Įelektrinantis startas

Tai greičiausias elektrinis motociklas pasaulyje. Populiariame „YouTube“ vaizdo įraše juodasis „drasterio“ ciklas beveik išnyksta dūmų debesyje, kai vairuotojas perdega ir suka galinį ratą, kad įkaistų. Dūmams pasišalinus, vairuotojas įsitaiso savo vietoje ir paspaudžia jungiklį, o dviratis įsibėgėja į priekį, greičiau nei per sekundę įsibėgėdamas iki 60 mylių per valandą. Po septynių sekundžių jis peržengia ketvirčio mylios ribą 168 mylių per valandą greičiu – pakankamai greitai, kad galėtų konkuruoti su dujomis varomais dragsteriais.

Šoninis poveikis: A123 Systems sukurtas akumuliatorius, skirtas GM Volt elektromobiliui, gali atlaikyti gniuždymo saugos bandymą. Dėl didelio greičio smūgio kitos ličio jonų baterijos galėjo perkaisti ir užsidegti.

„Killacycle“ galia yra nauja ličio jonų baterija, kurią sukūrė „A123 Systems“, pradedančioji įmonė Watertown mieste, MA – viena iš kelių įmonių, dirbančių su panašia technologija. Bendrovės baterijos sukaupia daugiau nei dvigubai daugiau energijos nei nikelio-metalo hidrido akumuliatoriai, kurių tipai naudojami šiuolaikiniuose hibridiniuose automobiliuose, tuo pačiu tiekdami galingumą, reikalingą dideliam našumui. Radikaliai modifikuota ličio jonų baterijų versija, naudojama nešiojamoje elektronikoje, ši technologija galėtų paskatinti ilgai besipurškiančią elektrinių transporto priemonių rinką, kuri šiandien sudaro nedidelę 1 proc. transporto priemonių pardavimo Jungtinėse Valstijose dalį. A123 baterijos ypač sulaukė „General Motors“ susidomėjimo, kuri išbando jas kaip būdą maitinti „Volt“ – elektromobilį su benzininiu generatoriumi; tikimasi, kad transporto priemonės masinė gamyba bus pradėta 2010 m.

Anksčiau automobilių gamintojai dėl prasto elektromobilių pardavimo kaltino jų švino rūgšties arba nikelio-metalo hidrido akumuliatorius, kurie buvo tokie sunkūs, kad apribojo transporto priemonių diapazoną ir buvo tokie dideli, kad užėmė bagažinės vietą. Nors įprasti ličio jonų akumuliatoriai yra daug lengvesni ir kompaktiškesni, jie nėra ekonomiški elektra varomoms transporto priemonėms. Taip yra iš dalies dėl to, kad juose naudojami ličio kobalto oksido elektrodai, kurie gali būti nestabilūs: jų pagrindu pagamintos baterijos susidėvi po poros metų ir gali užsiliepsnoti pradurtos, sutraiškytos, perkraunamos ar perkaitusios. Kai kurie automobilių gamintojai bandė išspręsti šias problemas, tačiau rezultatai buvo brangūs.

A123 baterijos pagaliau galėtų paversti ličio jonų technologija praktiška automobilių pramonei. Vietoj kobalto oksido jie naudoja elektrodo medžiagą, pagamintą iš ličio geležies fosfato nanodalelių, modifikuotų metalų pėdsakais. Mažai tikėtina, kad gautos baterijos užsidegs, net jei jos būtų sutraiškytos avarijos metu. Jie taip pat yra daug tvirtesni nei įprasti ličio jonų akumuliatoriai: A123 prognozuoja, kad jie tarnaus ilgiau nei įprasta automobilio eksploatavimo trukmė.

Žurnalisto užrašų knygelė : Kevinas Bullisas

Baterijos pažadas padarė A123 vienu geriausiai finansuojamų technologijų startuolių šalyje, iki šiol investavęs 148 mln. USD rizikos kapitalo. Gavusi finansavimą, A123 siekė ambicingo verslo plano, kuriame reikalaujama, kad ji padarytų viską nuo medžiagos tobulinimo iki baterijų gamybos ir pardavimo klientams automobilių ir elektrinių įrankių pramonėje.

A123 akumuliatoriai, skirti GM Volt, sukaupia pakankamai energijos 40 mylių nuvažiuoti, tiek kasdienėms kelionėms į darbą ir atgal. (Ilgesnėse kelionėse mažas benzininis variklis įsijungdavo, kad įkrautų akumuliatorių, o atstumas pailgėtų iki daugiau nei 400 mylių.) GM planuoja parduoti transporto priemones už maždaug 30 000–35 000 USD; bendrovė mano, kad per pirmuosius kelerius metus gali parduoti šimtus tūkstančių už tokią kainą, o J. D. Power and Associates skaičiuoja, kad iki 2014 m. GM parduos beveik 300 tūkst.

Multimedija

• Sužinokite, kaip veikia įvairių rūšių hibridai, naudodami šį interaktyvų pradmenį.

Svarbi medžiagos
2001 m. pradžioje 26 metų Venesuelos verslininkas, vardu Ricas Fulopas, be paskyrimo įėjo į MIT medžiagų mokslo profesoriaus Yet-Ming Chiang biurą. Jis ką tik pasirodė ir pasibeldė į duris, prisimena Chiang. Fulopas, kuris jau buvo įkūręs tris rizikos remiamas įmones, norėjo padėti kuriant akumuliatorių įmonę ir žinojo, kad Chiangas atlieka baterijų tyrimus, susijusius su nanotechnologijomis. Pats Chiangas buvo sėkmingo startuolio įkūrėjas devintojo dešimtmečio pabaigoje, tačiau didžiąją laiko dalį praleido tyrinėdamas nanotechnologijas ir pažangios keramikos chemiją.

Rudenį Fulopas ir Chiangas kartu su Bartu Riley, inžinieriumi Chiangu, žinomu iš savo ankstesnės įmonės, įkūrė A123 Systems. Planas buvo komercializuoti vieną iš radikalesnių Čiango idėjų: medžiagas, kurias maišant kartu, spontaniškai susirinktų ir susidarytų veikianti baterija. Šis procesas pažadėjo padidinti energijos kaupimo pajėgumus ir sumažinti gamybos sąnaudas.

Didžioji Chiang idėja sulaukė investuotojų susidomėjimo. Iki 2001 m. pabaigos pirmasis finansavimo etapas iš įvairių rizikos kapitalo įmonių atnešė 8,3 mln. USD. „Motorola“ ir „Qualcomm“, suintriguotos geresnių baterijų, skirtų nešiojamajai elektronikai, perspektyva, netrukus pridėjo 4 mln. Tačiau greitai tapo aišku, kad komercinis savarankiškai surenkamas akumuliatorius yra daug metų nuo realybės. Chiang sako, kad technologija vis dar buvo gana pradinė.

Tačiau 2002 m. pradžioje Chiangas padarė nuostabų atradimą, kuris visiškai pakeis įmonės kryptį. Jis pradėjo dirbti su ličio geležies fosfatu, kuris yra netoksiškas, saugus ir nebrangus, skirtingai nei kitose ličio jonų baterijose naudojamos medžiagos. Tačiau atrodė, kad jis turi rimtų trūkumų. Jis kaupia mažiau energijos nei ličio kobalto oksidas, įprastų ličio jonų akumuliatorių elektrodų medžiaga, todėl atrodė, kad jis netinkamas naudoti nešiojamojoje elektronikoje, kur energijos kaupimas yra svarbiausias. Be to, jis įkraunamas ir išsikraunamas lėtai, todėl jo negalima naudoti didelės galios įrenginiuose, pavyzdžiui, hibridinėse elektrinėse transporto priemonėse; Net visiškai elektra varomuose automobiliuose, kuriuose naudojama daug daugiau akumuliatorių elementų nei hibridų, medžiaga negalėjo tiekti pakankamai galios.

Taigi Čiangas pradėjo jį modifikuoti, pridėdamas metalų pėdsakus. Netrukus medžiaga iškrovė galią gana dideliu greičiu. 2002 m. viduryje jis išskrido į Monterey, Kaliforniją, kad pristatytų savo išvadas konferencijoje. Kol jis ten buvo, MIT absolventas tęsė testus. Tuo metu, kai Chiangas turėjo kalbėti, medžiaga pasirodė keturis kartus greičiau nei jis buvo atėjęs paskelbti. Tuo metu mes žinojome, kad turime kažką ypatingo, sako jis.

Galiausiai Chiangas parodys, kad medžiaga gali tiekti 10 kartų didesnį elektros energijos srautą, nei naudojama įprastose ličio jonų baterijose. Išsamiai ištyręs aukštos kokybės medžiagą, jis nustatė, kad jos galia priklauso ir nuo jo naudotų dalelių dydžio (mažiau nei 100 nanometrų), ir dėl papildomų metalų. Pasak jo, šių veiksnių derinys lemia esminį skirtumą, kaip medžiagą sudarantys atomai persitvarko, kai gauna ir išleidžia krūvį.

Supakuota: A123 akumuliatoriaus elementai (aukščiau) buvo integruoti į T formos paketą, kurį sukūrė Vokietijos įmonė „Continental“.

Visose ličio jonų baterijose elektra susidaro, kai ličio jonai juda tarp dviejų elektrodų, o elektronai keliauja per išorinę grandinę. Ankstyvuosiuose Chiango eksperimentuose su ličio geležies fosfatu medžiagos dalys, kuriose buvo ličio, atsiskirdavo nuo tų, kuriose nebuvo, ličio jonams judant į elektrodą ir iš jo. Tai pakeitė medžiagos kristalinę struktūrą ir pablogėjo jos veikimas. Tačiau Chiangas išsiaiškino, kad kai ličio geležies fosfato dalelės yra pakankamai mažos, o elektrodas buvo modifikuotas arba legiruotas, pridedant kitų metalų, medžiagos kristalinė struktūra pasikeičia daug mažiau. Dėl to ličio jonai gali greičiau judėti ir išeiti, nesuardydami medžiagos. Iš viso Chiangas nustatė, kad modifikuota medžiaga kraunasi ir išsikrauna greičiau nei įprastas ličio geležies fosfatas, be to, ji truko ilgiau.

Nors naujoji akumuliatoriaus medžiaga atrodė nepaprasta, Chiang iškart suprato, kad ji nėra ideali nešiojamai elektronikai. Atrodo, kad nėra paruoštos rinkos lengviems, kompaktiškiems akumuliatoriams, kurie tiektų didelius energijos srautus. Hibridinės transporto priemonės, natūraliai tinkančios, tik pradėjo pasirodyti rinkoje. Chiangas nežinojo, kad didelė elektrinių įrankių įmonė tyliai dirbo su naujos kartos belaidžiais įrankiais ir jai buvo sunku rasti akumuliatorių, kuris atitiktų jos poreikius.

Galingas startas
2003 m. Black and Decker atstovai susitiko su Fulop ir A123 generaliniu direktoriumi Dave'u Vieau ir jiems pasakė, kad nori sukurti belaidžius elektrinius įrankius, kurie veiktų geriau nei prie sienos prijungti įrankiai. A123 medžiaga atrodė puikiai tinkanti. Trumpomis serijomis jis gali tiekti daugiau energijos nei buitinė grandinė. Ir turėjo kitų savybių, kurios būtų patrauklios statybvietėje. Jį galima greitai įkrauti (iki 80 procentų talpos per 12 minučių ar mažiau), ir skirtingai nuo baterijų, pagamintų naudojant ličio kobalto oksidą, jis gali atlaikyti atšiaurų apdorojimą ir neužsidegti.

Tai bent jau buvo teorija. Kai Fulop ir Vieau pirmą kartą susitiko su Black ir Decker, jie turėjo tik akumuliatoriaus elemento modelį, pusę gramo medžiagos ir PowerPoint pristatymą. Black and Decker reikėjo įmonės, kuri galėtų pagaminti milijonus baterijų. Daug dėmesio buvo skiriama medžiagai, bet mes turėjome išmokti, kaip tai padaryti, tai sukurti visą kamerą, sako Chiangas.

Tačiau per metus nuo pradinio susitarimo su Black and Decker pasirašymo A123 pagamino komerciškai įmanomą bateriją. Iki 2005 m. lapkričio mėn. pirmieji jo gaminiai buvo išleisti iš surinkimo linijų Azijoje. Per mažiau nei trejus metus įmonė pastatė monetos dydžio demonstracinę bateriją ir pastatė 50 metrų ilgio dengimo mašinas ir 28 000 kvadratinių metrų gamyklas, kuriose dirba šimtai darbuotojų. Iki 2006 m. klientai pirko jo baterijas iš naujos profesionalių įrankių linijos, kurią parduoda Black and Decker. Trumpai tariant, A123 baterijas pagamindavo milijonais per metus.

Vokiečių pastatytas: T formos pakuotėje (aukščiau) yra A123 akumuliatoriaus elementai. GM bando pakuotę imituotomis vairavimo sąlygomis prieš sujungdamas ją į elektrinės transporto priemonės prototipą.

Automobilių įkrovimas
Tuo tarpu GM pergalvojo savo technologijų strategiją, nes „Toyota“ pradėjo dominuoti hibridinių transporto priemonių versle. Hibridinis akumuliatorius naudoja tik dalį laiko, o didžioji dalis galios priklauso nuo benzininio variklio. GM nusprendė sukurti automobilį, kuris leistų klientams nustoti naudoti benziną daugeliui kasdienių vairavimo priemonių. Tačiau norint jį ištraukti, automobilių gamintojui reikėjo didelio našumo ir patikimo akumuliatoriaus. Ir už tai kreipėsi į A123.

GM žinojo, kad nori naudoti ličio jonų baterijas dėl jų talpos, sako Denise Gray, GM energijos kaupimo sistemų direktorė. Tačiau ji taip pat žinojo, kad esama technologija to nepadarys. Nors ličio jonų nešiojamojo kompiuterio baterija gali atlaikyti 500 pilnų įkrovimo ir iškrovimo ciklų, kol jo talpa neišnyks, nė vienas automobilio savininkas nenori pirkti naujos baterijos kas 18 mėnesių. Tačiau, remiantis A123 prognozėmis, jo baterijos turėtų būti pajėgios kasdien įkrauti daugiau nei 15 metų. Be to, kad A123 yra saugesni nei kiti ličio jonų akumuliatoriai, jie veikia žemesnėje temperatūroje, todėl lengviau sudėti šimtus jų į didelį akumuliatorių, sako Grėjus.

Kai A123 elektrinių įrankių baterijos yra cilindrinės, akumuliatorius, sukurtas voltui, yra išsikrovęs, kad būtų taupoma vieta ir efektyviau išsklaido šilumą. Elementai buvo surinkti į užbaigtus baterijų paketus, kurie yra T formos ir beveik dviejų metrų ilgio. Šį pavasarį akumuliatoriai bus įsukami į transporto priemonių prototipus, skirtus bandymams keliuose. Vėliau šiais metais A123 planuoja padidinti baterijų gamybą, kad patenkintų numatomą paklausą. Pirmieji automobiliai, varomi A123 technologija, gali nuvažiuoti nuo surinkimo linijų 2010 m. (GM taip pat bando kitos įmonės baterijas ir gali naudoti vienos arba abiejų įmonių baterijas.)

Jei „Voltas“ bus populiarus, elektromobiliai pagaliau galėtų pradėti kilti – tai galėtų sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją ir naftos suvartojimą. Neseniai atliktas Elektros energijos tyrimų instituto ir Gamtos išteklių gynybos tarybos tyrimas rodo, kad elektrinės transporto priemonės, panašios į GM automobilius, 2010–2050 m. galėtų pašalinti milijardus tonų šiltnamio efektą sukeliančių dujų. „General Electric“ tyrimas rodo, kad jei pusė transporto priemonių kelias 2030 m. bus varomas elektra, naftos suvartojimas Jungtinėse Valstijose sumažės šešiais milijonais barelių per dieną.

Ir baterijos, tokios kaip A123, gali turėti daug daugiau nei voltų pasekmių. Netgi automobiliai su vidaus degimo varikliais kuriami taip, kad jie labiau pasikliaudytų elektra: paprasčiausi pavyzdžiai yra akumuliatoriai, įkraunami iš sumaišytų generatorių, kurie leistų automobiliui išjungti variklį, kai priartėja prie šviesoforo, ir vėl užsivesti, kai vairuotojas paspaudžia akceleratorių. . Įprastuose hibriduose A123 baterijų versijos gali tiekti tiek pat galios, kiek nikelio-metalo hidrido akumuliatoriai, sveriantys penktadalį. Nauji akumuliatoriai taip pat gali būti naudingi įkraunamiems hibridams, kuriuos galima įkrauti iš standartinio elektros lizdo. Iš tiesų, A123 akumuliatoriai gali būti naudojami hibridinio visureigio „Saturn Vue“ versijoje, kuri turėtų pasirodyti 2010 m.

Kad ir koks būtų jų dizainas, būsimi automobiliai greičiausiai daug labiau priklausys nuo elektros. Mes dar nesame, sako Chiang. Visur nėra voltų. Tačiau potencialas turėti didelį poveikį tiek naftos tiekimo problemai, tiek šiltnamio efektą sukeliančioms dujoms – neįsivaizdavau, kad galėsime tai padaryti. Tikrai ne tada, kai pradėjau dirbti su baterijomis.

Kevinas Bullisas yra VAIKAI Nanotechnologijų ir medžiagų mokslo redaktorius.

paslėpti