Denne batterifremgang kan gøre elbiler langt billigere

De er nanoteknologier

I de sidste syv år har en startup baseret i Alameda, Californien, stille og roligt arbejdet på et nyt anodemateriale, der lover at øge ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier markant.

Sila Nanotechnologies kom ud af stealth-tilstand i sidste måned, og samarbejdede med BMW om at placere virksomhedens siliciumbaserede anodematerialer i mindst nogle af den tyske bilproducents elektriske køretøjer inden 2023. En talsmand for BMW fortalte det Wall Street Journal virksomheden forventer, at aftalen vil føre til en stigning på 10 til 15 procent i mængden af ​​energi, du kan pakke ind i en battericelle med en given volumen. Silas administrerende direktør Gene Berdichevsky siger, at materialerne i sidste ende kan producere så meget som en forbedring på 40 procent (se 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).

For elbiler forlænger en stigning i den såkaldte energitæthed enten den mulige kilometerrækkevidde betydeligt på en enkelt opladning eller reducerer prisen på de batterier, der er nødvendige for at nå standardområder. For forbrugergadgets kan det lindre frustrationen af ​​mobiltelefoner, der ikke kan klare sig hele dagen, eller det kan muliggøre strømkrævende næste generations funktioner som større kameraer eller ultrahurtige 5G-netværk.

Forskere har brugt årtier på at arbejde på at fremme mulighederne for lithium-ion-batterier, men disse gevinster kommer normalt kun et par procentpoint ad gangen. Så hvordan tog Sila Nanotechnologies så stort et spring?

Berdichevsky, som var medarbejder nummer syv hos Tesla, og CTO Gleb Yushin , professor i materialevidenskab ved Georgia Institute of Technology, gav for nylig en dybere forklaring af batteriteknologien i et interview med MIT Technology Review .

Sila medstiftere (fra venstre mod højre), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky og Alex Jacobs. Sila Nanoteknologier

En anode er batteriets negative elektrode, som i dette tilfælde lagrer lithium-ioner, når et batteri oplades. Ingeniører har længe troet, at silicium har et stort potentiale som anodemateriale af en simpel grund: det kan binde sig til 25 gange flere lithiumioner end grafit, det vigtigste materiale, der bruges i lithium-ion-batterier i dag.

Men dette kommer med en stor fangst. Når silicium rummer så mange lithiumioner, udvider dets volumen, hvilket belaster materialet på en måde, der har en tendens til at få det til at smuldre under opladning. Denne hævelse udløser også elektrokemiske bivirkninger, der reducerer batteriets ydeevne.

I 2010 var Yushin medforfatter til en videnskabelig papir der identificerede en metode til fremstilling af stive siliciumbaserede nanopartikler, der er internt porøse nok til at rumme betydelige volumenændringer. Han slog sig sammen med Berdichevsky og en anden tidligere Tesla-batteriingeniør, Alex Jacobs, for at danne Sila året efter.

Virksomheden har arbejdet på at kommercialisere det grundlæggende koncept lige siden, udviklet, produceret og testet titusindvis af forskellige varianter af stadig mere sofistikerede anode-nanopartikler. Den fandt ud af måder at ændre den interne struktur på for at forhindre batterielektrolytten i at sive ind i partiklerne, og den opnåede snesevis af trinvise gevinster i energitæthed, der i sidste ende tilføjede en forbedring på omkring 20 procent i forhold til den bedste eksisterende teknologi.

I sidste ende skabte Sila en robust sfærisk partikel i mikrometerstørrelse med en porøs kerne, som leder meget af hævelsen ind i den indre struktur. Ydersiden af ​​partiklen ændrer ikke form eller størrelse under opladning, hvilket ellers sikrer normal ydeevne og cykluslevetid.

De resulterende kompositanodepulvere fungerer som drop-in-materiale for eksisterende producenter af lithium-ion-celler.

Med enhver ny batteriteknologi tager det mindst fem år at arbejde gennem bilindustriens kvalitets- og sikkerhedssikringsprocesser – deraf 2023-tidslinjen med BMW. Men Sila er på et hurtigere spor med forbrugerelektronik, hvor de forventer at se produkter med batterimaterialer på hylderne i begyndelsen af ​​næste år.

Venkat Viswanathan, en maskiningeniør hos Carnegie Mellon, siger, at Sila gør store fremskridt. Men han advarer om, at gevinster i én batterimåling ofte kommer på bekostning af andre – såsom sikkerhed, opladningstid eller cykluslevetid – og at det, der fungerer i laboratoriet, ikke altid oversættes perfekt til slutprodukter.

Virksomheder inklusive Enovix og Enevate udvikler også siliciumdominerende anodematerialer. I mellemtiden forfølger andre virksomheder helt andre veje til lager med højere kapacitet, især inklusive solid-state batterier. Disse bruger materialer som glas, keramik eller polymerer til at erstatte flydende elektrolytter, som hjælper med at transportere lithiumioner mellem katoden og anoden.

Det har BMW også indgået partnerskab med Solid Power, en spinout fra University of Colorado Boulder, som hævder, at dens solid-state-teknologi, der er afhængig af lithium-metalanoder, kan lagre to til tre gange mere energi end traditionelle lithium-ion-batterier. I mellemtiden Ionic Materials, som for nylig hævet $65 millioner fra Dyson og andre, har udviklet en solid polymerelektrolyt, som den hævder vil muliggøre sikrere, billigere batterier, der kan fungere ved stuetemperatur og også vil fungere med lithiummetal.

Nogle batterieksperter mener, at solid state-teknologi i sidste ende lover større gevinster i energitæthed, hvis forskere kan overvinde nogle store resterende tekniske forhindringer.

Men Berdichevsky understreger, at Silas materialer er klar til produkter nu, og i modsætning til solid-state lithium-metal batterier, kræver det ingen dyre udstyrsopgraderinger fra batteriproducenternes side.

Efterhånden som virksomheden udvikler yderligere måder til at begrænse volumenændringer i de siliciumbaserede partikler, mener Berdichevsky og Yushin, at de vil være i stand til at udvide energitætheden yderligere, samtidig med at de forbedrer opladningstider og den samlede cykluslevetid.

Denne historie blev opdateret for at tydeliggøre, at Samsung ikke investerede i Ionic Materials seneste finansieringsrunde.

skjule