbeiten, und wenn nur eine kleine Millisekunde auf-kumuliert zu einem zeitlichen Versatz führt sind die entstandenen Schäden und Kosten exponentiell.

Eine geringe Temperaturänderung, ein menschliches Haar oder ein falsches Reinigungsmaterial können den nächsten katastrophalen Massenunfall auf unserer Autobahn verursachen. Je höher die Produktionsrate ist, und Tesla will sie so schnell machen, dass Ihre Augen die sich bewegenden Objekten nicht mehr folgen können, desto geringer muss die Abweichung sein, um einen Prozessunterbruch zu vermeiden.

„Aber wenn man alles richtigmacht und der Prozess nahtlos abläuft wie ein heißes Messer durch Butter gleitet, dann hat man die Erfindung geschafft, über die niemand sprechen wird, aber sie ist mindestens genauso wichtig, wenn nicht sogar wichtiger wie das erfundene Produkt selbst.“

Elon versuchte mit viel Mühe und Hilfe von Drew zu erklären, was sie erfunden haben und warum die Massenproduktion schwierig ist, und trotzdem hat das Publikum weder richtig zugehört noch verstanden was präsentiert wurde. Ich fühle mit ihm, weil ich in meinem Geschäftsleben in derselben Rolle war, um komplexe technische Sachverhalte zu erklären, sei es über Technologie, Datenanalyse oder Herausforderungen des Supply Chain Managements. All dies sind dynamische Herausforderungen, während wir Menschen eine DNA haben, die nur statische Fragen versteht. Deshalb zielen die meisten Menschen immer noch auf den Eishockey-Puck also wo er gerade ist, und nicht darauf, wo er sein wird. Wir Menschen wurden nicht konstruiert um dynamische Prozesse zu verstehen.

Wer es nicht verstehen will, wird es nicht verstehen. So einfach ist es!

Das schwierigste Problem ist jedoch nicht einmal die fehlende Ausbildung, mangelndes Grundverständnis oder die mangelnde Bereitschaft, sich im Vorfeld eines Ereignisses wie dem Battery Day auf Batterietechnologie vorzubereiten, sondern das schwierigste Problem ist das Senden und Empfangen von Informationen zwischen Menschen.

Unabhängig davon, wie sehr man sich bemüht eine komplexe Angelegenheit zu erklären, wird das, was man sendet, niemals empfangen werden, wenn das empfangende Element nicht offen oder bereit dazu ist.

Batterietechnologie und Massenfertigung klingt komplex, ist aber keine Raketenwissenschaft, die man jahrelang studieren muss, um sie zu verstehen. Jeder kann die Grundlagen mit gesundem Menschenverstand nachvollziehen man muss es aber wollen.

Die Analysten und Medienvertreter am Battery Day wollten nicht empfangen, was Elon gesendet hat, und dieses Muster beobachte ich seit Jahren. Wir haben gesehen, wie beim Autonomy Day und bei anderen Veranstaltungen derselbe Fehler passiert ist, und leider sehe ich nicht, dass sich das in Zukunft ändern wird.

Im Namen des Publikums, das ich zu vertreten hoffe, sind wir alle unglaublich dankbar, dass Tesla sich die Mühe gemacht hat, uns den meiner Meinung nach historischen Wendepunkt in der Batterietechnologie zu erklären, der zweifellos den Weg in eine nachhaltige Zukunft ebnen wird. Diese neue Technologie wird den Klimawandel stärker bekämpfen als jedes noch so sehr angekündigte Elektroauto oder Batteriefabrik weil es ein deutlich effizienteres Produkt mit deutlich geringeren Kosten ermöglicht.

Teslas Mission, den Wandel zum nachhaltigen Verkehr zu beschleunigen bedeutet geringere Kosten in der Produktion. Tesla hat in dieser Woche und zum wiederholten mal geringere Kosten durch geringere Preise an die Verbraucher weitergereicht.

Der Battery Day hat uns gezeigt das deutlich geringere Preise für die Produkte von Tesla in den nächsten Wochen, Monaten und Jahren zu erwarten sind.


Post Scriptum: Warum bin ich qualifiziert, über Produktion zu sprechen?

Ich bin als Kind in einer Produktionsumgebung aufgewachsen, in der meine Familie beim Mittagessen über Anpassungen des Produktionsprozesses und Produktivitätsverbesserungen diskutierte. Als Erwachsener habe ich selbst in der Produktion gearbeitet, und später als Ingenieur mit einem Abschluss in Produktionstechnologie verbrachte ich den größten Teil meines Lebens damit, tagelang in Produktionsstätten herumzulaufen um zu versuchen, technologische Prozesse und Verbesserungen in der Massenproduktion zu verstehen und Ratschläge zu geben es besser zu machen.

Die Produktion wurde dadurch irgendwie ein Teil von mir.


Dieser Artikel ist im Oktober 2020 auf der US Webseite www.cleantechnica.com erschienen und wurde in der heutigen deutschen Version mit aktuellen Zahlen, Inhalten und Informationen angepasst.

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Das Problem bei „dicken“ Zellen ist die die Temperierung und das die inneren Stromwege so lang sind, dass eine höhere Erwärmung durch den höheren Innenwiderstand die Folge ist. Deshalb werden bisher keine „dicken“ Zellen eingesetzt. Die Innovation ist ja, dass die Elektroden nicht mehr an einer Stelle, wie bisher, kontaktiert werden, sondern über die gesamte aufgewickelte Länge „tabless“. Dadruch werden die Probleme der „dicken“ Zellen überwunden. Dieses „tabless“ im industriellen Maßstab herzustellen ist die besondere Leistung.

Ich meine, dass EM das Ganze nicht besonders toll präsentiert hat, dass hat er schon besser gemacht. Ich meine, dass ist der Hauptgrund, warum der BD so schlecht aufgenommen wurde.

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