Plastbatterier: Alle opladet og venter på at gå

Mange mennesker tjekker deres faxmaskiner hver morgen, men i disse dage er Theodore Poehler og Peter Searson særlig interesseret i, hvad der står på deres. Dette par videnskabsmænd fra Johns Hopkins University mener, at de er meget tæt på en aftale, der kan gøre deres udtænkte forskning - et helt plastikbatteri - til en kommerciel realitet. Hver dag forventer de at se det endelige resultat af mere end et års forhandlinger, i håb om en beslutning fra flere store batteriselskaber eller besked fra private investorer, som har udtrykt vilje til at stille op til titusindvis af millioner af dollars.

En aftale med den rigtige batterivirksomhed eller gruppe af bagmænd kan forvandle deres opfindelse fra en laboratorie-kuriositet til en stigende stjerne på det enorme batterimarked. Prototypen er bemærkelsesværdig-lille, let og genopladelig. Endnu mere spændende kommer den i tynde, bøjelige ark, der kan formes til en form, der ligner et visitkort. Poehler og Searson mener, at det nye batteri kan spille en førende rolle i en ny generation af elektriske køretøjer, satellitter og letvægts elektroniske enheder - selv som en erstatning for standard AA-størrelse batterier.

Denne historie var en del af vores udgave fra juli 1998

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det er drømmen. At gøre det til virkelighed kræver dog mange penge. Det kræver også forretningskyndig. Og Poehler og Searson ved, at der ikke er nogen garanti for succes. Vi er begge meget bevogtede, forklarer Peohler. Hvis det sker, sker det - hvis det ikke gør det, ja, vi prøver bare at tænke på at gøre forskningen for at gøre teknologien bedre.

Deres historie er en fortælling om, hvordan grundforskere, der arbejder på forkant, kan finde sig selv i en verden af ​​iværksætteri, venturekapital og big business. Og hvordan, når de først når dertil, kan problemerne være lige så komplekse - og langt mindre velkendte - end dem, de står over for ved laboratoriebænken.

Poehler, professor i elektro- og computerteknik og universitetets viceprovost for forskning, og Searson, professor i materialevidenskab og teknik, satte sig aldrig for at være iværksættere. Da de begyndte deres søgen for seks år siden efter et batteri af helt plastik, ville de bare lave god videnskab og teste grænserne for et materiale og et system. Professorerne stod i spidsen for et team af forskere ved Johns Hopkins, som omfattede Jeffrey Killian, Josef Gofer og Haripada Sarker; kandidatstuderende Jennifer Giaccai sluttede sig efterfølgende til gruppen. Fremskridtet kom langsomt, men i 1996 havde de en brugbar prototype. Så tidligt sidste år udløste en pressemeddelelse fra Johns Hopkins University, der udråbte udviklingen af ​​det nye plastikbatteri, et medievanvid.

Plastbatteriet blev kåret til Årets opfindelse af Popular Science. TV-hold ankom fra så langt væk som Sverige, Tokyo og Brasilien og strejfede rundt i laboratoriet. Forskerne optrådte på CNN og i USA Today. Kandidatstuderende i gruppen blev lokale mediestjerner. Hundredvis af virksomheder og investorer spurgte ind til den nye teknologi og forsøgte at omsætte dens elektriske potentiale til indtjeningspotentiale. Wall Street-analytikere ringede for at få scoop på alle aftaler, der kunne blive underskrevet for at producere batteriet kommercielt.

I disse dage, mere end et år senere, er laboratoriet næsten tilbage til det normale. Et nyligt besøg af TR fandt den sædvanlige stilhed i et universitetslaboratorium, hvor forskerne beskæftigede sig med videnskab. Tv-holdene er væk. Den stadige strøm af besøgende tyndede ud.

Ud af mediernes blænding navigerer Johns Hopkins-teamet, ligesom andre akademiske forskere, der har udviklet en hot ny materialeteknologi, i forretnings- og finansverdenen.

Tag ikke fejl - indsatsen er høj. Succesfuld kommercialisering af et plastikbatteri kan betyde store penge for dets akademiske opfindere og deres universitet. Alene det amerikanske marked for batterier er på 5,8 milliarder dollars om året og er klar til hurtig vækst, da en ny generation af elektriske køretøjer og mindre elektroniske enheder skaber et behov for mere effektive, lettere genopladelige batterier. Virksomheder og akademiske laboratorier rundt om i verden kører i kapløb om at finde løsningen, med mange indsatser med fokus på lithium-baserede batterier ( se sidebjælken ).

Et plastikbatteri kunne skabe en lukrativ niche. De fleste batterier i dag er lavet af giftige og miljøbelastende tungmetaller som bly og cadmium. Plastbatterier indeholder dog ingen metaller og kan nemt genbruges. De skal forsegles, så fugt ikke dæmper deres ladning, men polymererne indeni er langt fra lithium, som kan eksplodere, når de udsættes for vand.

Hvad mere er, er det helt plastiske batteri lavet af tynde, folielignende ark - en kritisk fordel for en person, der designer et produkt, der skal finde ud af, hvor et batteri skal presses ind. Forestil dig kabinetter til bærbare computere foret med tynde plader af batteriet eller bilens strukturelle dele, der er foret med strømkilderne, selv satellitter, hvor plastikbatteriet er proppet ind i enhver ledig plads. Du kan lave det til næsten hvilken som helst konfiguration, du ønsker, siger Searson.

Tricket er at finde en polymeranode, der passer til et brugbart batteri. Når de bruges i et batteri, kan visse polymerer fungere som store katoder, der let accepterer elektroner, der kommer fra anoden gennem et eksternt kredsløb. På den anden side, for at en ledende polymer skal fungere som en anode, skal den være doteret, så en ekstra elektron tvinges ind i polymerens rygrad, hvilket giver den en negativ ladning. I modsætning til doterede katoder er doterede anoder imidlertid ustabile og sårbare over for fugt.

På trods af udfordringen kom Johns Hopkins-holdet frem. Til sidst fandt de ud af, at de ved at fange en lithium-ion i polymerkæden kunne få en type plastik kaldet polypyrrol til at opføre sig som en anode. Efter tre års indsats følte Poehler, at dette system begyndte at se anstændigt ud. I sommeren 1995 producerede laboratoriet et fungerende batteri. Men batteriet producerede kun omkring en volt pr. celle - alt for lavt til mange applikationer - og det krævede stadig lithium som dopingmiddel.

Holdet gik tilbage til tegnebrættet. Denne gang fik de et markant gennembrud på lidt mere end seks måneder. Johns Hopkins-holdet henvendte sig til en familie af polymerer kaldet fluorphenylthiophener for at danne elektroderne; et medlem af familien, 3,4,5 TFPT, fungerer som anoden, mens et andet, 3,5 DFPT, fungerer som katoden. Polymererne blev derefter klemt omkring en batterielektrolyt fremstillet af en tynd polyacylonitrilgel. Batteriet kunne producere tre volt elektricitet per celle og genoplades hundredvis af gange.

Det var et bemærkelsesværdigt gennembrud. Batterierne er lige så fleksible som plastik, så de kan rulles ind i den cylindriske form som et konventionelt lommelygtebatteri eller bruges som kreditkorttynde ark. I modsætning til konventionelle batterier, som ofte ikke fungerer ved temperaturer meget under frysepunktet, er de i stand til at arbejde ved temperaturer helt ned til -40 grader C. Som en ekstra bonus skifter batterierne farver, når de aflades, hvilket gør det nemt at se, hvornår en genopladning er nødvendig.

Nu havde laboratoriet en brugbar prototype, men det var kun udgangspunktet på den hårde vej mod kommercialisering. Poehler, der har set masser af teknologioverførselsaftaler i sin egenskab af viceprovost, tog føringen i holdets forretningsindsats. Den første udfordring er at afgøre, om teknologien er konkurrencedygtig, forklarer han. I slutningen af ​​1996, da historien brød ud i medierne, var Johns Hopkins-forskerne overbeviste om, at deres batteri havde nået det stadie. De sorterede gennem syndfloden af ​​forespørgsler og mødtes med mere end 40 potentielle forskningspartnere eller finansieringskilder, der tog på besøg eller blev besøgt af virksomheder eller forskningsgrupper næsten hver uge i mere end et år.

Vi så ikke på de fleste af møderne som muligheder for at lave forretningsaftaler, men som chancer for at udveksle information, siger Poehler. Alligevel var det overordnede mål at lave en større aftale, der ville bringe batteriet til markedet, ikke blot bringe penge ind til at lave yderligere forskning. Vi arbejder stadig på det her, og kæmper hele tiden for at nå dertil, hvor teknologien sælger sig selv, siger han.

Det er dog ikke let at komme dertil. Faktisk betyder det at forhandle en kompleks verden af ​​venturekapital og virksomhedsfinansiering. Poehler og Searson har hver især et imponerende akademisk ry, men ligesom de fleste videnskabsmænd har ingen af ​​dem meget erfaring med at drive virksomhed og handel og højfinansieringsverdenen.

Det kræver et andet færdighedssæt end videnskab, siger Lita Nelsen, direktør for MITs teknologilicenskontor. Der er nogle få mennesker, der har begge færdigheder, men ikke mange. Det stigende udbud af venturekapitaldollar og virksomhedsinvestorer på udkig efter hotte teknologier betyder voksende forretningsmuligheder for universitetsforskere. Nelsen siger dog, at forskere ofte udelukkende fokuserer på de økonomiske aspekter af en aftale, når de faktisk burde lede efter mere end penge. Penge er tilgængelige. De bør lede efter visdom, der går sammen med it-visdom, at vide, hvad de skal gøre i dømmende situationer, som når den administrerende direktør ikke træner, eller når nogen krænker deres patent.

Akademiske forskere står over for en række svære beslutninger, når de forsøger at guide deres teknologier ud af laboratoriet ind i erhvervslivet. De kunne for eksempel blot licensere deres patent og komme videre med deres forskning. Alternativt kunne de indgå et samarbejde med en virksomhed, der kunne give den markedsførings- og produktionserfaring, forskerne mangler. Endelig kunne de prøve at finde finansiering til deres egen startup-virksomhed.

Hver mulighed har fordele og ulemper. Uanset deres beslutning, siger Poehler og Searson, at de planlægger at blive ved deres akademiske job og lade forretningsmænd styre enhver virksomhed. Licensering af teknologien til et etableret batterifirma er et sikkert bud økonomisk, men betyder normalt at opgive total kontrol. At tage venturekapitalfinansiering kan også betyde, at forskerne ville opgive mere kontrol over et batterispinoff, end de ville være nødt til med andre private kapitalkilder.

Det, der er på spil i beslutningen, er, om plastbatteriet nogensinde ser sin vej ud af laboratoriet og fremstår som en praktisk enhed. Kommercialisering af nye typer batterier er en notorisk dyr proces, der kræver nye produktionsanlæg og et langsigtet engagement i en bestemt type teknologi. Når en virksomhed først har givet licens til en teknologi, får de i vid udstrækning kontrol over dens skæbne - inklusive valget om at dræbe dens udvikling. Vælg den forkerte partner, og batteriet - når først yndlingen af ​​30 sekunders tv-sound bites - kan hurtigt blive henvist til en virksomheds bunke af bedre batterier, der aldrig slog ud.

På den anden side kunne den rigtige forretningsmanøvrering give en lukrativ lønningsdag til Searson og Poehler såvel som for en håndfuld af deres laboratoriekolleger. Som de fleste forskere, der opdager noget med kommercielt potentiale, var Searson, Poehler og deres kolleger omhyggelige med at indgive et patent, før de offentliggjorde nogen af ​​resultaterne. Universitetet ejer patentet, men overskud eller licensafgifter deles således, at en tredjedel går til universitetet, en tredjedel til forskerne og en tredjedel til laboratoriet til dets fremtidige forskning. Hvis de involverede tal bliver meget store, falder forskernes personlige andel til omkring 15 procent.

For øjeblikket ser Johns Hopkins plastikbatteriet dog ud til at være hængt op på en catch-22, der ofte plager laboratorier, der søger at markedsføre teknologi i tidlig udvikling; projektet har brug for mere finansiering for at nå det næste udviklingstrin, men de finansielle bagmænd ønsker at se mere højtudviklet teknologi, før de vil løsne pengepungen.

Hvad mere er, mens venturekapitalmarkedet fortsætter med at boome og er en klar kilde til dollars for startups inden for informationsteknologi og bioteknologi, forbliver ventureinvesteringer i nye materialer en træg-ofte forsømt sektor. Wall Street kan ikke lide materialehistorier, siger Joe Lovett, en generel partner i Medical Science Partners, et venturekapitalfirma i Wellesley, Mass., som finansierer både bioteknologiske og materialevidenskabelige startups.

Josh Lerner, en lektor ved Harvard Business School og ekspert i venturekapital, siger, at Materialevidenskab havde en kort stigning i popularitet i slutningen af ​​1980'erne med superledning ved høj temperatur. Men folk ser ud til at være blevet desillusionerede over området. Lerner siger, at selv med boomet i ventureinvesteringer, er der stadig et meget snævert bånd af teknologier, der finansieres; 80 til 85 procent af virksomhederne er inden for informationsteknologi og biovidenskab.

Ud over sådanne finansieringshindringer står plastbatteriet over for hård konkurrence fra flere andre lovende typer batterier, herunder zink-luft-batterier og lithium-batterier. Hver af disse teknologier har hundredvis af millioner af dollars i investeringer og et kritisk forspring. Nogle er allerede blevet fremstillet i stor skala. Ligesom plastbatteriet er de effektive, lette og kompakte. Lithium-polymer-batterier kan for eksempel støbes i næsten enhver form, endda skæres i stykker uden at miste deres ladning.

Så hvad er oddsene for, at vi en dag vil finde os selv at køre i biler med dele foret med plastikbatterier og tale i mobiltelefoner, der drives af tingene? Det er endnu for tidligt at sige. Hvis Poehler havde sit valg, ville en af ​​verdens største batteriselskaber sige: Vi vil tage dette og lave det og give dig en hel del, og du kan stadig gøre dit eget arbejde for at forbedre teknologien,' eller en økonomisk bakker ville komme og give dem en masse penge til at starte en virksomhed op.

Men Johns Hopkins-forskerne ved, at det ikke er så let. Så hver morgen fortsætter Poehler og Searson med at lede efter den underskrevne aftale, der kan bringe os tættere på en plastikbatterivirkelighed. På trods af alle forskningsgennembrud, mediehypen og lovende møder, er det stadig en drøm at forsøge at tage det store spring ind i den kommercielle verden.

skjule