Hvorfor vi ikke har batterigennembrud

Et lovende fremskridt, der ikke blev til noget, antyder, hvad der skal til for at lave billige batterier til elbiler. Ved

• Kevin Bullis arkiv side

10. februar 2015

Elbiler er hurtige og støjsvage med en rækkevidde mere end lang nok til de fleste pendlerture. Hvis du vil have en bil med ekstrem hurtig acceleration, er Tesla Model S svær at slå. Og selvfølgelig undgår elektriske køretøjer den forurening, der er forbundet med konventionelle biler, herunder emissioner af kuldioxid fra afbrænding af benzin. Alligevel tegner de sig for en lille brøkdel af bilsalget, primært fordi batterierne, der driver dem, er dyre og skal genoplades ofte.

Et bedre batteri kunne ændre alt. Men selvom utallige gennembrud er blevet annonceret i løbet af det sidste årti, har disse fremskridt gang på gang ikke kunnet omsættes til kommercielle batterier med noget som de lovede forbedringer i omkostninger og energilagring. Nogle velfinansierede startups, især A123 Systems, begyndte med dristige påstande, men leverede ikke (se Hvad skete der med A123?).

Denne historie var en del af vores marts 2015-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Krafthuset, en ny bog af journalisten Steve LeVine, skildrer historien bag en af ​​de seneste års mest dramatiske batterimeddelelser og forklarer, hvordan det blev til ingenting (se The Sad Story of the Battery Breakthrough that Proved Too Good to Be True). Meddelelsen blev fremsat i februar 2012 på en konference i Washington, DC, hvor en skare af forskere, iværksættere og investorer var kommet for at høre folk som Bill Gates og Bill Clinton udtale sig om vigtigheden af ​​ny energiteknologi – og også udnytte en af ​​de nyeste finansieringskilder i Washington, Advanced Research Projects Agency for Energy eller ARPA-E. ARPA-E blev grundlagt i 2009 og havde fået til opgave at identificere potentiel transformationsforskning. Lederen af ​​det agentur, Arun Majumdar, var klar til at løfte sløret for en af ​​sine første store succeser: en battericelle, udviklet af startup'et Envia, der kunne lagre dobbelt så meget energi som en konventionel. Prisen på et batteri, der kunne tage en bil fra Washington til New York uden genopladning, sagde Majumdar, ville falde fra $30.000 til $15.000. Elbiler ville blive langt mere overkommelige og praktiske (se Et stort spring i batterikapacitet).

Inden for måneder licenserede GM teknologien og underskrev en aftale om at støtte dens udvikling, og opnåede retten til at bruge eventuelle resulterende batterier. Aftalen var potentielt værd hundreder af millioner af dollars for Envia, skriver LeVine. Men snart fik Envia frustrerede beskeder fra GM-ingeniører, som ikke kunne genskabe opstartens resultater. Året efter offentliggørelsen blev aftalen forkastet. Envias imponerende batteri havde været et lykketræf.

Ting gennemgået

• Krafthuset

  Af Steve LeVine
  Viking, 2015

  
  
  

LeVines beretning om Envias arbejde viser, hvorfor store fremskridt inden for batterier er så svære at opnå, og hvorfor startups, der lover verdensforandrende gennembrud, har kæmpet. I løbet af det sidste årti har vi set bemærkelsesværdige forbedringer i denne industri, men de er hovedsageligt kommet fra etablerede virksomheder, der støt har gjort små fremskridt.

Envias celle var en ny type lithium-ion-batteri. Opfundet i slutningen af ​​1970'erne og begyndelsen af ​​1980'erne og kommercialiseret i 1990'erne, genererer disse batterier elektrisk strøm, når lithium-ioner pendler mellem to elektroder. Let, men kraftfuldt, de har forvandlet bærbar elektronik. Deres brug i elbiler er dog nyere. I 1990'erne brugte GM billigere bly-syre-batterier til sin elektriske EV-1; hvert batteri vejede 600 kg og leverede kun 55 til 95 miles, før det skulle genoplades. Da Tesla Motors introducerede en af ​​de første lithium-ion-drevne elbiler i 2008, kunne den køre 250 miles på en opladning, cirka tre gange længere end EV-1. Men køretøjet kostede over $100.000, for en stor del fordi batterierne var så dyre. For at reducere omkostningerne bruger de lithium-ion-drevne elbiler, der i dag fremstilles af virksomheder som Nissan og GM, små batteripakker med en rækkevidde på mindre end 100 miles.

Mens utallige gennembrud er blevet annonceret i løbet af det sidste årti, lykkedes det gang på gang ikke at omsætte disse fremskridt til kommercielle batterier.

En svær ting ved at udvikle bedre batterier er, at teknologien stadig er dårligt forstået. Udskiftning af en del af et batteri - for eksempel ved at introducere en ny elektrode - kan give uforudsete problemer, hvoraf nogle ikke kan opdages uden mange års test. For at opnå den slags fremskridt, som venturekapitalister og ARPA-E leder efter, inkorporerede Envia ikke kun én, men to eksperimentelle elektrodematerialer.

LeVine beskriver, hvad der gik galt. I 2006 havde Envia givet licens til et lovende materiale udviklet af forskere ved Argonne National Laboratory. Efterfølgende blev et stort problem opdaget. Problemet – som en leder af batterifirmaet kaldte en undergangsfaktor – var, at den spænding, som batteriet fungerede ved, ændrede sig over tid på måder, der gjorde det ubrugeligt. Argonne-forskere undersøgte problemet og fandt ikke noget klart svar. De forstod ikke materialets grundlæggende kemi og fysik godt nok til at fatte præcist, hvad der gik galt, endsige fikse det, skriver LeVine.

Et kig inde i en Tesla Model S viser batteriet, en grå plade, der optager det meste af pladsen mellem for- og baghjul.

Med sit eksperimentelle materiale til den modsatte elektrode, denne baseret på silicium, stod Envia over for en anden udfordring. Forskere havde tilsyneladende løst det store problem med siliciumelektroder - deres tendens til at falde fra hinanden. Men løsningen krævede upraktiske fremstillingsteknikker.

Da Envia offentliggjorde sin meddelelse i 2012, så det ud til at have fundet ud af, hvordan man fik begge disse eksperimentelle materialer til at fungere. Det udviklede en version af siliciumelektroden, der kunne fremstilles billigere. Og gennem forsøg og fejl var den faldet over en kombination af belægninger, der stabiliserede spændingen i Argonne-materialet. Envias medstifter Sujeet Kumar forstod, at svaret var en sammensætning af belægninger, skriver LeVine. Men han vidste stadig ikke, hvad kompositten anholdt, eller hvorfor det lykkedes med det. Da Envia var en startup med begrænsede midler, havde han ikke de instrumenter, der kunne finde ud af det. Men da det blev indlysende, at resultaterne Envia havde rapporteret for sit batteri ikke kunne gengives, blev det afgørende at forstå problemet. Selv små ændringer i sammensætningen af ​​et materiale kan have en betydelig indvirkning på ydeevnen, så for alt hvad Envia vidste, fungerede dets rekordsættende batteri på grund af en forurening i et parti materiale fra en af ​​dets leverandører.

Historien om Envia står i skarp kontrast til, hvad der har vist sig at være den mest succesrige seneste indsats for at reducere prisen på batterier og forbedre deres ydeevne. Denne succes er ikke kommet fra et gennembrud, men fra det tætte partnerskab mellem Tesla Motors og den store battericelleleverandør Panasonic. Siden 2008 er prisen på Teslas batteripakker blevet halveret, mens lagerkapaciteten er steget med omkring 60 procent. Tesla forsøgte ikke radikalt at ændre kemien eller materialerne i lithium-ion-batterier; snarere foretog den trinvise ingeniør- og produktionsforbedringer. Det arbejdede også tæt sammen med Panasonic for at tilpasse kemien i eksisterende batterimaterialer i overensstemmelse med de præcise behov i dens biler.

Siden 2008 er prisen på Teslas batteripakker blevet halveret, mens lagerkapaciteten er steget med omkring 60 procent.

Tesla hævder, at den er på vej til at producere en elbil til $35.000 med en rækkevidde på omkring 200 mil inden 2017 - en bedrift, der svarer til, hvad GM håbede at opnå med Envias nye batteri. Virksomheden forventer at sælge hundredtusindvis af disse elbiler om året, hvilket ville være et stort spring fra de titusindvis, det sælger nu. Men for at elbiler skal stå for en betydelig del af de omkring 60 millioner biler, der sælges hvert år rundt om i verden, skal batterierne sandsynligvis blive betydeligt bedre. Når alt kommer til alt, er 200 miles langt fra de mere end 350 miles, folk er vant til at køre på en tank benzin, og $35.000 er stadig en del mere end $15.000-prisen for mange små benzindrevne biler.

Hvordan lukker vi hullet? Der er sandsynligvis stadig masser af plads til at forbedre lithium-ion-batterier, selvom det er svært at forestille sig, at Teslas succes med mindre ændringer i batterikemien vil fortsætte på ubestemt tid. På et tidspunkt kan det være nødvendigt med radikale ændringer som dem, Envia havde forestillet sig. Men læren fra Envia-fiaskoen er, at sådanne ændringer skal være tæt integreret med produktions- og ingeniørekspertise.

Den tilgang giver allerede lovende resultater med det Argonne-materiale, som Envia licenserede. Envias batteri drevet ved høje spændinger for at opnå høje niveauer af energilagring. Nu finder batteriproducenter ud af, at brug af mere beskedne spændingsniveauer kan øge energilagringen markant uden de problemer, der generede Envia. I mellemtiden udgiver batteriforskere artikler, der viser, hvordan spormængder af tilsætningsstoffer ændrer materialernes adfærd, hvilket gør det muligt at øge spændings- og energilagringen. Nøglen er at kombinere forskning, der belyser detaljer om batteriernes kemi og fysik med den ekspertise, som batteriproducenterne har opnået i at lave praktiske produkter.

Det er en branche, hvor det er meget svært for en startup, uanset hvor lokkende dens teknologi er, at gå alene. Andy Chu, en tidligere direktør hos A123 Systems, som gik konkurs i 2012, fortalte mig for nylig, hvorfor store virksomheder dominerer batteriindustrien. Energilagring er et spil, der spilles af store spillere, fordi der er så mange ting, der kan gå galt i et batteri, sagde han. Jeg håber, at startups lykkes. Men du kan se på historien over de seneste år, og den har ikke været god.

skjule