Nye lithium-metal-batterier vil drive overgangen til elbiler

En ny type batteri kunne endelig gøre elbiler lige så bekvemme og billige som gasbiler.





batterispændingstest

Et røntgendiffraktometer bruges til at kontrollere batterikomponenter hos QuantumScape. De skyldige er Wintermeyer

  • James Temple arkiv side
24. februar 2021


  • Hvorfor det er vigtigt:

    Batteriernes ydeevnebegrænsninger har holdt skiftet til renere elbiler tilbage og næsten udelukket elektriske fly.


  • Nøglespillere:

    • QuantumScape



    • Samsung Advanced Institute of Technology

    • Solid Power

    • 24 mio


  • Tilgængelighed:

    2025

På trods af al hypen og håbet omkring elektriske køretøjer udgør de stadig kun omkring 2 % af salget af nye biler i USA og bare lidt mere globalt.

For mange købere er de simpelthen for dyre, deres rækkevidde er for begrænset, og opladning af dem er ikke nær så hurtig og bekvem som at tanke brændstof ved pumpen.



Fremskridtsspørgsmålet

Denne historie var en del af vores marts 2021-udgave

  • Se resten af ​​problemet
  • Abonner

Alle disse begrænsninger har at gøre med lithium-ion-batterierne, der driver køretøjerne. De er dyre, tunge og hurtige til at løbe tør for juice. For at gøre ondt værre er batterierne afhængige af flydende elektrolytter, der kan bryde i brand under kollisioner.

At gøre elbiler mere konkurrencedygtige med gasdrevne vil kræve et banebrydende batteri, der afhjælper disse mangler. Det er i det mindste argumentet fra Jagdeep Singh, administrerende direktør for QuantumScape, en Silicon Valley-startup, der hævder at have udviklet netop sådan en teknologi .



Virksomheden hævder, at det gjorde det ved at løse et kemi-puslespil, der har slået forskerne i stå i næsten et halvt århundrede: hvordan man bruger lithium, det letteste metal i det periodiske system, til at øge mængden af ​​energi, der kan pakkes ind i et batteri uden at udgøre en rutinemæssig risiko for brand eller på anden måde ofrer ydeevne. Virksomheden siger, at det for en stor del opnåede dette ved at udvikle en solid version af den brændbare flydende elektrolyt.

VW var imponeret nok til at investere hundredvis af millioner af dollars i QuantumScape. Den tyske bilgigant indvilligede også i at oprette et joint venture med virksomheden for at masseproducere batterierne og siger, at de vil være i deres elbiler og lastbiler på vejen i 2025.

Hurtigere opladning og længere rækkevidde

I et konventionelt lithium-ion-batteri er den ene af de to elektroder, anoden, hovedsagelig lavet af grafit. Dette er en form for kulstof, der nemt kan optage og frigive de ladede lithium-ioner, der pendler frem og tilbage mellem anoden og katoden gennem elektrolytten. Denne strøm af ladede partikler producerer en elektrisk strøm, som strømmer ud af batteriet for at forsyne det, der skal strømforsynes. Men grafitten er blot en vært for lithium-ionerne, som putter sig mellem plader af kulstof-lignende pakker på hylderne. Det er dødvægt, der ikke lagrer energi eller selv producerer en strøm.

I et lithium-metal batteri er selve anoden lavet af lithium. Det betyder, at næsten hvert atom i batteriets anode også kan sættes i gang med at skabe strøm. Teoretisk set kunne et lithium-metal anode-baseret batteri lagre 50% mere energi end et med samme vægt og volumen, som var afhængig af grafit.

Men fordi lithiummetal er så reaktivt, kan det at være i konstant kontakt med en flydende elektrolyt udløse reaktioner, der nedbryder batteriet eller få det til at forbrænde, siger Venkat Viswanathan, lektor ved Carnegie Mellon, der arbejder på lithium-metalbatterier og er en konsulent for QuantumScape. Et andet problem er, at når lithiumionerne flyder frem og tilbage, kan nålelignende strukturer kendt som dendritter dannes i batterierne og kortslutte cellen eller få den til at antænde.

solid state lithium batteri

QuantumScapes prototypecelle har en solid version af den normalt flydende elektrolyt.

WINNI WINTERMEYER

QuantumScape, som blev offentliggjort i november efter at have fungeret i stealth-tilstand i et årti, holder stadig nogle af de kritiske detaljer tilbage om, hvordan dets solid-elektrolyt-batteri overvinder disse problemer. Men det ser ud til at fungere bemærkelsesværdigt godt.

I en online præsentation i december viste opstarten en række diagrammer, der viser, at en enkelt-lags laboratorieversion af batteriet kan oplades til mere end 80 % af sin kapacitet på 15 minutter, holder i hundredtusindvis af miles og virker fint ved minusgrader. Virksomheden forventer, at batterierne vil kunne øge elektriske køretøjers rækkevidde med mere end 80 %: En bil, der kan køre 250 miles på en enkelt opladning i dag, kunne køre 450 miles i stedet.

QuantumScape har sat mig tilbage i hælene, siger Nancy Dudney, en batteriforsker ved Oak Ridge National Laboratory, som har udført banebrydende arbejde med faststofelektrolytter. Umiddelbart ser det rigtig godt ud, siger hun, selvom hun tilføjer: Vi har været her før med andre batterifremskridt.

Faktisk er batteriområdet fyldt med eksempler på startups, der lovede banebrydende teknologier, men i sidste ende fejlede. Og udfordringerne forud for QuantumScape er skræmmende, især når det kommer til at konvertere sine prototypeceller til kommercielle produkter, der kan fremstilles billigt.

Hvis virksomheden lykkes, kan den transformere el-markedet. At reducere omkostningerne, øge rækkevidden og gøre opladning næsten lige så bekvem som at fylde op på en tankstation kunne udvide efterspørgslen ud over folk, der har råd til at betale tusindvis af dollars for opladningsporte derhjemme, og lette angsten for dem, der frygter at blive strandet på længere ture.

Den øgede energitæthed og hurtigere opladning kunne også gøre det mere praktisk at elektrificere andre former for transport, herunder langdistance-trucking og endda kortdistanceflyvninger. (Som en bonus ville det også levere telefoner og bærbare computere, der kunne holde et par dage på én opladning.)

Fødsel af et batteri

Historien om lithium-metal-batterier begyndte i begyndelsen af ​​1970'erne og er tæt sammenflettet med udviklingen af ​​de lithium-ion-batterier, vi er afhængige af i dag.

Tidens oliekriser, kombineret med hvad der skulle vise sig at være meget tidlig peak-petroleum-frygt, genoptog pludselig interessen for elektriske køretøjer for første gang siden bilindustriens barndom. I 1972 arbejdede American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW og andre alle på elbiler, som videnskabsforfatteren Seth Fletcher beskriver i bogen Flaskebelysning . I mellemtiden ledte store industrielle laboratorier, inklusive dem hos GE, Dow Chemical og Exxon, efter bedre batterikemi.

Batterier dengang, som for det meste var bly-syre, kunne ikke levere i nærheden af ​​gasmotorers afstande eller hastigheder. I 1969, General Motors eksperimentel 512 elbil pralede med en tophastighed på omkring 30 miles i timen med en rækkevidde på 47 miles.

I et lithium-ion-batteri pendler lithium-ioner frem og tilbage mellem anoden og katoden, når batteriet oplades og aflades. I QuantumScapes batteri rejser ionerne gennem en separator og danner et perfekt fladt lag mellem det og den elektriske kontakt, hvilket skaber anoden, når den er opladet. Den mangler en anode i sin udtømte tilstand.

I 1972 hyrede Exxons forskningsafdeling en ung kemiker ved navn Stan Whittingham på grund af hans postdoktorale arbejde ved Stanford. Specifikt udviklede han krystallinske materialer, der tillod ioner at flyde ind og ud. Hos Exxon begyndte Whittingham og hans kolleger at eksperimentere med et lovende porøst materiale til en katode: titandisulfid. De parrede det med en anode lavet af metallisk lithium, et meget reaktivt materiale, der let frigiver sine elektroner. Det fungerede overraskende godt.

Holdet ansøgte om et patent i 1973 og udgav et vartegn papir i naturvidenskab i 1976, og viste en større version af cellerne frem på en biludstilling i 1977 .

I begyndelsen af ​​1980'erne var oliekrisen forbi. Exxons nye ledelse besluttede at droppe enhver forretningslinje uden potentiale til at blive et $100 millioner årligt marked. Virksomheden droppede sin indsats for elektriske køretøjer og batterier. De sagde: 'Disse er for små til, at vi kan være involveret i', siger Whittingham.

Lithium-ion tager over

Lithium-metal-batterier var langt bedre end bly-syre-batterier, men de havde også iboende ulemper, som Exxon-teamet aldrig havde løst, herunder deres vane med at udløse ild i laboratoriet.

Andre, der forsøgte at kommercialisere lithium-metal-batterier, løb ind i lignende problemer. I 1980'erne udviklede Moli Energy fra British Columbia et 2,2 volt lithium-metalbatteri til bærbare computere og mobiltelefoner. Men i 1989 brød en japansk mobiltelefon i brand, brænde sin ejer . Efter at en undersøgelse havde lagt skylden på batteriet, blev tusindvis af mobiltelefoner tilbagekaldt, og virksomheden gik i betalingsstandsning ifølge Electric Autonomy Canada.

I mellemtiden byggede andre på Whittinghams arbejde. John Goodenough, nu professor ved University of Texas i Austin, brugte koboltoxid i stedet for titandisulfid til at udvikle en katode, der kunne lagre mere energi. Akira Yoshino, professor ved Meijo University, byttede den rene lithiumanode ud med koks (en anden form for kulstof), som stadig kunne opbevare en masse lithiumioner, men reducerede brandfarerne. Endelig samlede forskere hos Sony brikkerne for at udvikle de første kommercielle lithium-ion-batterier i 1992. Whittingham, Goodenough og Yoshino delte Nobelprisen i kemi i 201 9 for deres roller i gennembruddet.

Den løbske succes med lithium-ion-batterier, som nu driver vores bærbare computere, telefoner og elektriske køretøjer, standsede bestræbelserne på at kommercialisere lithium-metal-teknologi i de kommende år. Men nogle mistede aldrig lithiummetals potentiale til at være en mere effektiv form for energilagring af syne. Og at erstatte de almindelige flydende elektrolytter, som er effektivt brændbare opløsningsmidler, med faste materialer virkede som en særdeles lovende udforskningsvej.

Omkring 2000 demonstrerede et hold ved Oak Ridge National Laboratory tyndfilmsbatterier - den slags, der anvendes i små elektronik såsom smart cards og pacemakere - der brugte solid-state lithium-metal teknologi. Produktionsprocessen og størrelsen og formen af ​​tyndfilmsbatterier begrænser for det meste deres brug ud over noget, der er større end et ur, siger Paul Albertus, en batteriekspert ved University of Maryland. Men arbejdet gav et afgørende bevis på konceptet for et fungerende lithium-metalbatteri.

Vejdrab

Forskellige startups var begyndt at forfølge teknologien igen i slutningen af ​​2000'erne. Men det har vist sig at være en forræderisk vej.

Nogle er allerede lukket. Seeo, der blev dannet i 2007, blev købt af det tyske firma Bosch, som senere opløste sin batteriforskningsindsats. Frankrig-baserede Bolloré var den første til at sætte solid-state lithium-metal batterier i køretøjer på vejen, og lancerede sine Bluecar delebilsprogrammer i 2011. Men dets polymerbaserede elektrolytter virker kun ved højere temperaturer, hvilket begrænser deres brug i forbrugerbiler .

batterifremstilling

Katoder til QuantumScapes batterier er lavet på denne fabrikationslinje.

WINNI WINTERMEYER

En håndfuld andre virksomheder har dog gjort nyere fremskridt. Mest bemærkelsesværdigt, to dage efter QuantumScapes præsentation i december sidste år, annoncerede Solid Power, en Colorado-startup grundlagt i 2012, at den allerede producerer pilotskala-batches af 22-lags lithiummetalceller, der ville overgå rækkevidden af ​​nutidens batterier til elektriske køretøjer. .

Og i januar annoncerede Department of Energy's ARPA-E-afdeling, at de ville investere 9 millioner dollars i en indsats fra batterifirmaet 24M og Carnegie Mellons Viswanathan for at udvikle lithium-metalbatterier designet til elektriske fly, hvor den lagrede energi og den leverede energi pr. kilogram er afgørende.

Opstart af QuantumScape

Tricket for enhver virksomhed, der udvikler lithium-metal-batterier, har været at udpege elektrolytmaterialer, der forhindrer brande og dendritter, mens de stadig tillader ioner let at passere igennem, og uden på anden måde at forringe batteriets ydeevne. Og det er præcis, hvad QuantumScape hævder, at det har gjort.

Relateret historie

Dette super-energitætte batteri kan næsten fordoble rækkevidden af ​​elektriske køretøjer Men nogle iagttagere er ikke overbeviste om, at QuantumScapes lithium-metal-batterier vil drive biler og lastbiler på vejen, så snart virksomheden hævder.

Virksomhedens oprindelse går tilbage til 2009. Da Singh forberedte sig på at træde tilbage som administrerende direktør for Infinera, en netværksvirksomhed, han var med til at stifte, begyndte han at tale med Stanford postdoc Tim Holme og hans rådgiver, Friedrich Prinz, om at danne en virksomhed baseret på deres forskning i nye batterimaterialer.

Trioen stiftede QuantumScape året efter med det formål at udvikle energitætte batterier med høj effekt. De forsøgte først at gøre det ved at skabe en helt ny type batteri, kendt som et helelektronbatteri, men fandt ud af, at det ville være sværere, end det oprindeligt så ud.

På det tidspunkt havde virksomheden rejst titusindvis af millioner dollars fra venturekapitalfirmaer som Kleiner Perkins og Khosla Ventures. Det efterlod QuantumScape med penge nok til stille og roligt at skifte retning og forfølge drømmen om lithium-metal-teknologi.

Virksomheden brugte de næste fem år på at lede efter det helt rigtige materiale til at udvikle en faststofelektrolyt, siger Singh. Det brugte derefter yderligere fem på at udarbejde den rigtige sammensætning og fremstillingsproces for at forhindre defekter og dendritter. Alt virksomheden vil sige om sin elektrolyt er, at det er en keramik.

Er vi der endnu?

Alle QuantumScapes offentliggjorte test indtil videre er udført på enkeltlagsceller. (Efter at dette stykke gik i trykken, annoncerede virksomheden, at de har produceret og udført tests på 4-lags celler, der opnåede lignende resultater.) For at arbejde i biler skal virksomheden producere batterier pakket med flere dusin lag , effektivt at flytte fra et enkelt spillekort til et kortspil. Og det bliver stadig nødt til at finde en måde at fremstille disse celler billigt nok til at konkurrere med lithium-ion, en batteriteknologi, der har domineret i årtier.

Det er en skræmmende ingeniøropgave. De er halvvejs der - efter 10 år og 300 millioner dollars og 150 mennesker, der har arbejdet på dette, har de dette lille spillekort nu, siger Albertus fra University of Maryland. Det er stadig langt fra at levere batterier på tusindvis-af-metriske tons skalaen - og det er en virkelig svær udfordring. Flere batteriforskere fortalte mig, at de alvorligt tvivler på, at QuantumScape kan skalere op og gennemføre fulde sikkerhedstests i tide til at sætte batterier i biler på vejen kun fire år fra nu.

I betragtning af virksomhedens resultater og de opmuntrende meddelelser fra andre startups, tror de fleste mennesker i batteriverdenen, at det ser mere sandsynligt ud, at de problemer, der har holdt lithiummetal i årtier, kan løses - og det er derfor, det er på MIT Technology Review's liste over banebrydende teknologier i år. Men det er også klart, at på trods af alle de fremskridt, der er sket siden Whittinghams tid i Exxon, ligger der stadig mange års arbejde forude.

Opdatering: Denne historie blev opdateret for at rette en fejl vedrørende, hvor meget ekstra energi et lithium-metalbatteri teoretisk kan lagre.

2021

10 banebrydende teknologier