Elektryzujący start-up

To najszybszy motocykl elektryczny na świecie. Na popularnym filmie na YouTube czarny dragster niemal znika w chmurze dymu, gdy kierowca wypala się, obracając tylnym kołem, aby go rozgrzać. Gdy dym odpływa, kierowca ustawia się na pozycji i naciska przełącznik, a motocykl rusza do przodu, przyspieszając do 100 km/h w mniej niż sekundę. Siedem sekund później przekracza granicę ćwierć mili z prędkością 168 mil na godzinę – wystarczająco szybko, aby konkurować z dragsterami napędzanymi gazem.

Uderzenie boczne: Akumulator zaprojektowany przez A123 Systems do pojazdu elektrycznego GM Volt może przetrwać test bezpieczeństwa podczas zgniatania. Uderzenie z dużą prędkością mogło spowodować przegrzanie i zapalenie się innych akumulatorów litowo-jonowych.

To, co napędza Killacycle, to nowatorska bateria litowo-jonowa opracowana przez A123 Systems, start-up w Watertown, MA – jedną z niewielu firm pracujących nad podobną technologią. Akumulatory firmy przechowują ponad dwa razy więcej energii niż akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe stosowane we współczesnych samochodach hybrydowych, zapewniając jednocześnie impulsy mocy niezbędne do uzyskania wysokiej wydajności. Radykalnie zmodyfikowana wersja akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w przenośnej elektronice, technologia może pobudzić długo rozrzedzony rynek pojazdów elektrycznych, który dziś stanowi zaledwie ułamek 1 procenta sprzedaży pojazdów w Stanach Zjednoczonych. Szczególnie akumulatory A123 wzbudziły zainteresowanie General Motors, który testuje je jako sposób na zasilanie Volta, samochodu elektrycznego z generatorem benzyny; pojazd ma wejść do masowej produkcji już w 2010 roku.

W przeszłości producenci samochodów oskarżali o słabą sprzedaż pojazdów elektrycznych ich akumulatory ołowiowo-kwasowe lub niklowo-wodorkowe, które były tak ciężkie, że ograniczały zasięg pojazdu i były tak nieporęczne, że zajmowały miejsce w bagażniku. Chociaż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe są znacznie lżejsze i bardziej kompaktowe, nie są opłacalne w przypadku pojazdów elektrycznych. Dzieje się tak częściowo dlatego, że wykorzystują elektrody z tlenku litu i kobaltu, które mogą być niestabilne: oparte na nich baterie zużywają się po kilku latach i mogą wybuchnąć w przypadku przebicia, zgniecenia, przeładowania lub przegrzania. Niektórzy producenci samochodów próbowali rozwiązać te problemy, ale wyniki były drogie.

Akumulatory A123 mogą wreszcie sprawić, że technologia litowo-jonowa będzie praktyczna dla przemysłu motoryzacyjnego. Zamiast tlenku kobaltu wykorzystują materiał elektrodowy wykonany z nanocząsteczek fosforanu litowo-żelazowego modyfikowanego metalami śladowymi. Powstałe baterie prawdopodobnie nie zapalą się, nawet jeśli zostaną zmiażdżone w wypadku. Są również znacznie bardziej wytrzymałe niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe: A123 przewiduje, że będą działać dłużej niż typowy okres eksploatacji samochodu.

Notatnik reportera : Kevin Bullis

Obietnica baterii sprawiła, że ​​A123 stał się jednym z najlepiej finansowanych startupów technologicznych w kraju, z dotychczasowymi inwestycjami typu venture capital w wysokości 148 milionów dolarów. Dzięki finansowaniu A123 realizuje ambitny biznesplan, który wymaga od niej zrobienia wszystkiego, od udoskonalenia materiału po produkcję akumulatorów i sprzedaż ich klientom z branży motoryzacyjnej i elektronarzędziowej.

Akumulatory A123 do Volta GM przechowują wystarczającą ilość energii na 40 mil jazdy, wystarczającą do pokrycia codziennych dojazdów. (Podczas dłuższych podróży uruchamiał się mały silnik benzynowy, aby naładować akumulator, zwiększając zasięg do ponad 400 mil.) GM planuje sprzedać pojazdy za około 30 000 do 35 000 USD; firma uważa, że ​​może sprzedać setki tysięcy w tej cenie w ciągu pierwszych kilku lat, a J. D. Power and Associates szacuje, że GM sprzeda prawie 300 000 do 2014 roku.

Multimedia

• Dowiedz się, jak działają różne rodzaje hybryd, korzystając z tego interaktywnego podkładu.

Materiały mają znaczenie
Na początku 2001 roku 26-letni wenezuelski przedsiębiorca Ric Fulop wszedł do biura Yet-Ming Chiang, profesora materiałoznawstwa na MIT, bez umówionego spotkania. Po prostu pojawił się i zapukał do drzwi, wspomina Chiang. Fulop, który założył już trzy firmy z kapitałem venture, potrzebował pomocy w założeniu firmy produkującej akumulatory i wiedział, że Chiang prowadzi badania nad akumulatorami z wykorzystaniem nanotechnologii. Sam Chiang był współzałożycielem odnoszącego sukcesy startupu pod koniec lat 80., ale większość czasu spędził na badaniu nanotechnologii i chemii zaawansowanej ceramiki.

Jesienią Fulop i Chiang wraz z Bartem Rileyem, inżynierem, którego Chiang znał z poprzedniego przedsięwzięcia, byli współzałożycielami A123 Systems. Plan polegał na skomercjalizowaniu jednego z bardziej radykalnych pomysłów Chianga: materiałów, które po zmieszaniu spontanicznie połączą się, tworząc działającą baterię. Proces obiecywał zwiększenie pojemności magazynowania energii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji.

Wielki pomysł Chianga okazał się hitem wśród inwestorów. Pod koniec 2001 roku pierwsza runda finansowania przyniosła 8,3 miliona dolarów z różnych firm venture capital. Motorola i Qualcomm, zaintrygowane perspektywą lepszych baterii do przenośnej elektroniki, wkrótce dołożyły 4 miliony dolarów. Ale szybko stało się jasne, że komercyjny akumulator do samodzielnego montażu był oddalony o lata od rzeczywistości. Technologia była wciąż dość prymitywna, mówi Chiang.

Jednak na początku 2002 roku Chiang dokonał zaskakującego odkrycia, które całkowicie zmieniło kierunek firmy. Zaczął pracować z fosforanem litowo-żelazowym, który jest nietoksyczny, bezpieczny i niedrogi, w przeciwieństwie do materiałów stosowanych w innych akumulatorach litowo-jonowych. Ale wydawało się, że ma kilka poważnych wad. Przechowuje mniej energii niż tlenek litowo-kobaltowy, materiał elektrodowy w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych, więc wydawał się nieodpowiedni do stosowania w przenośnej elektronice, gdzie magazynowanie energii ma kluczowe znaczenie. Ponadto ładuje się i rozładowuje powoli, co wyklucza jego zastosowanie w zastosowaniach o dużej mocy, takich jak hybrydowe pojazdy elektryczne; nawet w przypadku w pełni elektrycznych samochodów, które wykorzystują znacznie więcej ogniw niż hybrydy, materiał nie był w stanie dostarczyć wystarczającej mocy.

Więc Chiang zaczął go modyfikować, dodając śladowe ilości metali. Wkrótce materiał rozładowywał moc w stosunkowo wysokim tempie. W połowie 2002 roku poleciał do Monterey w Kalifornii, aby przedstawić swoje odkrycia na konferencji. Kiedy tam był, absolwent MIT kontynuował testy. W czasie, gdy Chiang miał przemawiać, materiał grał z szybkością czterokrotnie wyższą niż ta, którą miał ogłosić. W tamtym momencie wiedzieliśmy, że mamy coś wyjątkowego, mówi.

Ostatecznie Chiang wykazał, że materiał może dostarczać impulsy energii elektrycznej z szybkością dziesięciokrotnie większą niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych. Po szczegółowym przestudiowaniu materiału o wysokiej wydajności ustalił, że zawdzięcza swoją moc zarówno rozmiarowi użytych cząstek (mniej niż 100 nanometrów), jak i dodaniu dodatkowych metali. Jak mówi, połączenie tych czynników powoduje fundamentalną różnicę w sposobie, w jaki atomy tworzące materiał przestawiają się, gdy otrzymują i uwalniają ładunek.

Spakowany: Ogniwa baterii A123 (powyżej) zostały zintegrowane z pakietem w kształcie litery T zaprojektowanym przez niemiecką firmę Continental.

We wszystkich akumulatorach litowo-jonowych energia elektryczna jest wytwarzana, gdy jony litu przemieszczają się między dwiema elektrodami, podczas gdy elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny. We wczesnych eksperymentach Chianga z fosforanem litowo-żelazowym części materiału, które zawierały lit, oddzielały się od tych, które go nie zawierały, gdy jony litu wchodziły i wychodziły z elektrody. Zmieniło to krystaliczną strukturę materiału i pogorszyło się jego działanie. Jednak Chiang odkrył, że gdy cząstki fosforanu litowo-żelazowego są wystarczająco małe – a elektroda została zmodyfikowana lub domieszkowana przez dodanie innych metali – struktura krystaliczna materiału zmienia się znacznie mniej. W rezultacie jony litu mogą szybciej wchodzić i wychodzić bez degradacji materiału. Podsumowując, Chiang odkrył, że zmodyfikowany materiał ładuje się i rozładowuje szybciej niż zwykły fosforan litowo-żelazowy, a także trwa dłużej.

Choć wydawało się, że nowy materiał na baterie jest niezwykły, Chiang od razu zdał sobie sprawę, że nie jest on idealny do przenośnej elektroniki. Wyglądało na to, że nie było gotowego rynku na lekkie, kompaktowe akumulatory, które zapewniałyby duże impulsy mocy. Na rynku dopiero zaczynały pojawiać się pojazdy hybrydowe, naturalnie dopasowane. Chiang nie wiedział, że duża firma produkująca elektronarzędzia cicho pracowała nad nową generacją narzędzi bezprzewodowych i miała problem ze znalezieniem akumulatora, który zaspokoiłby jej potrzeby.

Potężny start
W 2003 roku przedstawiciele Black and Decker spotkali się z dyrektorem generalnym Fulop i A123, Davem Vieau, i powiedzieli im, że chcą stworzyć bezprzewodowe elektronarzędzia, które będą działać lepiej niż narzędzia podłączone do ściany. Materiał A123 wydawał się idealnie pasować. W krótkich seriach może dostarczyć więcej energii niż obwód domowy. Miał też inne cechy, które byłyby atrakcyjne na placu budowy. Można go szybko naładować (do 80 procent pojemności w ciągu 12 minut lub mniej) i w przeciwieństwie do baterii wykonanych z tlenku litu i kobaltu, może przetrwać trudne warunki bez zapalania się.

Taka przynajmniej była teoria. Kiedy Fulop i Vieau po raz pierwszy spotkali się z Black and Decker, mieli tylko model ogniwa baterii, pół grama materiału i prezentację PowerPoint. To, czego potrzebował Black and Decker, to firma, która mogłaby wyprodukować miliony akumulatorów. Położono duży nacisk na materiał, ale musieliśmy się nauczyć, jak zrobić, to zaprojektować całe ogniwo, mówi Chiang.

Jednak w ciągu roku od podpisania wstępnej umowy z Black and Decker, A123 wyprodukował komercyjnie wykonalny akumulator. Do listopada 2005 roku pierwsze produkty firmy schodziły z linii montażowych w Azji. W niecałe trzy lata firma przeszła od budowy baterii demonstracyjnej wielkości monety do budowy maszyn do powlekania o długości 50 metrów i fabryk o powierzchni 28 000 metrów kwadratowych, prowadzonych przez setki pracowników. Do 2006 roku klienci kupowali akumulatory z nowej linii profesjonalnych narzędzi sprzedawanych przez Black and Decker. Krótko mówiąc, A123 produkował akumulatory w tempie milionów rocznie.

Niemiecki zbudowany: Opakowanie w kształcie litery T (powyżej) zawiera ogniwa baterii A123. GM testuje pakiet w symulowanych warunkach jazdy, zanim przykręci go do prototypu pojazdu elektrycznego.

Ładowanie samochodów
W międzyczasie GM przemyślał swoją strategię technologiczną, gdy Toyota zaczęła dominować w branży pojazdów hybrydowych. Hybryda wykorzystuje akumulator tylko przez część czasu, a większość mocy opiera się na silniku benzynowym. GM zdecydowało się opracować samochód, który umożliwiłby swoim klientom całkowite zaprzestanie używania benzyny do większości codziennej jazdy. Ale aby to zrobić, producent samochodów potrzebował wydajnego i niezawodnego akumulatora. I za to zwrócił się do A123.

GM wiedział, że chce używać akumulatorów litowo-jonowych ze względu na ich pojemność, mówi Denise Gray, dyrektor GM ds. systemów magazynowania energii. Ale wiedział też, że istniejąca technologia nie wystarczy. Chociaż bateria litowo-jonowa do laptopa może przetrwać 500 pełnych cykli ładowania i rozładowania, zanim jej pojemność spadnie, żaden właściciel samochodu nie chce kupować nowej baterii co 18 miesięcy. Jednak zgodnie z przewidywaniami A123 jego akumulatory powinny być w stanie zapewnić codzienne ładowanie przez ponad 15 lat. Oprócz tego, że są bezpieczniejsze niż inne akumulatory litowo-jonowe, A123 działają w niższej temperaturze, co ułatwia spakowanie ich setek razem do dużego zestawu akumulatorów, mówi Gray.

Tam, gdzie akumulatory do elektronarzędzi A123 są cylindryczne, akumulator opracowany dla Volta jest płaski, aby zaoszczędzić miejsce i skuteczniej rozpraszać ciepło. Ogniwa zostały zmontowane w kompletne pakiety baterii, które mają kształt litery T i prawie dwa metry długości. Tej wiosny akumulatory zostaną przykręcone do prototypów pojazdów do testów drogowych. A jeszcze w tym roku A123 planuje zwiększyć produkcję baterii, aby zaspokoić przewidywany popyt. Pierwsze samochody napędzane technologią A123 mogą zjeżdżać z linii montażowych w 2010 roku. (GM testuje również akumulatory innej firmy i może używać akumulatorów jednej lub obu firm).

Jeśli Volt będzie popularny, samochody elektryczne mogą wreszcie zacząć startować, a to może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i zużycie ropy naftowej. Niedawne badanie przeprowadzone przez Electric Power Research Institute i Natural Resources Defense Council sugeruje, że pojazdy elektryczne podobne do samochodów GM mogą wyeliminować miliardy ton emisji gazów cieplarnianych w latach 2010-2050. Badanie przeprowadzone przez General Electric wskazuje, że jeśli połowa pojazdów będzie drogi w 2030 r. będą napędzane elektrycznie, zużycie ropy naftowej w Stanach Zjednoczonych zmniejszy się o sześć milionów baryłek dziennie.

A baterie takie jak A123 mogą mieć reperkusje daleko poza Volt. Nawet samochody z silnikami spalinowymi są projektowane tak, aby w większym stopniu opierały się na energii elektrycznej: najprostsze przykłady obejmują akumulatory ładowane przez podrasowane alternatory, które umożliwiłyby samochodowi wyłączenie silnika, gdy zbliża się do światła stopu i ponowne uruchomienie, gdy kierowca wciśnie pedał gazu. . W konwencjonalnych hybrydach wersje akumulatorów A123 mogą dostarczać tyle samo mocy, co akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe przy jednej piątej wagi. Nowe baterie mogą również skorzystać z hybryd typu plug-in, które można ładować ze standardowego gniazdka elektrycznego. Rzeczywiście, akumulatory A123 mogą być używane w hybrydowej wersji SUV-a Saturn Vue, która ma się ukazać w 2010 roku.

Niezależnie od konstrukcji przyszłe samochody będą prawdopodobnie w znacznie większym stopniu polegać na energii elektrycznej. Jeszcze nas tam nie ma, mówi Chiang. Wszędzie nie ma woltów. Ale potencjał, aby mieć duży wpływ, zarówno na kwestię dostaw ropy, jak i gazów cieplarnianych – nie wyobrażałem sobie, że będziemy w stanie to zrobić. Na pewno nie, kiedy zacząłem pracować na bateriach.

Kevin Bullis jest DZIECI Redaktor ds. nanotechnologii i materiałoznawstwa.

ukryć