211service.com
Nowatorskie akumulatory litowo-metalowe umożliwią przejście na samochody elektryczne
Nowy typ akumulatora może wreszcie sprawić, że samochody elektryczne będą równie wygodne i tanie jak te na gaz.
Dyfraktometr rentgenowski służy do sprawdzania elementów baterii w QuantumScape. Winni Wintermeyer
24 lutego 2021
Dlaczego jest to ważne:Ograniczenia wydajności akumulatorów powstrzymały przejście na czystsze samochody elektryczne i prawie wykluczyły samoloty elektryczne.
Kluczowi gracze:• QuantumScape
• Zaawansowany Instytut Technologii Samsung
• Solidna moc
• 24M
Dostępność:2025
Mimo całego szumu i nadziei związanych z pojazdami elektrycznymi, nadal stanowią one tylko około 2% sprzedaży nowych samochodów w Stanach Zjednoczonych i nieco bardziej na całym świecie.
Dla wielu kupujących są po prostu za drogie, ich zasięg jest zbyt ograniczony, a ich ładowanie nie jest tak szybkie i wygodne, jak tankowanie przy dystrybutorze.
Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2021 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Wszystkie te ograniczenia dotyczą akumulatorów litowo-jonowych, które zasilają pojazdy. Są drogie, ciężkie i szybko się kończą. Co gorsza, baterie wykorzystują płynne elektrolity, które mogą wybuchnąć podczas kolizji.
Zwiększenie konkurencyjności samochodów elektrycznych w stosunku do tych napędzanych gazem będzie wymagało przełomowej baterii, która zaradzi tym niedociągnięciom. Taki jest przynajmniej argument Jagdeepa Singha, dyrektora naczelnego QuantumScape, startupu z Doliny Krzemowej, który twierdzi, że właśnie się rozwinął. taka technologia .
Firma twierdzi, że zrobiła to, rozwiązując zagadkę chemiczną, która wprawiała naukowców w zakłopotanie od prawie pół wieku: jak używać litu, najlżejszego metalu w układzie okresowym, aby zwiększyć ilość energii, którą można umieścić w baterii bez stwarzania rutynowe ryzyko pożaru lub inne pogorszenie wydajności. Firma twierdzi, że osiągnęła to w dużej mierze dzięki opracowaniu stałej wersji łatwopalnego ciekłego elektrolitu.
VW był pod takim wrażeniem, że zainwestował setki milionów dolarów w QuantumScape. Niemiecki gigant samochodowy zgodził się również założyć z firmą spółkę joint venture w celu masowej produkcji akumulatorów i twierdzi, że do 2025 r. będą one dostępne w swoich elektrycznych samochodach i ciężarówkach.
Szybsze ładowanie i większy zasięg
W konwencjonalnym akumulatorze litowo-jonowym jedna z dwóch elektrod, anoda, jest wykonana głównie z grafitu. Jest to forma węgla, która może łatwo pobierać i uwalniać naładowane jony litu, które przemieszczają się między anodą i katodą przez elektrolit. Ten strumień naładowanych cząstek wytwarza prąd elektryczny, który wypływa z akumulatora, aby zasilić wszystko, co wymaga zasilania. Ale grafit jest tylko gospodarzem dla jonów litu, które gnieżdżą się między arkuszami węgla jak paczki na półkach. To martwy ciężar, który sam nie magazynuje energii ani nie wytwarza prądu.
W akumulatorze litowo-metalowym sama anoda jest wykonana z litu. Oznacza to, że prawie każdy atom w anodzie akumulatora może również pracować wytwarzając prąd. Teoretycznie akumulator litowo-metalowy oparty na anodzie może zmagazynować o 50% więcej energii niż akumulator o tej samej wadze i objętości, który bazował na graficie.
Ponieważ jednak metaliczny lit jest tak reaktywny, ciągły kontakt z ciekłym elektrolitem może wywoływać reakcje, które degradują baterię lub powodują jej spalanie, mówi Venkat Viswanathan, profesor nadzwyczajny w Carnegie Mellon, który pracuje nad akumulatorami litowo-metalowymi i jest konsultant ds. QuantumScape. Inną kwestią jest to, że gdy jony litu przepływają tam iz powrotem, w akumulatorach mogą tworzyć się struktury przypominające igły, zwane dendrytami, które powodują zwarcie ogniwa lub jego zapalenie.
Prototypowe ogniwo QuantumScape zawiera stałą wersję zwykle płynnego elektrolitu.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, który został upubliczniony w listopadzie po dziesięciu latach działania w trybie ukrycia, wciąż powstrzymuje niektóre krytyczne szczegóły dotyczące sposobu, w jaki jego bateria litowo-elektrolitowa rozwiązuje te problemy. Ale wydaje się, że działa wyjątkowo dobrze.
W grudniowej prezentacji internetowej startup pokazał serię wykresów pokazujących, że jednowarstwowa laboratoryjna wersja baterii może być naładowana do ponad 80% swojej pojemności w 15 minut, wystarcza na setki tysięcy kilometrów i działa dobrze w temperaturach ujemnych. Firma spodziewa się, że akumulatory będą w stanie zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych o ponad 80%: samochód, który dziś może przejechać 250 mil na jednym ładowaniu, mógłby przejechać 450 mil.
QuantumScape postawiło mnie z powrotem na piętach, mówi Nancy Dudney, badaczka akumulatorów w Oak Ridge National Laboratory, która wykonała pionierskie prace nad elektrolitami w stanie stałym. Na pierwszy rzut oka wygląda naprawdę dobrze, mówi, choć dodaje: Byliśmy tu już z innymi udoskonaleniami baterii.
Rzeczywiście, dziedzina baterii jest zaśmiecona przykładami startupów, które obiecywały przełomowe technologie, ale ostatecznie zawiodły. A wyzwania stojące przed QuantumScape są zniechęcające, zwłaszcza jeśli chodzi o przekształcanie prototypowych ogniw w produkty komercyjne, które można tanio wyprodukować.
Jeśli firma odniesie sukces, może zmienić rynek pojazdów elektrycznych. Obniżenie kosztów, zwiększenie zasięgu i uczynienie ładowania prawie tak wygodnym, jak tankowanie na stacji benzynowej, może poszerzyć popyt poza osoby, które mogą sobie pozwolić na wydawanie tysięcy dolarów na ładowanie portów w domu, i złagodzić niepokoje tych, którzy boją się utknięcia na mieliźnie dłuższe wycieczki.
Dodatkowa gęstość energii i szybsze ładowanie mogą również sprawić, że elektryfikacja innych form transportu, w tym długodystansowych samochodów ciężarowych, a nawet lotów na krótkich dystansach, stanie się bardziej praktyczna. (Jako bonus dostarczałby również telefony i laptopy, które mogłyby wytrzymać kilka dni na jednym ładowaniu.)
Narodziny baterii
Historia akumulatorów litowo-metalowych rozpoczęła się na początku lat 70. i jest ściśle powiązana z rozwojem akumulatorów litowo-jonowych, od których jesteśmy dzisiaj zależni.
Kryzysy naftowe tamtych czasów, w połączeniu z bardzo wczesnymi obawami o szczyty związane z ropą naftową, nagle ponownie rozbudziły zainteresowanie pojazdami elektrycznymi, po raz pierwszy od początków przemysłu motoryzacyjnego. W 1972 roku American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW i inni pracowali nad samochodami elektrycznymi, jak opisuje w książce pisarz naukowy Seth Fletcher Oświetlenie butelkowe . Tymczasem duże laboratoria przemysłowe, w tym te w GE, Dow Chemical i Exxon, poszukiwały lepszych chemikaliów akumulatorów.
W tamtych czasach akumulatory, które były w większości kwasowo-ołowiowe, nie były w stanie dostarczać energii zbliżonej do odległości lub prędkości silników gazowych. W 1969 roku General Motors eksperymentalny samochód elektryczny 512 szczycił się prędkością maksymalną około 30 mil na godzinę, z zasięgiem 47 mil.
W akumulatorze litowo-jonowym jony litu przemieszczają się tam iz powrotem między anodą a katodą podczas ładowania i rozładowywania akumulatora. W akumulatorze QuantumScape jony przechodzą przez separator i tworzą idealnie płaską warstwę między nim a stykiem elektrycznym, tworząc anodę, gdy jest naładowana. Brakuje anody w stanie wyczerpania.
W 1972 r. dział badawczy firmy Exxon zatrudnił młodego chemika Stana Whittinghama, dzięki jego pracy podoktorskiej w Stanford. W szczególności opracowywał materiały krystaliczne, które umożliwiały swobodny przepływ jonów do i na zewnątrz. W Exxon Whittingham i jego koledzy rozpoczęli eksperymenty z obiecującym porowatym materiałem na katodę: dwusiarczkiem tytanu. Połączyli go z anodą wykonaną z metalicznego litu, wysoce reaktywnego materiału, który łatwo uwalnia elektrony. Działało zaskakująco dobrze.
Zespół złożył wniosek o patent w 1973 r., opublikował punkt zwrotny praca w nauce w 1976 roku i zaprezentował większą wersję ogniw na pokazie samochodowym w 1977 r. .
Na początku lat 80. kryzys naftowy minął. Nowy zarząd Exxona postanowił zrezygnować z jakiejkolwiek linii biznesowej, która nie ma potencjału, by stać się rynkiem o wartości 100 milionów dolarów rocznie. Firma zrezygnowała z wysiłków związanych z pojazdami elektrycznymi i akumulatorami. Powiedzieli: „Są za małe, abyśmy mogli się w nie zaangażować”, mówi Whittingham.
Li-ion przejmuje kontrolę
Akumulatory litowo-metalowe były znacznie lepsze od akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ale miały też wady, których zespół Exxon nigdy nie rozwiązał, w tym zwyczaj rozniecania pożarów w laboratorium.
Inni, którzy próbowali skomercjalizować baterie litowo-metalowe, napotkali podobne problemy. W latach 80. firma Moli Energy z Kolumbii Brytyjskiej opracowała 2,2-woltową baterię litowo-metalową do laptopów i telefonów komórkowych. Ale w 1989 roku zapalił się japoński telefon komórkowy, pali swojego właściciela . Jak podaje Electric Autonomy Canada, po dochodzeniu, które przypisuje winę baterii, tysiące telefonów komórkowych zostało wycofanych z rynku, a firma weszła w stan upadłości.
W międzyczasie inni opierali się na pracy Whittinghama. John Goodenough, obecnie profesor na University of Texas w Austin, użył tlenku kobaltu zamiast dwusiarczku tytanu do opracowania katody, która mogłaby magazynować więcej energii. Akira Yoshino, profesor Uniwersytetu Meijo, zamienił anodę z czystego litu na koks (inną formę węgla), który nadal może przechowywać dużo jonów litu, ale zmniejsza niebezpieczeństwo pożaru. Wreszcie naukowcy z Sony zmontowali elementy, aby opracować pierwsze komercyjne akumulatory litowo-jonowe w 1992 roku. Whittingham, Goodenough i Yoshino podzielił Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 201 9 za role w przełomie.
Niezwykły sukces akumulatorów litowo-jonowych, które obecnie zasilają nasze laptopy, telefony i pojazdy elektryczne, zniweczył wysiłki na rzecz komercjalizacji technologii litowo-metalowej na nadchodzące lata. Ale niektórzy nigdy nie stracili z oczu potencjału litowo-metalicznego, aby stać się bardziej wydajną formą magazynowania energii. A zastąpienie standardowych ciekłych elektrolitów, które są efektywnie palnymi rozpuszczalnikami, materiałami stałymi, wydawało się szczególnie obiecującą drogą poszukiwań.
Około 2000 roku zespół z Oak Ridge National Laboratory zademonstrował baterie cienkowarstwowe — takie, jakie stosuje się w małych urządzeniach elektronicznych, takich jak karty inteligentne i rozruszniki serca — które wykorzystują technologię litowo-metalową półprzewodnikową. Proces produkcji oraz rozmiar i kształt baterii cienkowarstwowych w większości ograniczają ich zastosowanie poza wszystko, co jest większe niż zegarek, mówi Paul Albertus, ekspert ds. baterii z University of Maryland. Ale praca dostarczyła kluczowego dowodu koncepcji działającej baterii litowo-metalowej.
Zabójstwo drogowe
Różne start-upy ponownie zaczęły stosować tę technologię pod koniec 2000 roku. Okazało się jednak, że jest to droga zdradliwa.
Niektóre już zostały zamknięte. Seeo, założone w 2007 roku, zostało kupione przez niemiecką firmę Bosch, która później rozwiązała swoje badania nad akumulatorami. Firma Bolloré z siedzibą we Francji jako pierwsza wprowadziła do pojazdów litowo-metalowe akumulatory półprzewodnikowe, uruchamiając w 2011 r. programy wspólnego korzystania z samochodów Bluecar. Jednak elektrolity na bazie polimerów działają tylko w wyższych temperaturach, co ogranicza ich zastosowanie w pojazdach konsumenckich .
Na tej linii produkcyjnej wytwarzane są katody do akumulatorów QuantumScape.
WINNI WINTERMEYERJednak kilka innych firm poczyniło nowsze postępy. Przede wszystkim, dwa dni po prezentacji QuantumScape w grudniu zeszłego roku, Solid Power, startup z Colorado, założony w 2012 roku, ogłosił, że już produkuje partie na skalę pilotażową 22-warstwowych ogniw litowo-metalowych, które przewyższają gamę dzisiejszych akumulatorów do pojazdów elektrycznych .
W styczniu, oddział ARPA-E Departamentu Energii ogłosił, że zainwestuje 9 milionów dolarów w wysiłki firmy produkującej akumulatory 24M i firmy Carnegie Mellon's Viswanathan mające na celu opracowanie akumulatorów litowo-metalowych przeznaczonych do samolotów elektrycznych, w których energia jest magazynowana i dostarczana w przeliczeniu na kilogram. kluczowy.
Uruchamianie QuantumScape
Sztuczka dla każdej firmy opracowującej akumulatory litowo-metalowe polegała na wskazaniu materiałów elektrolitowych, które zapobiegają pożarom i dendrytom, a jednocześnie umożliwiają łatwe przenikanie jonów i nie pogarszają w inny sposób wydajności akumulatora. I właśnie to twierdzi QuantumScape.
Powiązana historia
Ta superenergetyczna bateria może prawie podwoić zasięg pojazdów elektrycznych Jednak niektórzy obserwatorzy nie są przekonani, że akumulatory litowo-metalowe QuantumScape będą zasilać samochody i ciężarówki na drogach, gdy tylko firma twierdzi.Początki firmy sięgają 2009 roku. Kiedy Singh przygotowywał się do ustąpienia ze stanowiska dyrektora generalnego Infinery, firmy networkingowej, której był współzałożycielem, zaczął rozmawiać z kolegą podoktoranckim Stanford, Timem Holme i jego doradcą, Friedrichem Prinzem, na temat utworzenia firmy opartej na ich badania nad nowatorskimi materiałami akumulatorowymi.
Trio było współzałożycielem QuantumScape w następnym roku, dążąc do opracowania energochłonnych akumulatorów o dużej mocy wyjściowej. Najpierw próbowali to zrobić, tworząc całkowicie nowy typ baterii, znany jako bateria całkowicie elektronowa, ale okazało się, że będzie to trudniejsze, niż początkowo się wydawało.
Do tego czasu firma zebrała dziesiątki milionów dolarów od firm venture capital, takich jak Kleiner Perkins i Khosla Ventures. To pozostawiło QuantumScape wystarczająco dużo pieniędzy, aby po cichu zmienić kierunek, realizując marzenie o technologii litowo-metalowej.
Firma spędziła następne pięć lat na poszukiwaniu odpowiedniego materiału do opracowania elektrolitu w stanie stałym, mówi Singh. Następnie spędził kolejne pięć na opracowaniu właściwego składu i procesu produkcyjnego, aby zapobiec defektom i dendrytom. Wszystko, co firma powie o swoim elektrolicie, to to, że jest to ceramika.
Czy już dotarliśmy?
Wszystkie dotychczas opublikowane testy QuantumScape przeprowadzono na komórkach jednowarstwowych. (Po tym, jak ten artykuł trafił do druku, firma ogłosiła, że wyprodukowała i przeprowadziła testy na 4-warstwowych ogniwach, które osiągnęły podobne wyniki.) Aby pracować w samochodach, firma będzie musiała produkować baterie wypełnione kilkadziesiąt warstw , skutecznie przechodząc od pojedynczej karty do gry do talii. I nadal będzie musiał znaleźć sposób na wyprodukowanie tych ogniw na tyle tanio, aby konkurować z litowo-jonową technologią akumulatorów, która dominuje od dziesięcioleci.
To trudne zadanie inżynierskie. Są tam w połowie – po 10 latach, 300 milionach dolarów i 150 osobach pracujących nad tym, mają teraz tę małą kartę do gry, mówi Albertus z University of Maryland. To jeszcze długa droga do dostarczania baterii na skalę tysięcy ton – a to naprawdę trudne wyzwanie. Kilku badaczy zajmujących się akumulatorami powiedziało mi, że poważnie wątpi w to, że QuantumScape może zwiększyć skalę i przeprowadzić pełne testy bezpieczeństwa na czas, aby akumulatory w samochodach mogły jeździć po drogach już za cztery lata.
Biorąc pod uwagę wyniki firmy i zachęcające zapowiedzi innych start-upów, większość ludzi w świecie baterii uważa, że bardziej prawdopodobne jest, że problemy, które od dziesięcioleci powstrzymują lit-metal mogą zostać rozwiązane – dlatego znajduje się na liście MIT Technology Review przełomowe technologie w tym roku. Ale jasne jest również, że pomimo całego postępu, jaki poczyniono od czasu, gdy Whittingham pracował w Exxon, lata pracy wciąż są przed nami.
Aktualizacja: Ta historia została zaktualizowana, aby naprawić błąd dotyczący ilości dodatkowej energii, jaką teoretycznie może przechowywać bateria litowo-metalowa.
2021