Lithium-ion-batterier har lige taget et stort spring i et lille produkt

WHOOP 4.0. WHOOP

En materialevirksomhed i Alameda, Californien, har brugt det sidste årti på at arbejde på at øge energien, der er lagret i lithium-ion-batterier, et fremskridt, der kunne muliggøre mindre gadgets og elektriske køretøjer med langt større rækkevidde.

Sila har udviklet siliciumbaserede partikler, der kan erstatte grafitten i anoder og holde på flere af de lithium-ioner, der fører strømmen i et batteri.

Nu leverer virksomheden sit produkt til markedet for første gang og leverer en del af anodepulveret i det kommende batteri. Hov 4.0, en fitness-bærbar. Det er en lille enhed, men potentielt et stort skridt fremad for batteriområdet, hvor lovende laboratorieresultater ofte ikke kan omsættes til kommerciel succes.

Tænk på Whoop 4.0 som vores Tesla Roadster , siger Gene Berdichevsky, Silas administrerende direktør, der som Teslas syvende medarbejder var med til at løse nogle af de kritiske batteriudfordringer for virksomhedens første elektriske køretøj. Det er virkelig den første enhed på markedet, der beviser dette gennembrud.

Battericeller produceret med Silas siliciumbaserede partikler.

SILA

Virksomhedens materialer, med en let hjælp fra andre fremskridt, øgede energitætheden i fitness-trackerens batteri med omkring 17%. Det er en betydelig gevinst på et felt, der generelt går nogle få procentpoint frem om året.

Det svarer til omkring fire års standardfremskridt, men i ét stort spring, siger Venkat Viswanathan, lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University.

Sila står stadig over for nogle reelle tekniske udfordringer, men fremskridtet er et lovende tegn på potentialet for stadigt dygtigere batterier til at hjælpe verden med at skifte væk fra fossile brændstoffer, efterhånden som farerne ved klimaændringer accelererer. Forøgelse af mængden af ​​energi, som batterier kan lagre, gør det lettere for stadig mere rene elkilder til at drive flere af vores bygninger, køretøjer, fabrikker og virksomheder.

For transportsektoren kan et mere energitætte batteri reducere omkostningerne eller udvide rækkevidden af ​​elektriske køretøjer og løse to af de største problemer, der har afskrækket forbrugerne fra at opgive deres benzinslugere. Det lover også at levere netbatterier, der kan spare mere energi fra sol- og vindmølleparker, eller forbrugergadgets, der holder længere mellem opladningerne.

Energitæthed er nøglen til elektrificering af alting, siger Berdichevsky, an Innovator under 35 i 2017.

I tilfælde af den nye fitness-bærbare, har de nye batterimaterialer og andre forbedringer gjort det muligt for Boston-baserede Whoop at skrumpe enheden med 33 % og samtidig bevare fem dages batterilevetid. Produktet er nu tyndt nok til at blive sat ind i smart beklædning og kan bæres som et ur. Den kommer til salg 8. september.

Sila, som meddelte 590 millioner dollars i finansiering i januar, har også partnerskaber på plads for at udvikle batterimaterialer til bilproducenter, herunder BMW og Daimler. Virksomheden har sagt, at dens teknologi i sidste ende kan pakke så meget som 40% mere energi i lithium-ion-batterier.

Forebyggelse af brande

Berdichevsky interviewede til og landede sit job hos Tesla før sit sidste år på Stanford University, hvor han arbejdede hen imod en grad i maskinteknik. Han endte med at spille en nøglerolle i forhold til en potentielt eksistentiel risiko for virksomheden: at en brand i et af de tusindvis af batterier pakket ind i et køretøj ville antænde hele pakningen.

Han oprettede et program til systematisk at evaluere en række batteripakkedesigns. Efter hundredvis af tests udviklede virksomheden en kombination af batteriarrangementer, varmeoverførselsmaterialer og kølekanaler, der stort set forhindrede løbske brande.

Efter at Tesla lancerede Roadster, følte Berdichevsky, at han enten måtte forpligte sig til yderligere fem år for at se virksomheden gennem udviklingen af ​​det næste køretøj, Model S - eller benytte lejligheden til at prøve noget nyt.

Til sidst besluttede han, at han ville bygge noget af sit eget.

Gene Berdichevsky, administrerende direktør og medstifter af Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky tog tilbage til Stanford for at studere materialer, termodynamik og fysik, i håbet om at finde måder at forbedre opbevaring på det grundlæggende niveau. Efter endt uddannelse tilbragte han et år som iværksætter i bolig hos Sutter Hill Ventures på udkig efter ideer, der kunne danne grundlaget for hans egen virksomhed.

I løbet af den tid stødte han på en videnskabelig papir identifikation af en metode til fremstilling af siliciumbaserede partikler til lithium-ion batterianoder.

Forskere har længe set silicium som en lovende måde at øge energien i batterier, fordi dets atomer kan binde sig til 10 gange flere lithiumioner efter vægt, end grafit kan. Det betyder, at de rummer langt flere af de ladede molekyler, der producerer den elektriske strøm i et batteri. Men siliciumanoder havde en tendens til at smuldre under opladning, da de svulmede for at rumme de ioner, der pendler frem og tilbage mellem elektroderne.

Artiklen, som er medforfatter af Georgia Institute of Technology-professor Gleb Yushin, fremhævede muligheden for at udvikle stive siliciummaterialer med en porøs kerne, der kunne mere nemt acceptere og frigive lithium-ionerne .

Det næste år grundlagde Berdichevsky Sila sammen med Yushin og Alex Jacobs, en anden tidligere Tesla-ingeniør.

Forhindringer og forsinkelser

Virksomheden brugte det næste årti på at finjustere sine metoder og materialer, arbejde gennem mere end 50.000 iterationer af kemien, mens de opskalerede sin produktionskapacitet. Tidligt besluttede det at udvikle drop-in-materialer, som producenter af lithium-ion-batterier kunne bytte i, i stedet for at forfølge den dyrere og mere risikable vej med at producere komplette batterier selv.

Sila er dog ikke så langt, som den oprindeligt havde håbet at være.

Efter at have sikret flere millioner dollars fra det amerikanske energiministeriums ARPA-E-afdeling, fortalte virksomheden på et tidspunkt forskningsbureauet, at dets materialer kunne være i produkter i 2017 og i køretøjer i 2020. I 2018, da Sila annoncerede sin aftale med BMW, det sagde, at dets partikler kunne hjælpe med at drive den tyske bilproducents elbiler inden 2023.

Berdichevsky siger, at virksomheden nu forventer at være i køretøjer mere som 2025. Han siger, at det simpelthen var sværere at løse de sidste kilometers problemer, end de forventede. Udfordringerne omfattede samarbejde med batteriproducenter for at få den bedste ydeevne ud af de nye materialer.

Vi var naivt optimistiske med hensyn til udfordringerne ved at skalere og bringe produkter på markedet, sagde han i en e-mail.

Whoop-nyhederne signalerer, at Sila var i stand til at konstruere partiklerne på en måde, der tilbyder sikkerhed, livscyklusser og andre benchmarks for batteriydelse svarende til dem, der opnås i eksisterende produkter.

Men det er bemærkelsesværdigt, at Silas partikler kun vil give omkring 25% af kapaciteten i batteriets anode, mens standardgrafitmaterialer giver resten.

Viswanathan siger, at den større test vil gå fra delvist til helt at erstatte grafitten. Det kræver en større grad af præcision og ydeevne, hvilket han beskriver som forskellen mellem at slå en double og et homerun.

Derudover, siger han, står virksomheden stadig over for betydelige udfordringer, lige fra forbrugerenheder til de mere strenge krav til elektriske køretøjer. Biler, lastbiler og busser har brug for energitætte, ekstremt sikre batterier, der blandt andet oplades hurtigt og holder i mange livscyklusser. Problemet med batterikemi er, at forbedring af de materialer og processer, der er involveret i en præstationsstandard, ofte kan komme på bekostning af andre, siger Viswanathan.

Berdichevsky siger, at Silas batterimaterialer fuldt ud vil erstatte grafit i dets næste kommercielle produkt, som han siger er låst og fyldt med en partner, som han endnu ikke kan annoncere. Og i modsætning til andre lovende batterimaterialer, der får presse- og investoropmærksomhed i disse dage, som lithiummetal , Silas siliciummaterialer er allerede i produkter.

Vi er store overbevisninger om, at håb og hype ikke ændrer verden - det gør skibsfart, siger han.

skjule