211service.com
Ta superenergetyczna bateria może prawie podwoić zasięg pojazdów elektrycznych
Jednowarstwowe ogniwo litowo-metalowe QuantumScape. Dzięki uprzejmości: QuantumScape
Naukowcy od dawna postrzegają akumulatory litowo-metalowe jako idealną technologię przechowywania energii, wykorzystującą najlżejszy metal w układzie okresowym do dostarczania ogniw wypełnionych energią.
Ale naukowcy i firmy od dziesięcioleci próbowali i nie potrafili wyprodukować niedrogich, ładowalnych wersji, które nie miały paskudnego zwyczaju zapalania się.
Na początku tego roku Jagdeep Singh, dyrektor naczelny QuantumScape, twierdził w rozmowie z The Mobilist że mocno finansowana, niewidzialna firma z Doliny Krzemowej poradziła sobie z kluczowymi wyzwaniami technicznymi. Dodał, że VW spodziewa się mieć akumulatory w swoich samochodach i ciężarówkach do 2025 r., obiecując obniżyć koszty i zwiększyć zasięg swoich pojazdów elektrycznych.
Po wejściu na giełdę w listopadzie, QuantumScape jest obecnie wyceniany na około 20 miliardów dolarów, mimo że nie ma jeszcze żadnego produktu ani przychodów (i nie ma co oczekiwać, że tak będzie do 2024 ). VW zainwestował w firmę ponad 300 milionów dolarów i utworzył spółkę joint venture z QuantumScape w celu produkcji akumulatorów. Firma pozyskała również setki milionów od innych dużych inwestorów.
Mimo to, do tej pory Singh ujawnił kilka szczegółów na temat baterii, co skłoniło naukowców, rywali i dziennikarzy do przeszukiwania zgłoszeń patentowych, dokumentów inwestorów i innych źródeł w poszukiwaniu wskazówek, co dokładnie firma osiągnęła – i jak.
W ogłoszeniu prasowym we wtorek 8 grudnia QuantumScape w końcu dostarczyło wyniki techniczne z testów laboratoryjnych. Zastosowana w nim technologia to bateria częściowo półprzewodnikowa, co oznacza, że wykorzystuje stały elektrolit zamiast płynu, na którym opiera się większość baterii, aby promować ruch naładowanych atomów przez urządzenie.
Liczni badacze i firmy badają technologię półprzewodnikową dla różnych rodzajów chemii akumulatorów, ponieważ to podejście może poprawić bezpieczeństwo i gęstość energii, chociaż opracowanie praktycznej wersji okazało się trudne.
Firma z siedzibą w San Jose w Kalifornii nadal ukrywa pewne szczegóły dotyczące swojej baterii, w tym niektórych kluczowych materiałów i procesów, z których korzysta, aby działała. i niektórzy eksperci pozostają sceptyczni że QuantumScape naprawdę rozwiązało trudne wyzwania techniczne, które umożliwiłyby wykorzystanie akumulatora litowo-metalowego w pojazdach użytkowych w ciągu najbliższych pięciu lat.
Wyniki testu
W wywiadzie dla MIT Technology Review, Singh mówi, że firma wykazała, że jej baterie skutecznie zaspokoją pięć kluczowych potrzeb konsumentów, które do tej pory uniemożliwiały prześcignięcie pojazdów elektrycznych 2% nowej sprzedaży samochodów w USA : niższe koszty, większy zasięg, krótsze czasy ładowania, dłuższa całkowita żywotność na drodze i większe bezpieczeństwo.
Każda bateria, która może spełnić te wymagania, może naprawdę otworzyć 98% rynku w sposób, którego nie można zrobić dzisiaj, mówi.
Jagdeep Singh, dyrektor generalny QuantumScape
Rzeczywiście, wyniki wydajności QuantumScape są godne uwagi.
Akumulatory mogą naładować się do 80% pojemności w mniej niż 15 minut. (MotorTrend znaleziony że Supercharger Tesli V3 w teście zeszłego roku zredukował Model 3 z 5% do 90% w 37 minut.) I zachowują ponad 80% swojej pojemności przez 800 cykli ładowania, co jest przybliżonym odpowiednikiem przejechania 240 000 mil. W rzeczywistości bateria wykazuje niewielką degradację, nawet gdy jest poddawana agresywnym cyklom ładowania i rozładowania.
Wreszcie, firma twierdzi, że bateria została zaprojektowana tak, aby osiągnąć zasięg jazdy, który może przekroczyć zasięg pojazdów elektrycznych ze standardowymi akumulatorami litowo-jonowymi o ponad 80% – chociaż nie zostało to jeszcze bezpośrednio przetestowane.
Dane z QuantumScape są imponujące, mówi Paul Albertus, adiunkt inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Uniwersytecie Maryland, a wcześniej dyrektor programowy programu IONICS ARPA-E skoncentrowanego na stanie stałym, który nie ma żadnych powiązań finansowych ani powiązań finansowych z Firma.
Firma poszła znacznie dalej niż inne rzeczy, które widziałem w bateriach litowo-metalowych, dodaje: Przebiegli maraton, podczas gdy wszyscy inni zrobili 5 km.
Jak to działa
Jak więc to wszystko osiągnęli?
W standardowym akumulatorze litowo-jonowym w dzisiejszym samochodzie elektrycznym jedna z dwóch elektrod (anoda) jest w większości wykonana z grafitu, który z łatwością przechowuje jony litu, które przemieszczają się tam iz powrotem przez akumulator. W baterii litowo-metalowej ta anoda jest wykonana z samego litu. Oznacza to, że prawie każdy elektron można wykorzystać do przechowywania energii, co odpowiada za większy potencjał gęstości energii.
Ale to stwarza kilka dużych wyzwań. Po pierwsze, metal jest bardzo reaktywny, więc jeśli wejdzie w kontakt z cieczą, w tym z elektrolitem, który wspomaga ruch tych jonów w większości akumulatorów, może wywołać reakcje uboczne, które degradują akumulator lub powodują jego spalanie. Po drugie, przepływ jonów litu może tworzyć igiełkowate formacje znane jako dendryty, które mogą przebić separator w środku baterii, powodując zwarcie ogniwa.
Z biegiem lat problemy te skłoniły naukowców do prób opracowania elektrolitów w stanie stałym, które nie reagują z metalicznym litem, przy użyciu ceramiki, polimerów i innych materiałów.
Jedną z kluczowych innowacji QuantumScape było opracowanie elektrolitu ceramicznego w stanie stałym, który służy również jako separator. Mierzący zaledwie kilkadziesiąt mikrometrów grubości, tłumi tworzenie się dendrytów, jednocześnie umożliwiając łatwy przepływ jonów litu tam iz powrotem. (Elektrolit na drugim końcu baterii, po stronie katody, jest żelem w jakiejś formie, więc nie jest to bateria w pełni półprzewodnikowa).
Singh odmawia podania materiału, którego używają, mówiąc, że jest to jedna z ich najpilniej strzeżonych tajemnic handlowych. (Niektóre eksperci od baterii podejrzewają, , na podstawie zgłoszeń patentowych, że jest to tlenek znany jako LLZO.) Znalezienie tego zajęło pięć lat; opracowanie odpowiedniego składu i procesu produkcyjnego, aby zapobiec defektom i dendrytom, zajęło kolejnych pięć.
Firma uważa, że przejście na technologię półprzewodnikową sprawi, że baterie będą bezpieczniejsze niż obecnie dostępna na rynku odmiana litowo-jonowa, która wciąż od czasu do czasu się zapala w ekstremalnych okolicznościach.
Drugim dużym postępem jest to, że bateria jest produkowana bez wyraźnej anody. (Zobacz QuantumScape's wideo tutaj aby lepiej zrozumieć jego konstrukcję bez anod.)
Podczas ładowania akumulatora jony litu po stronie katody przechodzą przez separator i tworzą idealnie płaską warstwę między nim a stykiem elektrycznym na końcu akumulatora. Prawie cały ten lit wraca następnie do katody podczas cyklu rozładowania. Eliminuje to potrzebę stosowania jakiegokolwiek materiału anody, który nie przyczynia się bezpośrednio do przechowywania energii lub przenoszenia prądu, co dodatkowo zmniejsza niezbędną wagę i objętość. Powinno to również obniżyć koszty produkcji, mówi firma.
Pozostałe zagrożenia
Jest jednak pewien haczyk: wyniki QuantumScape pochodzą z testów laboratoryjnych przeprowadzonych na komórkach jednowarstwowych. Rzeczywisty akumulator samochodowy musiałby mieć dziesiątki współpracujących ze sobą warstw. Przejście z linii pilotażowej do produkcji komercyjnej jest poważnym wyzwaniem w dziedzinie magazynowania energii i punktem, w którym wiele niegdyś obiecujących rozruchów akumulatorów zakończyło się niepowodzeniem.
Albertus zauważa, że istnieje bogata historia przedwczesnych roszczeń dotyczących przełomów w akumulatorach, więc wszelkie nowe spotykają się ze sceptycyzmem. Chciałby, aby QuantumScape poddało ogniwa firmy niezależnym testom przeprowadzanym przez krajowe laboratoria w standardowych warunkach.
Inni obserwatorzy branżowi wyrazili wątpliwości, czy firma mogłaby osiągnąć skalę i testy bezpieczeństwa wymagane do wprowadzenia akumulatorów do pojazdów na drogach do 2025 r., jeśli do tej pory firma rygorystycznie testowała tylko ogniwa jednowarstwowe.
Sila Nanotechnologies, konkurencyjny start-up bateryjny inny rodzaj materiałów anodowych o dużej gęstości energetycznej do akumulatorów litowo-jonowych, wydany a biały papier dzień przed historią Mobilist, która przedstawia litanię wyzwań technicznych dla litowo-metalowych akumulatorów półprzewodnikowych. Zauważa, że wiele teoretycznych zalet litowo-metalowych zawęża się, gdy firmy pracują nad bateriami komercyjnymi, biorąc pod uwagę wszystkie dodatkowe środki wymagane do ich działania.
W artykule podkreślono jednak, że najtrudniejszą częścią będzie sprostanie wyzwaniu rynkowemu: konkurowanie z już istniejącą ogromną globalną infrastrukturą w zakresie pozyskiwania, produkcji, dostarczania i instalowania akumulatorów litowo-jonowych.
Ogromne zakłady
Inni obserwatorzy twierdzą jednak, że ostatnie postępy w tej dziedzinie wskazują zarówno na to, że akumulatory litowo-metalowe znacznie przewyższają gęstość energii technologii litowo-jonowej, jak i na rozwiązanie problemów utrzymujących to pole.
Kiedyś było to, czy będziemy mieli baterie litowo-metalowe; teraz jest pytanie, kiedy je będziemy mieć, mówi Venkat Viswanathan, profesor nadzwyczajny w Carnegie Mellon, który badał baterie litowo-metalowe (i pracował jako konsultant dla QuantumScape).
Singh przyznał, że firma wciąż stoi przed wyzwaniami, ale upiera się, że dotyczą one inżynierii i zwiększania produkcji. Uważa, że nie są potrzebne żadne dodatkowe przełomy w chemii.
Zauważył również, że firma ma teraz więcej 1 miliarda dolarów, zapewniając jej znaczny pas startowy, aby dostać się do produkcji komercyjnej.
Zapytany, dlaczego dziennikarze powinni mieć zaufanie do wyników firmy bez korzystania z niezależnych ustaleń, Singh podkreślił, że udostępnia jak najwięcej danych, aby zachować przejrzystość. Dodaje jednak, że QuantumScape nie zajmuje się badaniami akademickimi.
Bez obrazy, ale tak naprawdę nie obchodzi nas, co myślisz, mówi. Ludzie, na których nam zależy, to nasi klienci. Widzieli dane, przeprowadzili testy we własnym laboratorium, widzieli, że to działa, w wyniku czego stawiają ogromne zakłady na tę firmę. VW wszedł na całość.
Innymi słowy, prawdziwym testem na to, czy QuantumScape rozwiązał problemy tak dokładnie, jak twierdzi, jest to, czy niemiecki gigant samochodowy wyjedzie na drogi samochody wyposażone w akumulatory do 2025 roku.