Naujos ličio-metalo baterijos paskatins pereiti prie elektromobilių

Dėl naujo tipo akumuliatoriaus elektromobiliai pagaliau galėtų būti tokie pat patogūs ir pigūs kaip dujiniai.

Rentgeno spindulių difraktometras naudojamas QuantumScape akumuliatoriaus komponentams patikrinti. Kaltieji yra Wintermeyer

pateikė

• Jokūbo šventykla archyvo puslapis

2021 m. vasario 24 d

• 
  Kodėl tai svarbu:

  Akumuliatorių veikimo apribojimai sustabdė perėjimą prie švaresnių elektromobilių ir elektrinių lėktuvų.

• 
  Pagrindiniai žaidėjai:

  • QuantumScape

  
  
  

  • Samsung Advanced Institute of Technology

  • Tvirta galia

  • 24 mln

  
  
  

• 
  Prieinamumas:

  2025 m

Nepaisant visų ažiotažų ir vilčių, susijusių su elektromobiliais, jos vis dar sudaro tik apie 2 % naujų automobilių pardavimų JAV ir tik šiek tiek daugiau visame pasaulyje.

Daugeliui pirkėjų jie tiesiog per brangūs, jų asortimentas per ribotas, o įkrauti nėra taip greita ir patogu, kaip degalų papildymas prie siurblio.

Ši istorija buvo mūsų 2021 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Visi šie apribojimai yra susiję su ličio jonų akumuliatoriais, kurie maitina transporto priemones. Jie brangūs, sunkūs ir greitai išsenka. Dar blogiau, kad akumuliatoriai priklauso nuo skystų elektrolitų, kurie susidūrimo metu gali užsiliepsnoti.

Kad elektromobiliai taptų konkurencingesni dujomis varomų automobilių atžvilgiu, reikės naujoviško akumuliatoriaus, kuris ištaisytų šiuos trūkumus. Bent jau taip teigia Jagdeep Singh, Silicio slėnio startuolio QuantumScape generalinis direktorius, kuris teigia, kad sukūrė ką tik. tokia technologija .

Bendrovė tvirtina, kad tai padarė išspręsdama chemijos galvosūkį, kuris tyrėjus trikdo beveik pusę amžiaus: kaip panaudoti litį, lengviausią metalą periodinėje lentelėje, kad padidėtų energijos kiekis, kurį galima supakuoti į bateriją, nesukeliant įprastinė gaisro rizika arba kitaip paaukoti našumą. Bendrovė teigia, kad didžiąja dalimi tai pasiekė sukūrusi kietą degaus skysto elektrolito versiją.

VW buvo pakankamai sužavėtas, kad į QuantumScape investuotų šimtus milijonų dolerių. Vokietijos automobilių gigantas taip pat sutiko įkurti bendrą įmonę su įmone masinei akumuliatorių gamybai ir teigia, kad iki 2025 m. jie bus naudojami jos elektromobiliuose ir sunkvežimiuose.

Greitesnis įkrovimas ir ilgesnis atstumas

Įprastoje ličio jonų baterijoje vienas iš dviejų elektrodų, anodas, daugiausia pagamintas iš grafito. Tai anglies forma, kuri gali lengvai paimti ir išleisti įkrautus ličio jonus, kurie per elektrolitą juda pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo. Tas įkrautų dalelių srautas gamina elektros srovę, kuri teka iš baterijos, kad maitintų viską, ko reikia. Tačiau grafitas yra tik ličio jonų, kurie yra tarp lentynose esančių anglies paketų lakštų, šeimininkas. Tai negyvas svoris, kuris nekaupia energijos ir negamina srovės.

Ličio metalo baterijoje pats anodas pagamintas iš ličio. Tai reiškia, kad beveik kiekvienas akumuliatoriaus anodo atomas taip pat gali būti naudojamas kuriant srovę. Teoriškai ličio metalo anodo baterija galėtų sukaupti 50% daugiau energijos nei tokio pat svorio ir tūrio baterija, kuri buvo pagrįsta grafitu.

Tačiau kadangi ličio metalas yra toks reaktyvus, nuolatinis kontaktas su skystu elektrolitu gali sukelti reakcijas, kurios suardo bateriją arba sukelia jos degimą, sako Venkatas Viswanathanas, Carnegie Mellon docentas, dirbantis su ličio metalo baterijomis ir „QuantumScape“ konsultantas. Kita problema yra ta, kad ličio jonams tekant pirmyn ir atgal, baterijose gali susidaryti adatos formos dariniai, vadinami dendritais, dėl kurių gali sutrumpėti elementas arba ji gali užsidegti.

„QuantumScape“ elemento prototipas turi kietą paprastai skysto elektrolito versiją.

WINNI WINTERMEYER

„QuantumScape“, paskelbta viešai lapkritį po to, kai dešimtmetį veikė slaptu režimu, vis dar stabdo kai kurias svarbias detales, kaip jos kietojo elektrolito akumuliatorius įveikia šias problemas. Tačiau atrodo, kad jis veikia nepaprastai gerai.

Gruodžio mėn. internetiniame pristatyme startuolis parodė daugybę diagramų, rodančių, kad vieno sluoksnio laboratorinę baterijos versiją galima įkrauti daugiau nei 80% talpos per 15 minučių, jos užtenka šimtams tūkstančių mylių ir veikia. puikiai tinka užšalimo temperatūrai. Bendrovė tikisi, kad akumuliatoriai galės padidinti elektromobilių atstumą daugiau nei 80 %: automobilis, kuris šiandien vienu įkrovimu gali nuvažiuoti 250 mylių, vietoj to galėtų nuvažiuoti 450 mylių.

„QuantumScape“ sugrąžino mane ant kulnų, sako Nancy Dudney, baterijų tyrinėtoja iš Oak Ridge nacionalinės laboratorijos, atlikusi novatorišką darbą kietojo kūno elektrolitų srityje. Iš pirmo žvilgsnio jis atrodo tikrai gerai, sako ji, nors priduria: „Mes jau buvome čia su kitais baterijų patobulinimais.

Iš tiesų, baterijų lauke gausu pavyzdžių naujų įmonių, kurios žadėjo proveržio technologijas, bet galiausiai žlugo. „QuantumScape“ laukia bauginantys iššūkiai, ypač kai reikia konvertuoti jos prototipų elementus į komercinius produktus, kuriuos galima pagaminti pigiai.

Jei įmonei pasiseks, ji gali pakeisti EV rinką. Sumažinus išlaidas, padidinus atstumą ir padarius įkrovimą beveik taip pat patogiu, kaip pildyti degalinėje, paklausa gali padidėti ne tik žmonės, kurie gali sau leisti pakloti tūkstančius dolerių už įkrovimo prievadus namuose, ir palengvinti nerimą tiems, kurie bijo būti įstrigę. ilgesnes keliones.

Dėl papildomo energijos tankio ir greitesnio įkrovimo taip pat būtų praktiškesnis elektrifikavimas kitų rūšių transportui, įskaitant tolimųjų reisų sunkvežimius ir net trumpo nuotolio skrydžius. (Kaip premiją, jis taip pat pristatytų telefonus ir nešiojamuosius kompiuterius, kurie vienu įkrovimu galėtų veikti kelias dienas.)

Akumuliatoriaus gimimas

Ličio metalo baterijų istorija prasidėjo aštuntojo dešimtmečio pradžioje ir yra glaudžiai susipynusi su ličio jonų baterijų, nuo kurių šiandien priklausome, kūrimu.

Epochos naftos krizės kartu su tuo, kas, kaip paaiškėjo, buvo labai ankstyvos naftos piko baimės, pirmą kartą nuo automobilių pramonės atsiradimo pradžios staiga vėl paskatino susidomėjimą elektrinėmis transporto priemonėmis. Iki 1972 m. American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW ir kiti gamino elektromobilius, kaip knygoje aprašo mokslo rašytojas Sethas Fletcheris. Butelių apšvietimas . Tuo tarpu didelės pramoninės laboratorijos, įskaitant GE, Dow Chemical ir Exxon, ieškojo geresnių akumuliatorių cheminių medžiagų.

Tuometiniai akumuliatoriai, kurie dažniausiai buvo švino rūgšties, negalėjo tiekti niekur artimo dujinių variklių atstumų ar greičių. „General Motors“ 1969 m. eksperimentinis 512 elektromobilis gali pasigirti maždaug 30 mylių per valandą greičiu, o nuotolis – 47 mylios.

Ličio jonų akumuliatoriuje ličio jonai juda pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo, kai baterija kraunasi ir išsikrauna. QuantumScape akumuliatoriuje jonai keliauja per separatorių ir sudaro idealiai plokščią sluoksnį tarp jo ir elektrinio kontakto, sukuriant anodą, kai jis įkraunamas. Išeikvotoje būsenoje jam trūksta anodo.

1972 m. Exxon tyrimų skyrius pasamdė jauną chemiką Staną Whittinghamą, remdamasis jo podoktorantūros darbu Stanforde. Tiksliau, jis kūrė kristalines medžiagas, kurios leido jonams lengvai tekėti ir išeiti. „Exxon“ Whittinghamas ir jo kolegos pradėjo eksperimentuoti su daug žadančia akyta katodo medžiaga – titano disulfidu. Jie suporavo jį su anodu, pagamintu iš metalinio ličio, labai reaktyvios medžiagos, kuri lengvai išskiria savo elektronus. Tai veikė stebėtinai gerai.

Komanda kreipėsi dėl patento 1973 m., paskelbė orientyrą popierius moksle 1976 m. ir pademonstravo didesnę kamerų versiją automobilių parodoje 1977 m .

Devintojo dešimtmečio pradžioje naftos krizė praėjo. Naujoji „Exxon“ vadovybė nusprendė atsisakyti bet kokios verslo linijos, neturėdama galimybės tapti 100 mln. USD metine rinka. Bendrovė atsisakė elektrinių transporto priemonių ir baterijų gamybos. Jie sakė: „Jie per maži, kad galėtume dalyvauti“, – sako Vitingamas.

Ličio jonai perima

Ličio metalo baterijos buvo daug pranašesnės už švino rūgšties baterijas, tačiau jos taip pat turėjo trūkumų, kurių Exxon komanda niekada neišsprendė, įskaitant įprotį laboratorijoje sukelti gaisrus.

Kiti, kurie bandė komercializuoti ličio metalo baterijas, susidūrė su panašiomis problemomis. Devintajame dešimtmetyje Moli Energy iš Britų Kolumbijos sukūrė 2,2 volto ličio metalo bateriją nešiojamiesiems kompiuteriams ir mobiliesiems telefonams. Tačiau 1989 metais užsidegė japonų mobilusis telefonas, sudegino jos savininką . Remiantis „Electric Autonomy Canada“ duomenimis, po tyrimo kaltę suvertus akumuliatoriui, tūkstančiai mobiliųjų telefonų buvo atšaukti, o įmonei buvo suteiktas bankrotas.

Tuo tarpu kiti rėmėsi Whittinghamo darbais. Johnas Goodenoughas, dabar Teksaso universiteto Ostine profesorius, naudojo kobalto oksidą, o ne titano disulfidą, kad sukurtų katodą, galintį sukaupti daugiau energijos. Akira Yoshino, Meijo universiteto profesorius, gryną ličio anodą pakeitė koksu (kita anglies forma), kuris vis tiek galėjo sukaupti daug ličio jonų, tačiau sumažino gaisro pavojų. Galiausiai „Sony“ mokslininkai surinko dalis, kad sukurtų pirmąsias komercines ličio jonų baterijas 1992 m. Whittingham, Goodenough ir Yoshino 201 m. pasidalino Nobelio chemijos premija 9 už vaidmenį proveržyje.

Nepaprasta ličio jonų baterijų, kurios dabar maitina mūsų nešiojamuosius kompiuterius, telefonus ir elektrines transporto priemones, sėkmė sužlugdė pastangas komercializuoti ličio metalo technologijas ateinantiems metams. Tačiau kai kurie niekada nepamiršo, kad ličio metalas gali būti efektyvesnė energijos kaupimo forma. Standartinių skystų elektrolitų, kurie yra efektyviai degūs tirpikliai, pakeitimas kietomis medžiagomis atrodė ypač perspektyvus tyrinėjimo būdas.

Maždaug 2000 m. Oak Ridge nacionalinės laboratorijos komanda demonstravo plonasluoksnes baterijas – tokias, kurios naudojamos mažoje elektronikoje, pavyzdžiui, intelektualiosiose kortelėse ir širdies stimuliatoriuose – kuriose buvo naudojama kietojo kūno ličio metalo technologija. Plonos plėvelės baterijų gamybos procesas ir dydis bei forma dažniausiai riboja jų naudojimą daugiau nei tik laikrodį, sako Paulas Albertusas, Merilendo universiteto baterijų ekspertas. Tačiau darbas buvo esminis veikiančios ličio metalo baterijos koncepcijos įrodymas.

Kelio nužudymas

Įvairūs startuoliai 2000-ųjų pabaigoje vėl pradėjo siekti šios technologijos. Tačiau pasirodė, kad tai klastingas kelias.

Kai kurie jau užsidarė. 2007 m. įkurtą „Seeo“ įsigijo Vokietijos įmonė „Bosch“, kuri vėliau nutraukė savo baterijų tyrimų pastangas. Prancūzijoje įsikūrusi bendrovė „Bolloré“ pirmoji į kelyje važiuojančias transporto priemones įdėjo kietojo kūno ličio metalo baterijas ir 2011 m. pradėjo „Bluecar“ automobilių dalijimosi programas. Tačiau jos polimerų pagrindu pagaminti elektrolitai veikia tik esant aukštesnei temperatūrai, o tai riboja jų naudojimą plataus vartojimo transporto priemonėse. .

Šioje gamybos linijoje gaminami QuantumScape baterijų katodai.

WINNI WINTERMEYER

Tačiau keletas kitų įmonių padarė naujausią pažangą. Visų pirma, praėjus dviem dienoms po „QuantumScape“ pristatymo praėjusį gruodį, 2012 m. įkurta Kolorado startuolis „Solid Power“ paskelbė, kad jau gamina bandomąsias 22 sluoksnių ličio metalo elementų partijas, kurios pranoktų šiandieninių elektrinių transporto priemonių akumuliatorių asortimentą. .

O sausio mėn. Energetikos departamento ARPA-E padalinys paskelbė, kad investuos 9 milijonus dolerių į baterijų bendrovės 24M ir Carnegie Mellon kompanijos Viswanathan pastangas sukurti ličio metalo baterijas, skirtas elektriniams lėktuvams, kuriose sukaupta energija ir tiekiama galia vienam kilogramui lemiamas.

„QuantumScape“ paleidimas

Bet kurios įmonės, kuriančios ličio metalo baterijas, gudrybė buvo tiksliai nustatyti elektrolitų medžiagas, kurios apsaugo nuo gaisro ir dendritų, tuo pačiu leidžiant jonams lengvai prasiskverbti ir kitaip nepabloginant akumuliatoriaus veikimo. Ir būtent tai QuantumScape teigia padariusi.

Susijusi istorija

Ši itin daug energijos sunaudojanti baterija galėtų beveik padvigubinti elektromobilių diapazoną Tačiau kai kurie stebėtojai nėra įsitikinę, kad „QuantumScape“ ličio metalo baterijos pradės maitinti automobilius ir sunkvežimius, kai tik bendrovė teigia.

Įmonės ištakos siekia 2009 m. Kai Singhas ruošėsi trauktis iš tinklo bendrovės, kurią jis kartu įkūrė, „Infinera“ generalinio direktoriaus pareigų, jis pradėjo kalbėtis su Stanfordo doktorantūru Timu Holme ir jo patarėju Friedrichu Prinzu apie įmonės steigimą jų naujų baterijų medžiagų tyrimai.

Kitais metais trijulė įkūrė „QuantumScape“, siekdama sukurti daug energijos naudojančias baterijas, turinčias didelę galią. Pirmiausia jie bandė tai padaryti sukurdami visiškai naujo tipo akumuliatorių, žinomą kaip visų elektronų baterija, tačiau pastebėjo, kad tai bus sunkiau, nei atrodė iš pradžių.

Iki to laiko įmonė buvo pritraukusi dešimtis milijonų dolerių iš rizikos kapitalo įmonių, tokių kaip Kleiner Perkins ir Khosla Ventures. Dėl to „QuantumScape“ liko pakankamai pinigų, kad galėtų tyliai pakeisti kryptį, siekdama svajonės apie ličio metalo technologiją.

Ateinančius penkerius metus bendrovė praleido ieškodama tinkamos medžiagos kietojo kūno elektrolitui sukurti, sako Singhas. Tada jis praleido dar penkis, kad sukurtų tinkamą sudėtį ir gamybos procesą, kad būtų išvengta defektų ir dendritų. Viskas, ką bendrovė pasakys apie savo elektrolitą, yra tai, kad tai keramika.

Ar mes jau čia?

Visi iki šiol paskelbti QuantumScape testai buvo atlikti su vieno sluoksnio ląstelėmis. (Šiam kūriniui išleidus į spaudą, bendrovė paskelbė, kad pagamino ir atliko 4 sluoksnių elementų bandymus, kurių rezultatai buvo panašūs.) Kad galėtų dirbti automobiliuose, įmonė turės gaminti baterijas, kuriose yra keliasdešimt sluoksnių , efektyviai pereinant iš vienos žaidimo kortos į kaladę. Ir vis tiek turės rasti būdą, kaip pagaminti šiuos elementus pakankamai pigiai, kad galėtų konkuruoti su ličio jonų baterijų technologija, kuri dominuoja dešimtmečius.

Tai bauginanti inžinerinė užduotis. Jie jau yra iš dalies – po 10 metų, 300 milijonų dolerių ir 150 žmonių, dirbusių ties tuo, dabar jie turi šią mažą žaidimo kortą, sako Albertusas iš Merilendo universiteto. Iki baterijų pristatymo tūkstančių metrinių tonų skalėje dar toli – ir tai tikrai sunkus iššūkis. Keletas akumuliatorių tyrinėtojų man pasakė, kad jie rimtai abejoja, ar „QuantumScape“ gali padidinti mastelį ir laiku atlikti visus saugos testus, kad tik po ketverių metų būtų galima įdėti akumuliatorius į kelius.

Atsižvelgiant į bendrovės rezultatus ir vilčių teikiančius kitų startuolių pranešimus, dauguma baterijų pasaulio žmonių mano, kad labiau tikėtina, kad problemos, kurios dešimtmečius trukdė ličio metalui, gali būti išspręstos, todėl tai yra MIT Technology Review sąraše. pažangios technologijos šiais metais. Tačiau taip pat aišku, kad nepaisant visos pažangos, padarytos nuo Whittinghamo laikų „Exxon“, dar laukia ilgas darbas.

Atnaujinimas: ši istorija buvo atnaujinta siekiant ištaisyti klaidą dėl to, kiek papildomos energijos teoriškai gali sukaupti ličio metalo baterija.

2021 m

10 proveržio technologijų