TESLA Battery Day

Tesla Battery Day (Batarya Günü) organizasyonu ile şirketin mevcut durumunu ve yakın gelecekte devreye almayı planladıkları yeni teknolojilerini tüm dünyaya duyurdu. 22 Eylül 2020’de yapılan sunumda Elon Musk üzerinde çalıştıkları yeni batarya teknolojileri ve gelişmiş üretim metotlarıyla elektrikli araçların önündeki en büyük engellerden biri olan batarya maliyetlerinde 56%’lık bir ucuzlama sağlayacaklarının; bununla birlikte araç menzillerinin de 54% oranında uzayacağının sözünü verdi.  Özellikle elektrikli araç ve batarya camiasının merakla beklediği organizasyonda tüm ekosistemi etkileyecek teknolojilerin detayları açıklandı.

Tesla Ne Hedefliyor?

Tesla’nın elektrikli araç (EV) teknolojilerine yaptığı katkılarla tüm dünyada bu teknolojiye geçişi hızlandırdığı bir gerçek. Tesla bugüne kadar 1 milyondan fazla EV satışı gerçekleştirmiş ve bu araçlar toplam 41.8milyar kilometre (26milyar mil) yol yapmıştır. Bu rakamlar hem Tesla’nın EV sektörünü nasıl domine ettiğinin hem de ne kadar ciddi bir bilgi (knowhow/big data) biriktirdiğinin göstergeleridir. İşin Ar-Ge ve teknoloji kısmında büyük yol kat etmiş olan Tesla’nın yeni stratejisi bu bilgi birkimini de kullanarak mevcut işlerini ölçeklendirebilmek; yani işleri büyütmek, üretim adetlerini arttırmak, daha geniş pazarlara yayılmak ve daha çok müşteriye ulaşabilmek. 

Ölçek Ekonomisi Nedir?

Bir üretim ya da hizmetin daha fazla ya da geniş çaplı gerçekleştirilmesi durumunda birim maliyetin düşmesi ve maliyet avantajı getirmesi durumudur. Daha fazla üretim yapan ya da daha fazla tesiste hizmet veren bir firmanın diğer rakiplerine göre daha düşük maliyetler ile çalışması beklenmelidir.

Tesla Battery Day sunuşunda yeni hedeflerini elektrikli araç ekonomisini ölçeklendirmek olarak açıkladı. Günümüzde bunu gerçekleştirmenin önünde iki büyük engel bulunuyor.

Sorun-1 Mevcut Üretim Kapasiteleri

Günümüz batarya üretim tesisleri gerektiği kadar ölçeklendirilemiyor. Tesla yakın gelecekte yıllık 20TWh üretim kapasitesine ulaşmayı hedeflerken bunu günümüz tesis kapasiteleri (1Giga factory=0,15 TWh) ile sağlamaya kalkarsak 135 adet Nevada fabrikasına ihtiyaç duyacaklarını açıklıyorlar. Buradaki tek kısıt 135 tane fabrika kurmak için gereken para değildir. Asıl mesele bu fabrikaları kurmak, açmak, işletmek için gereken emek, zaman ve insan kaynağının karşılanabilir seviyelerde olmamasıdır.

Sorun-2 Batarya Maliyetleri

Uygun fiyatlı arabalar yapmak ve bu sayede daha fazla müşteriye ulaşmak için atılması gereken en büyük adım daha makul fiyatlı batarya hücrelerini yapabilmek olarak karşımıza çıkıyor. Tesla batarya hücrelerinin maliyetlerini başta hızlı bir şekilde düşürmeyi başarmışken geldiğimiz noktada bu iyileşme trendinin yavaşladığını dolayısı ile yeni teknoloji ve yaklaşımlarla ucuzlamayı yeniden hızlandırmaları gerektiğini açıklıyor. 

Tesla Battery Day ‘de Ne Oldu?

Ölçek ekonomisi önündeki sorunlarımızın tümünü çözecek tek bir sihirli formül (şimdilik) yok. Tesla bu amaçla tasarımdan üretime her süreci en başından ele alarak arabaları, bataryaları ve fabrikaları en baştan tasarlamayı hedefliyor. Bunun için 5 adımlı bir planları var. 

• Yeni Hücre Dizaynı
• Yeni Batarya Fabrika Tasarımı
• Yeni Anot Formülasyonu
• Yeni Katot Formülasyonu
• Batarya-Araç Entegrasyonunun İyileştirilmesi

Yeni Hücre Dizaynı

Tesla araçlarında silindirik batarya tasarımını kullanıyor. En basit haliyle anot, katot ve bunları ayıran seperatör katmanından oluşan 3 tabakanın bir rulo halinde sarılarak bir muhafaza içine konulması sonucu oluşan hücre tipi olarak açıklayabiliriz. 

Tesla Model S ve Model X’de 1865 model silindirik batarya hücrelerini kullanmış. 2017 senesine gelindiğinde 2170 serisi hücrelere geçiş yapılmış. Bu yeni hücre modeli Tesla mühendislerine +50% enerji kapasitesi sağlamış. 

Hücrelerin havalı model numaraları aslında çok basit bir mantıktan yola çıkılarak belirlenmiş. İlk iki rakam silindirik hücrenin çapını son iki rakam ise yüksekliğini gösteriyor. Örnek olarak; 2170 model hücrelerin çapı 21mm, yüksekliği ise 70mm.

Tesla hücreler üzerine yaptığı araştırmalarda görmüş ki boyutlar büyüdükçe birim maliyetler düşüyor. Yani daha büyük silindirik hücreleri daha ucuza üretebiliyorar. Elbette büyümeyle birlikte ısınma gibi bazı sorunlar da beraberinde geliyor. Çalışmalar göstermiş ki 46mm çap ideal maliyet vs performans değerini veriyor. 

Boyut artışı ile birlikte gelen ısınma sorununa da bir çözüm geliştirilmiş; tab’sız hücre tasarımı. Hepimiz kalem pillerin pozitif ucundaki küçük metal çıkıntıyı biliriz. İşte tab burası. Hücrenin tüm gövdesinde üretilen elektrik akımı ufacık bir kutup başından dışarıya aktarılmaya çalışıldığında burada bir trafik yani direnç oluşuyor. Bu da ısınmaya ve kayıplara neden oluyor. Tesla yeni tab’sız hücre tasarımı ile (ki Tesla’nın bu konuda patent aldığını biliyoruz) bu sorunun üstesinden geldiğini açıkladı. Üretilen elektrik akımının pilden çıkışı 50mm’lik bir tab yerine 250mm’lik bir kesitten oluyor. Bu da direnci düşürüyor, kayıpları azaltıyor. 

Yeni 4680 Batarya Hücresi

Battery Day ‘de duyurusu yapılan 4680 model hücre tasarımı sayesinde 16%’lık bir menzil artışı sağlanacağı açıklandı. Üstelik bunu kimyasal kompozisyonda herhangi bir geliştirme yapmadan; sadece yukarıda açıkladığım yapısal değişikliklerle sağlamışlar. Elon Musk bunun kağıt üzerinde bir konsept olmadığını pilot üretim hattının bunun için şimdiden hazır olduğunu ve 1 yıl içinde 10Gwh/yıl kapasite ile üretime geçebileceklerini üstüne basarak açıkladı.

Tüm bunların sonucunda Tesla Battery Day sunuşunda yeni hücre dizaynı sayesinde 14% $/kWh maliyet düşüşü sağlayacaklarını duyurdu.

Yeni Fabrika Tasarımı

Elon Musk batarya üretim süreçlerinin gelişime çok açık olduğunu, burada hala bir çok iyileştirme fırsatı gördüklerini söyledi. Battery Day sunuşunda dikkat çektikleri ilk nokta aktif materyallerin folyo tabakaları üzerine kaplanması süreci oldu. Bu işlem için şu an “wet process-electrode coating” metodu kullanılıyor. Yani toz halindeki anot ve katot malzemeler su ve bazı solventler ile karıştırılarak bir çeşit macun haline getirildikten sonra kaplanacak folyoların yüzeyine uygulanıyor. Ardından kurutmak için uzun bir hat ve proses gerekiyor. Solventin saklanması, uygulanması ve geri dönüştürülmesi hepsi meşakatli işler. 

Tesla Battery Day sunuşunda artık kuru kaplama metodu kullanacaklarını açıkladı. Toz halindeki malzemeler doğrudan folyo yüzeyine uygulanabilecek. Bu sayede hem gerekli fabrika alanının hem de enerji ihtiyacının 10 kat azalatacağı öngörülüyor. Elon Musk bu prosesi pilot üretim hattında uyguladıklarını ve başarılı olduklarını duyurdu.

Tesla gözünü bu tip inovatif teknolojileri üreten diğer şirketlerden asla ayırmıyor. Kuru elektrot kaplama metodu da bunun bir sonucu. Tesla 2019’da bir kapasitör üreticisi olan Maxwell Tech’i satın almıştı. Bu sayede Maxwell’in sahip olduğu kuru elektrot kaplama konseptini geliştirdi ve üretim hatlarında kullanılabilir seviyeye getirdi.

Tesla’nın hücre üretim süreçlerindeki diğer yeniliği ise yüksek hızlı – sürekli montaj hattı (high speed continuous motion assembly). Bu sayede hattın montaj hızı 7 kat artmış ve tek bir üretim hattında 20GWh kapasitesine ulaşmışlar. İşleri büyütmek ve ölçek ekonomisinin gereklerini sağlamak için önemli bir adım. Bu iyileşmeler sonucunda Tesla’nın planı 2022’de 100GWh/yıl, 2030’da 3TWh/yıl üretim kapasitesine ulaşmak. 

Tesla Battery Day ‘de paylaştığı bu yenilikler sayesinde hücre maliyetlerinde 18% azalma hedeflediğini paylaştı.

Yeni Anot Formülasyonu

Silisyum grafite oranla 9 kat daha fazla lityum depolayabilir. Üstelik doğada bol bulunur ve ucuzdur. Bu açıdan ideal bir anot malzemesi olarak görülür. Ancak şarj-deşarj çevrimleri sırasında hacimsel olarak genişleyip daraldığından zamanla yapısında micro çatlaklar oluşur, yapısal bütünlüğü bozulur. Bu da enerji depolama kapasitesini düşürür. Silisin bu dezavantajlarını ortadan kaldırmak için uygulanan kompleks yöntemler ve pahalı malzemeler ise işin ölçeklendirilebilir olmasına engeldir.

Lityum İyon Bataryalar Hakkında Bilmek İstedikleriniz!

Tesla Battery Day ‘de fazla detay vermese de bunu basit ve ucuz bir şekilde yapmayı başardığını iddia etti. Silisyumu polimer bir kaplama ve yüksek elastikliğe sahip bağlayıcı malzemeler ile birlikte kullandıklarında olumlu sonuç aldıklarını duyurdular. Bu sayede araçların menzilinde 20% artış ve hücre maliyetinde 5% azalma hedeflediklerini açıkladılar. 

Yeni Katot Formülasyonu

Tıpkı anot gibi katot katmanında da amaçlanan zamanla bozulmayan ve özelliğini kaybetmeyen bir yapı elde etmek. Bu amaçla kullanılan temel malzemelerden olan nikel ucuz ve yüksek enerji yoğunluğu sağlıyor. Kobalt ise pahalı ama sağlam, bozulmayan bir yapı oluşturuyor. Dolayısı ile amaç nikelin zamanla özelliğini kaybetme sorununu çözecek bir yaklaşım geliştirebilmek.

Tesla bu amaçla “High nickel cathode development” projesi ile batarya hücrelerinde nikel kullanımını maksimum seviyeye çıkartmak ve kobalt içeriğini çok azaltmak veya tamamen kaldırmak hedefinde. Bunun için 3 aşamalı bir geçiş planlıyorlar. Bunlar; demir temelli katot formülasyonu kullanmak -> Nikel+Manganez ortak kullanımı -> Yüksek nikelli katot formülasyonu. Tesla’nın öngörüsü bu iyileştirmeler sonucunda %15 $/kWh maliyet düşüşü sağlayacakları yönünde. 2016 senesinden beri Tesla ile ortak projeler yürüten ünlü Kanadalı Professor Jeff Danh’nın çalışmaları bu konudaki hamleleri doğrudan etkileyecektir. Bakalım Jeff Dahn yakın gelecekteki makalelerinde bizlere hangi gelişmelerin duyurusunu yapacak.

Tesla Battery Day ‘de yine detayına çok girmeden katot levha üretim proseslerinde de iyileştirmelere gittiğini duyurdu. Katot maliyetinin 35%’i üretim prosesinden geliyor. Tesla yatırım maliyetlerini 66%, proses maliyetlerini 76% düşüren yeni bir imalat yöntemi bulduğunu paylaştı. Üretimde doğrudan nikel tozu kullanılan bu yöntem 12% maliyet düşüşü vaad ediyor.

Batarya-Araç Entegrasyonunun İyileştirilmesi

Günümüzdeki elektrikli otomobillerin bazıları zaten var olan içten yanmalı otomobil platformlarının modifiye edilmesi ile elektrikli araca dönüştürülürken önemli bir kısmı da sıfırdan bir elektrikli araç olarak tasarlanıyor. Her iki yöntemde de üzerinde en çok kafa yorulan konulardan biri batarya paketinin nereye konulacağı oluyor. Zira hem hacim hem de ağırlık olarak ciddi rakamlara ulaşan batarya paketine uygun bir yer bulmak ciddi bir mühendislik çalışması gerekiyor. Tesla yeni nesil tasarımlarında batarya paketini harici olarak tasarlanan ve sonradan getirilip araç gövdesine takılan bir sistem olmaktan çıkartmayı hedefliyor. Elon Musk Battery Day’deki sunuşunda bu konuyu uçak kanatlarından örnek vererek  açıkladı. Bildiğiniz gibi uçak kanatları aynı zamanda yakıt deposu olarak da görev yaparlar. bu iş için ayrıca systemin tasarlanması gerek kalmaz. Bu sayede tasarım yalınlaşır, ağırlık azalır, menzil uzar. 

Tesla Model S batarya paketinin toplam ağırlığı yaklaşık 600kg’dır. Bunun sadece 350kg’ı batarya hücrelerinden oluşur. Geri kalanı yapısal parçalar ve diğer sistemlerin (soğutma vb.) ağırlığıdır. Batarya paketini aynı bir sistem olarak üretip araca takmak yerine araç mimarisinin bir parçası olarak tasarlayabildiğinizde sistem basitleşiyor, kullanılan parça sayısı azalıyor, boyutlar küçülüyor, ağırlık azalıyor, ağırlı merkezi yere daha yakın bir konuma geliyor ve tabii ki maliyet düşüyor. Tesla bu tasarım stratejisi ile %7 $/kWh azalma hedefliyor.

Tesla Battery Day – Özet

Tüm bu yeniliklerin hayata geçirilmesi halinde;

• Hücre maliyetinde ($/kWh) 56% azalma
• Araç menzilinde 54% iyileşme
• Yatırım maliyetlerinde 69% azalma

Elon Musk tüm bu projelerin hayata geçirilmesi için yaklaşık 3 yıla ihtiyaç duyacaklarını bunun sonucunda şirketin ana hedefi olan 25.000$’lık elektrikli otomobilin gerçekleştirilebilir olacağını duyurdu.

Sonuç

İnovasyon Tesla’nın genlerinde olan bir kavram. Önceliğini güç elektroniği, batarya teknolojileri ve otonom sürüş konularını geliştirmek olarak belirlemiş bir şirket. Zamanını, parasını bu alanlarda harcıyor. Diğer OEM’lerin önem verdiği bazı konuları ikinci plana atmış durumda. Şimdilik bir Porche Taycan kadar kaliteli döşemelere ya da Jaguar I-Pace kadar göz alıcı bir iç tasarıma sahip olmayabilir. Ancak bunlar nasıl yapılacağı bilinen konular. Gerekli yatırım yapıldığında kolaylıkla erişilebilir. Ama Tesla’nın ilerlediği alanlar için diğer OEM’lerin farkı kapatması bu kadar kolay olmayabilir.

Tesla Battery Day ‘de hedefinin sadece yeni otomobil teknolojileri geliştirmek olmadığını bu işi daha geniş pazarlara yaymak ve daha çok kişiye ulaştırmak için maliyet optimizasyonuna ve yeni imalat teknolojilerine de kafa yorduğunu tüm dünyaya gösterdi. Bakalım elektrikli araç işini ölçeklendirme hedeflerine ulaşabilecekler mi? İzleyip göreceğiz. 

Referanslar

Onur Ceylan, Ölçek Ekonomileri, Piyasa Rehberi , https://piyasarehberi.org/sozluk/olcek-ekonomileri#:~:text=Bir%20%C3%BCretim%20ya%20da%20hizmetin,d%C3%BC%C5%9F%C3%BCk%20maliyetler%20ile%20%C3%A7al%C4%B1%C5%9Fmas%C4%B1%20beklenmelidir

 Emir Tunçyürek, Tesla Turk, https://www.youtube.com/watch?v=V_jy_9QQqD4

Emir Tunçyürek, Tesla Turk, https://www.youtube.com/watch?v=-WqQsTJqZ1s

Tesla, 2020 Annual Shareholder Meeting and Battery Day, https://www.youtube.com/watch?v=l6T9xIeZTds