211service.com
Hurtig test giver højenergi-batterimaterialer
Ved at bruge en ny automatiseret tilgang til hurtigt at bygge og teste tusindvis af battericeller har Wildcat Discovery Technologies, en startup i San Diego, Californien, udviklet nye materialer, der kan øge lagerkapaciteten af lithium-ion-batterier til biler og bærbar elektronik med mere end 25 procent.
Batteri fab: Dette kabinet rummer automatiseret udstyr til at bygge og teste hundredvis af batterier om ugen. Hvert batteri er lavet af forskellige eksperimentelle materialer.
Batterier baseret på de nye materialer kan udvide rækkevidden af elektriske køretøjer eller give bilproducenter mulighed for at bevare den samme rækkevidde, men bruge færre battericeller, og dermed reducere omkostningerne til batteripakken, en elbils dyreste del. Der skal stadig arbejdes på at forbedre holdbarheden af de nye materialer, men resultaterne giver validering for Wildcats high-throughput screeningsteknik, der gør det muligt for forskere hurtigt at sortere gennem kombinationer af materialer.
High-throughput screening er almindelig i lægemiddel- og kemisk industri for at opdage nye forbindelser og katalysatorer, og teknikken har gjort indhug i batteriudvikling. Det, der gør Wildcats proces anderledes, er, at den laver komplette battericeller, ikke kun individuelle dele af cellerne, såsom elektroderne. Dette er vigtigt, fordi ydeevnen af et givet materiale i cellen afhænger af, hvordan det interagerer med de andre dele. Med konventionelle tilgange får du en masse falske positive og falske negative, siger Steven Kaye , Wildcats videnskabelige chef. Et elektrodemateriale, der ser lovende ud i sig selv, kan fejle i en komplet celle, da det interagerer med elektrolytter, additiver og den modsatte elektrode, siger han. Og en, der ser middelmådig ud, kunne forbedres markant, når den blandes med andre materialer i en celle.
Wildcats nye materiale, en variant af lithiumkoboltfosfat, er et, der normalt ville være blevet afvist, fordi det fungerer ved en spænding, der hurtigt ødelægger batteriets elektrolyt, væsken, der leder lithiumioner mellem elektroderne. Men forskerne parrede materialet med mange nye elektrolytopskrifter og opdagede til sidst en, der kunne overleve højspændingen. I alt screenede virksomheden 4.000 materialer over en periode på omkring fire måneder for at finde dem, der virkede.
Processen begynder med den automatiske blanding af flydende prækursormaterialer, efterfulgt af produktionen af elektrodepulvere med forskellige egenskaber, dannelsen af elektrodefilm og kombinationen af elektroderne, separatoren og elektrolytterne i en møntcelle af den slags, der findes i ur. batterier. Disse celler testes, og de bedste forbedres.
Evnen til at sortere gennem tusindvis af materialekombinationer og inkorporere dem i komplette battericeller er ret imponerende, siger Jeff Dahn , en professor i fysik ved Dalhousie University, der bruger high-throughput metoder til at studere batterimaterialer. De er nået langt på kort tid, siger han.
Wildcat blev grundlagt i 2006 og har rejst 16,5 millioner dollars i venturefinansiering. Det har også indtægter fra mere end 40 forskningsprojekter med store producenter. Dets grundlæggere omfatter Peter Schultz, professor ved Scripps Research Institute og en pioner inden for kombinatorisk kemi med høj gennemstrømning.
Battericeller, der bruger Wildcats nye materialer, vil lagre omkring 60 procent mere energi i volumen end lithium jernfosfat celler, en type, der bruges af elbilproducenter. Sammenlignet med nogle batterier med højere energi, der kunne være i næste generations elektriske køretøjer, såsom dem, der bruger en blanding af nikkel, mangan og kobolt, kan de nye materialer give en energistigning på mere end 25 procent i volumen, siger Kaye .
Det er ikke klart, hvordan materialerne vil påvirke de samlede batteriomkostninger. Kapacitetsforbedringen vil sænke omkostningerne, og den højere spænding i cellerne vil forenkle ledningsføringen i batteripakker, hvilket også vil reducere omkostningerne, men brugen af kobolt vil gøre dem dyrere end lithiumjernfosfat. For at reducere omkostningerne arbejder virksomheden på elektrodematerialer, der erstatter nikkel med kobolt.
De nye elektrolytformuleringer, som virksomheden har udviklet, kunne åbne muligheden for at bruge andre relativt højspændingselektrodematerialer, herunder en klasse af materialer kaldet fluorfosfater, der, når de parres med højtydende modsatte elektroder, kan så meget som fordoble batterikapaciteten, Kaye siger.
Virksomheden producerer i øjeblikket testbatches af sine nye materialer og håber at licensere teknologien til materiale- og batterivirksomheder, men materialernes holdbarhed mangler stadig at blive forbedret. Efter 150 opladningscyklusser er elektrodematerialets kapacitet faldet med 20 procent. Til brug i bærbar elektronik skal batteriet holde i et par hundrede cyklusser. For elbiler skal batteriet beholde 80 procent af sin lagerkapacitet i tusindvis af cyklusser.