211service.com
Dette super-energitætte batteri kan næsten fordoble rækkevidden af elektriske køretøjer
QuantumScapes enkeltlags, solid-state lithium-metal battericelle. Høflighed: QuantumScape
Forskere har længe set lithium-metal-batterier som en ideel teknologi til energilagring, der udnytter det letteste metal i det periodiske system til at levere celler propfyldt med energi.
Men forskere og virksomheder har forsøgt og fejlet i årtier for at producere overkommelige, genopladelige versioner, der ikke havde en grim vane med at gå i brand.
Så tidligere på året hævdede Jagdeep Singh, den administrerende direktør for QuantumScape i et interview med The Mobilist at den stærkt finansierede, snigende Silicon Valley-virksomhed havde knækket de vigtigste tekniske udfordringer. Han tilføjede, at VW forventer at have batterierne i sine biler og lastbiler i 2025, og lover at reducere omkostningerne og øge rækkevidden af sine elektriske køretøjer.
Efter at have været børsnoteret i november er QuantumScape nu vurderet til omkring 20 milliarder dollars, på trods af at der endnu ikke er noget produkt eller omsætning (og ingen forventning om, at det vil ske før 2024 ). VW har investeret mere end 300 millioner dollars i virksomheden og har skabt et joint venture med QuantumScape til at fremstille batterierne. Virksomheden har også rejst hundredvis af millioner fra andre store investorer.
Alligevel havde Singh indtil nu afsløret få detaljer om batteriet, hvilket fik forskere, rivaler og journalister til at gennemsøge patentansøgninger, investordokumenter og andre kilder for at finde spor om, hvad virksomheden præcist havde opnået - og hvordan.
I en pressemeddelelse tirsdag den 8. december leverede QuantumScape endelig tekniske resultater fra laboratorietests. Dens teknologi er et delvist solid state-batteri, hvilket betyder, at det bruger en fast elektrolyt i stedet for den væske, som de fleste batterier er afhængige af for at fremme bevægelsen af ladede atomer gennem enheden.
Adskillige forskere og virksomheder udforsker solid state-teknologi til en række batterikemier, fordi denne tilgang har potentialet til at forbedre sikkerheden og energitætheden, selvom det har vist sig vanskeligt at udvikle en praktisk version.
Virksomheden, der er baseret i San Jose, Californien, tilbageholder stadig visse detaljer om sit batteri, herunder nogle af de vigtigste materialer og processer, det bruger for at få det til at fungere. Og nogle eksperter er fortsat skeptiske at QuantumScape virkelig har adresseret de vanskelige tekniske udfordringer, der ville gøre et lithium-metalbatteri muligt i erhvervskøretøjer i de næste fem år.
Test resultater
I et interview med MIT Technology Review siger Singh, at virksomheden har vist, at dens batterier effektivt vil opfylde fem centrale forbrugerbehov, som hidtil har forhindret elektriske køretøjer i at overgå 2 % af salget af nye biler i USA : lavere omkostninger, større rækkevidde, kortere opladningstider, længere samlet levetid på vejen og forbedret sikkerhed.
Ethvert batteri, der kan opfylde disse krav, kan virkelig åbne 98 % af markedet på en måde, som du ikke kan i dag, siger han.
Jagdeep Singh, CEO for QuantumScape
Faktisk er QuantumScapes præstationsresultater bemærkelsesværdige.
Batterierne kan oplades til 80 % kapacitet på mindre end 15 minutter. (MotorTrend fundet at Teslas V3 Supercharger tog en Model 3 fra 5 % til 90 % på 37 minutter, i en test sidste år.) Og de bevarer mere end 80 % af deres kapacitet over 800 opladningscyklusser, hvilket nogenlunde svarer til at køre 240.000 miles. Faktisk viser batteriet lidt nedbrydning, selv når det udsættes for aggressive opladnings- og afladningscyklusser.
Endelig siger virksomheden, at batteriet er designet til at opnå køreområder, der kunne overstige elbiler med standard lithium-ion-batterier med mere end 80 % - selvom dette ikke er blevet testet direkte endnu.
Dataene fra QuantumScape er ret imponerende, siger Paul Albertus, assisterende professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of Maryland og tidligere programdirektør for ARPA-E's solid-state-fokuserede IONICS-program, som ikke har nogen tilknytning eller økonomisk relation til virksomheden.
Virksomheden er gået meget længere end andre ting, jeg har set i lithium-metal-batterier, tilføjer han: De har løbet et maraton, mens alle andre har lavet en 5K.
Hvordan det virker
Så hvordan opnåede de alt dette?
I et standard lithium-ion-batteri i en elbil i dag er den ene af de to elektroder (anoden) for det meste lavet af grafit, som nemt gemmer de lithium-ioner, der pendler frem og tilbage gennem batteriet. I et lithium-metalbatteri er den anode lavet af selve lithium. Det betyder, at næsten hver eneste elektron kan sættes i gang med at lagre energi, hvilket er det, der står for det større energitæthedspotentiale.
Men det skaber et par store udfordringer. Den første er, at metallet er meget reaktivt, så hvis det kommer i kontakt med en væske, inklusive elektrolytten, der understøtter bevægelsen af disse ioner i de fleste batterier, kan det udløse sidereaktioner, der nedbryder batteriet eller får det til at forbrænde. Den anden er, at strømmen af lithiumioner kan danne nålelignende formationer kendt som dendritter, som kan punktere separatoren i midten af batteriet og kortslutte cellen.
I årenes løb har disse problemer fået forskere til at forsøge at udvikle faststofelektrolytter, der ikke er reaktive med lithiummetal, ved hjælp af keramik, polymerer og andre materialer.
En af QuantumScapes nøgleinnovationer var at udvikle en solid-state keramisk elektrolyt, der også fungerer som separator. Bare et par titus af mikrometer tykt undertrykker den dannelsen af dendritter, mens den stadig tillader lithiumioner at passere let frem og tilbage. (Elektrolytten i den anden ende af batteriet, katodesiden, er en gel af en eller anden form, så det er ikke et fuldt solid-state batteri.)
Singh afviser at specificere det materiale, de bruger, og siger, at det er en af deres mest bevogtede forretningshemmeligheder. (Nogle batterieksperter mistænker , på grundlag af patentansøgninger, at det er et oxid kendt som LLZO.) At finde det tog fem år; at udvikle den rigtige sammensætning og fremstillingsproces for at forhindre defekter og dendritter tog yderligere fem.
Virksomheden mener, at overgangen til solid state-teknologi vil gøre batterierne mere sikre end lithium-ion-varianten på markedet i dag, hvilket stadig antænde af og til sig selv under ekstreme omstændigheder.
Det andet store fremskridt er, at batteriet er fremstillet uden en tydelig anode. (Se QuantumScape's video her for at få en bedre fornemmelse af dets anodefrie design.)
Når batteriet oplades, bevæger lithium-ionerne på katodesiden sig gennem separatoren og danner et helt fladt lag mellem det og den elektriske kontakt på enden af batteriet. Næsten alt det lithium vender derefter tilbage til katoden under afladningscyklussen. Dette eliminerer behovet for ethvert værtsanodemateriale, der ikke direkte bidrager til arbejdet med at lagre energi eller føre strøm, hvilket yderligere reducerer den nødvendige vægt og volumen. Det burde også reducere produktionsomkostningerne, siger virksomheden.
Resterende risici
Der er dog en hage: QuantumScapes resultater er fra laboratorietest udført på enkeltlagsceller. Et egentligt bilbatteri skal have snesevis af lag, der alle arbejder sammen. At komme fra pilotlinjen til kommerciel fremstilling er en betydelig udfordring inden for energilagring, og det punkt, hvor masser af engang lovende batteristartups har fejlet.
Albertus bemærker, at der er en rig historie med for tidlige påstande om batterigennembrud, så alle nye bliver mødt med skepsis. Han så gerne, at QuantumScape underkaster virksomhedens celler den slags uafhængige tests, som nationale laboratorier udfører under standardiserede forhold.
Andre brancheobservatører har udtrykt tvivl om, at virksomheden kunne opnå de opskalerings- og sikkerhedstest, der kræves for at sætte batterier i køretøjer på vejen inden 2025, hvis virksomheden kun har nøje testet enkeltlagsceller indtil videre.
Sila Nanotechnologies, en rivaliserende batteristartup under udvikling en anden slags energitætte anodematerialer til lithium-ion-batterier, frigivet en hvidt papir en dag før Mobilist-historien, der fremhæver en række tekniske udfordringer for solid-state lithium-metal-batterier. Det bemærker, at mange af de teoretiske fordele ved lithium-metal indsnævres, efterhånden som virksomheder arbejder hen imod kommercielle batterier, givet alle de yderligere foranstaltninger, der kræves for at få dem til at fungere.
Men avisen understreger, at den sværeste del vil være at møde markedsudfordringen: at konkurrere med den massive globale infrastruktur, der allerede er på plads, for at hente, producere, sende og installere lithium-ion-batterier.
Massive indsatser
Andre iagttagere siger dog, at de seneste fremskridt på området indikerer både, at lithium-metal-batterier væsentligt vil overgå energitætheden af lithium-ion-teknologi, og at problemerne, der holder feltet op, kan løses.
Det plejede at være, om vi vil have lithium-metal-batterier; nu er det et spørgsmål om, hvornår vi får dem, siger Venkat Viswanathan, en lektor ved Carnegie Mellon, som har forsket i lithium-metal-batterier (og har lavet konsulentarbejde for QuantumScape).
Singh erkendte, at virksomheden stadig står over for udfordringer, men han insisterer på, at de vedrører ingeniørarbejde og opskalering af produktion. Han mener ikke, at der er behov for yderligere gennembrud i kemien.
Han bemærkede også, at virksomheden nu har mere 1 milliard dollars, hvilket giver den en betydelig bane for at komme til kommerciel produktion.
På spørgsmålet om, hvorfor journalister skulle have tillid til virksomhedens resultater uden at få gavn af uafhængige resultater, understregede Singh, at han deler så meget af dataene, som han kan, for at være gennemsigtig. Men han tilføjer, at QuantumScape ikke handler om akademisk forskning.
No offense, men vi er ligeglade med, hvad du synes, siger han. De mennesker, vi holder af, er vores kunder. De har set dataene, de har kørt testene i deres eget laboratorium, de har set det virker, og som følge heraf satser de massivt på dette firma. VW er gået all in.
Med andre ord, den virkelige test af, om QuantumScape har løst problemerne så fuldt ud, som det hævder, er, om den tyske bilgigant sætter biler udstyret med batterierne på vejen inden 2025.