En elektrificerende startup

Det er den hurtigste elektriske motorcykel i verden. På en populær YouTube-video forsvinder den sorte dragster-cyklus næsten i en sky af røg, da chaufføren laver en burn-out og drejer baghjulet for at varme det op. Da røgen driver væk, sætter chaufføren sig på plads og trykker på en kontakt, og cyklen suser fremad og accelererer til 60 miles i timen på mindre end et sekund. Syv sekunder senere krydser den kvartmile-mærket med 168 miles i timen – hurtigt nok til at konkurrere med gasdrevne dragstere.

Sidepåvirkning: Et batteri designet af A123 Systems til GM's Volt elektriske køretøj kan overleve en knusende sikkerhedstest. Påvirkningen med høj hastighed kunne have fået andre lithium-ion-batterier til at overophedes og antændes.

Det, der driver Killacycle, er et nyt lithium-ion-batteri udviklet af A123 Systems, en startup i Watertown, MA – en af ​​en håndfuld virksomheder, der arbejder med lignende teknologi. Virksomhedens batterier lagrer mere end dobbelt så meget energi som nikkel-metalhydrid-batterier, den type, der bruges i nutidens hybridbiler, mens de leverer de strømudbrud, der er nødvendige for høj ydeevne. En radikalt modificeret version af de lithium-ion-batterier, der bruges i bærbar elektronik, kan teknologien sætte gang i det længe sprudlende elbilsmarked, som i dag repræsenterer en lille brøkdel af 1 procent af bilsalget i USA. Især A123s batterier har tiltrukket sig interesse fra General Motors, som tester dem som en måde at drive Volt på, en elbil med en benzingenerator; køretøjet forventes at gå i masseproduktion allerede i 2010.

Tidligere har bilproducenter givet elbilers dårlige salg skylden på deres blysyre- eller nikkel-metalhydridbatterier, som var så tunge, at de begrænsede køretøjernes rækkevidde og så omfangsrige, at de optog bagagerumsplads. Mens konventionelle lithium-ion-batterier er meget lettere og mere kompakte, er de ikke omkostningseffektive til elektriske køretøjer. Det skyldes delvist, at de bruger lithium-koboltoxid-elektroder, som kan være ustabile: batterier baseret på dem slides efter et par år og kan bryde i brand, hvis de punkteres, knuses, overoplades eller overophedes. Nogle bilproducenter har forsøgt at komme uden om disse problemer, men resultaterne har været dyre.

A123s batterier kunne endelig gøre lithium-ion-teknologi praktisk for bilindustrien. I stedet for koboltoxid bruger de et elektrodemateriale lavet af nanopartikler af lithiumjernfosfat modificeret med spormetaller. Det er usandsynligt, at de resulterende batterier går i brand, selvom de bliver knust i en ulykke. De er også meget hårdere end konventionelle lithium-ion-batterier: A123 forudser, at de vil holde længere end en bils typiske levetid.

Journalistens notesbog : Kevin Bullis

Batteriets løfte har gjort A123 til en af ​​de bedst finansierede teknologistartups i landet med $148 millioner i venturekapitalinvesteringer indtil videre. Med finansieringen har A123 forfulgt en ambitiøs forretningsplan, der kræver, at den gør alt fra at perfektionere materialet til at fremstille batterier og sælge dem til kunder i auto- og elværktøjsindustrien.

A123-batterierne til GM's Volt gemmer nok energi til 40 miles af kørsel, nok til at dække daglige pendlerture. (På længere ture ville den lille benzinmotor starte for at genoplade batteriet og udvide rækkevidden til mere end 400 miles.) GM planlægger at sælge køretøjerne for omkring $30.000 til $35.000; virksomheden tror, ​​at den kan sælge hundredtusindvis til den pris i de første år, og J. D. Power and Associates anslår, at GM vil sælge næsten 300.000 i 2014.

Multimedier

• Lær, hvordan forskellige slags hybrider fungerer ved hjælp af denne interaktive primer.

Materialer betyder noget
I begyndelsen af ​​2001 gik en 26-årig venezuelansk iværksætter ved navn Ric Fulop ind på Yet-Ming Chiangs kontor, en professor i materialevidenskab ved MIT, uden en aftale. Han dukkede bare op og bankede på døren, husker Chiang. Fulop, som allerede havde grundlagt tre venture-støttede virksomheder, ville have hjælp til at starte et batterifirma, og han vidste, at Chiang foretog batteriforskning, der involverede nanoteknologi. Chiang havde selv været med til at stifte en succesrig startup i slutningen af ​​1980'erne, men han brugte det meste af sin tid på at forske i nanoteknologi og kemien i avanceret keramik.

I efteråret havde Fulop og Chiang sammen med Bart Riley, en ingeniør Chiang kendte fra sit tidligere foretagende, stiftet A123 Systems. Planen var at kommercialisere en af ​​Chiangs mere radikale ideer: materialer, der, når de blev rørt sammen, spontant ville samle sig og danne et fungerende batteri. Processen lovede at mangedoble energilagringskapaciteten og samtidig sænke produktionsomkostningerne.

Chiangs store idé viste sig at være et hit hos investorer. Ved udgangen af ​​2001 havde en første finansieringsrunde indbragt $8,3 millioner fra forskellige venturekapitalfirmaer. Motorola og Qualcomm, fascineret af udsigten til bedre batterier til bærbar elektronik, tilføjede snart $4 millioner. Men det stod hurtigt klart, at et kommercielt selvsamlende batteri var år væk fra virkeligheden. Teknologien var stadig ret rudimentær, siger Chiang.

I begyndelsen af ​​2002 gjorde Chiang dog en overraskende opdagelse, som fuldstændig ville ændre virksomhedens retning. Han var begyndt at arbejde med lithiumjernfosfat, som er ugiftigt, sikkert og billigt i modsætning til de materialer, der bruges i andre lithium-ion-batterier. Men det så ud til at have nogle alvorlige ulemper. Det lagrer mindre energi end lithium cobalt oxid, elektrodematerialet i konventionelle lithium-ion batterier, så det virkede uegnet til brug i bærbar elektronik, hvor energilagring er altafgørende. Det oplader og aflades også langsomt, hvilket udelukker dets brug i højeffektapplikationer såsom hybride elektriske køretøjer; selv for fuldt elektriske biler, som bruger mange flere battericeller end hybrider, kunne materialet ikke levere nok strøm.

Så Chiang begyndte at ændre det ved at tilføje spormængder af metaller. Snart afladede materialet strøm med relativt høje hastigheder. I midten af ​​2002 fløj han til Monterey, Californien, for at præsentere sine resultater på en konference. Mens han var der, fortsatte en kandidatstuderende tilbage på MIT med at køre test. På det tidspunkt, hvor Chiang skulle tale, optrådte materialet med fire gange hastigheder, som han var kommet for at annoncere. På det tidspunkt vidste vi, at vi havde noget særligt, siger han.

Til sidst ville Chiang demonstrere, at materialet kunne levere strømudbrud med 10 gange hastigheden af ​​dem, der bruges i konventionelle lithium-ion-batterier. Efter at have studeret det højtydende materiale i detaljer, fastslog han, at det skyldte sin kraft både til størrelsen af ​​de partikler, han havde brugt (mindre end 100 nanometer) og tilsætningen af ​​de ekstra metaller. Kombinationen af ​​disse faktorer, siger han, forårsager en fundamental forskel i den måde, hvorpå atomerne, der udgør materialet, omarrangerer sig selv, når de modtager og frigiver en ladning.

Pakket sammen: A123s battericeller (ovenfor) er blevet integreret i en T-formet pakke udviklet af det tyske firma Continental.

I alle lithium-ion-batterier genereres elektricitet, når lithium-ioner pendler mellem to elektroder, mens elektroner bevæger sig gennem et eksternt kredsløb. I Chiangs tidlige eksperimenter med lithiumjernphosphat ville de dele af materialet, der indeholdt lithium, adskilles fra dem, der ikke gjorde det, da lithiumionerne bevægede sig ind og ud af en elektrode. Det ændrede den krystallinske struktur af materialet, og dets ydeevne blev forringet. Men Chiang opdagede, når partiklerne af lithiumjernfosfat er små nok - og elektroden er blevet modificeret eller dopet gennem tilsætning af andre metaller - ændres materialets krystallinske struktur langt mindre. Som et resultat kan lithium-ionerne bevæge sig hurtigere ind og ud uden at nedbryde materialet. Alt i alt fandt Chiang ud af, at det modificerede materiale oplades og aflades hurtigere end almindeligt lithiumjernfosfat, og det varede også længere.

Selvom det nye batterimateriale så ud til at være ekstraordinært, indså Chiang straks, at det ikke var ideelt til bærbar elektronik. Der så ikke ud til at være et klar marked for lette, kompakte batterier, der leverede store strømudbrud. Hybridbiler, en naturlig pasform, var først begyndt at dukke op på markedet. Hvad Chiang ikke vidste, var, at et større elværktøjsfirma arbejdede stille og roligt på en ny generation af akku-værktøj, og det havde problemer med at finde et batteri, der ville opfylde dets behov.

Kraftig start
I 2003 mødtes repræsentanter for Black and Decker med Fulop og A123s administrerende direktør, Dave Vieau, og fortalte dem, at de ønskede at lave ledningsfrit elværktøj, der ville yde bedre end værktøj, der er sat i væggen. A123s materiale virkede som en perfekt pasform. I korte stød kan den levere mere strøm end et husstandskredsløb. Og det havde andre funktioner, der ville være attraktive på en byggeplads. Det kunne genoplades hurtigt (til 80 procent af kapaciteten på 12 minutter eller mindre), og i modsætning til batterier lavet med lithium-koboltoxid, kunne det overleve hård behandling uden at gå i brand.

Det var i hvert fald teorien. Da Fulop og Vieau første gang mødtes med Black og Decker, havde de kun en model af en battericelle, et halvt gram materiale og en PowerPoint-præsentation. Hvad Black and Decker havde brug for var et firma, der kunne producere millioner af batterier. Der var stor vægt på materialet, men det, vi skulle lære at gøre, er at konstruere hele cellen, siger Chiang.

Inden for et år efter at have underskrevet sin indledende aftale med Black and Decker, havde A123 imidlertid produceret et kommercielt muligt batteri. I november 2005 kom dets første produkter fra samlebånd i Asien. På mindre end tre år gik virksomheden fra at bygge et demonstrationsbatteri på størrelse med en mønt til at bygge 50 meter lange belægningsmaskiner og 28.000 kvadratmeter fabrikker drevet af hundredvis af ansatte. I 2006 købte kunderne deres batterier i en ny serie af professionelle værktøjer solgt af Black and Decker. Kort sagt, A123 fremstillede batterier med en rate på millioner om året.

Tysk bygget: Den T-formede pakke (ovenfor) indeholder A123s battericeller. GM tester pakken under simulerede køreforhold, før den boltes ind i en el-køretøjsprototype.

Opladning af biler
I mellemtiden gentænkede GM sin teknologistrategi, da Toyota begyndte at dominere hybridbilsbranchen. En hybrid bruger kun et batteri en del af tiden og er afhængig af en benzinmotor for meget af sin kraft. GM besluttede at udvikle en bil, der ville give sine kunder mulighed for helt at stoppe med at bruge benzin til de fleste daglige kørsel. Men for at klare det, havde bilproducenten brug for et højtydende, pålideligt batteri. Og for det drejede det sig til A123.

GM vidste, at de ønskede at bruge lithium-ion-batterier på grund af deres lagerkapacitet, siger Denise Gray, GM's direktør for energilagringssystemer. Men den vidste også, at eksisterende teknologi ikke ville gøre tricket. Selvom et lithium-ion-batteri til bærbar computer kan overleve 500 komplette op- og afladningscyklusser, før dets kapacitet svinder, er der ingen bilejere, der ønsker at købe et nyt batteri hver 18. måned. Ifølge A123's fremskrivninger skulle dens batterier dog kunne levere mere end 15 års daglige opladninger. Og ud over at være sikrere end andre lithium-ion-batterier, fungerer A123'erne ved en lavere temperatur, hvilket gør det nemmere at pakke hundredvis af dem sammen til en stor batteripakke, siger Gray.

Hvor A123s elværktøjsbatterier er cylindriske, er batteriet, det udviklede til Volt, fladt, for at spare plads og mere effektivt aflede varme. Cellerne er blevet samlet til komplette batteripakker, som er T-formede og næsten to meter lange. Til foråret vil batterierne blive boltet ind i køretøjsprototyper til vejtest. Og senere i år planlægger A123 at øge produktionen af ​​batterierne for at imødekomme den forventede efterspørgsel. De første biler, der er drevet af A123-teknologi, kan rulle ud af samlebånd i 2010. (GM tester også batterier fra et andet firma og kan bruge batterier fra et af eller begge firmaer).

Hvis Volt er populær, kan elbiler endelig begynde at tage fart - og det kan reducere drivhusgasemissioner og olieforbrug. En nylig undersøgelse foretaget af Electric Power Research Institute og Natural Resources Defense Council antyder, at elektriske køretøjer svarende til GM's biler kan eliminere milliarder af tons drivhusgasemissioner mellem 2010 og 2050. En undersøgelse foretaget af General Electric viser, at hvis halvdelen af ​​køretøjerne kører på vejen i 2030 er elektrisk drevet, vil olieforbruget i USA skrumpe med seks millioner tønder om dagen.

Og batterier som A123's kan have konsekvenser langt ud over Volt. Selv biler med forbrændingsmotorer er ved at blive konstrueret til at stole mere på elektricitet: De enkleste eksempler involverer batterier, der genoplades af opladede generatorer, der ville gøre det muligt for en bil at slukke for sin motor, når den nærmer sig et stoplys og genstarte, når føreren trykker på speederen . I konventionelle hybrider kan versioner af A123s batterier levere lige så meget strøm som nikkel-metalhydrid-batterier med en femtedel af vægten. De nye batterier kan også gavne plug-in hybrider, som kan genoplades fra en almindelig stikkontakt. Faktisk kan A123's batterier bruges i en plug-in version af Saturn Vue hybrid SUV'en, der udkommer i 2010.

Uanset deres design, vil fremtidige biler sandsynligvis være meget mere afhængige af elektricitet. Vi er der ikke endnu, siger Chiang. Der er ikke volt over det hele. Men potentialet til at have en stor indflydelse, både på olieforsyningsspørgsmålet og drivhusgasser – jeg havde ikke forestillet mig, at vi ville være i stand til at gøre det. I hvert fald ikke, da jeg begyndte at arbejde på batterier.

Kevin Bullis er BØRN redaktør for nanoteknologi og materialevidenskab.

skjule