Ten postęp w zakresie baterii może sprawić, że pojazdy elektryczne będą znacznie tańsze

Są nanotechnologiami

Przez ostatnie siedem lat startup z siedzibą w Alameda w Kalifornii po cichu pracował nad nowatorskim materiałem anodowym, który ma znacznie zwiększyć wydajność akumulatorów litowo-jonowych.

Sila Nanotechnologies wyszła z trybu ukrycia w zeszłym miesiącu, współpracując z BMW w celu wprowadzenia materiałów anodowych na bazie krzemu do przynajmniej niektórych pojazdów elektrycznych niemieckiego producenta do 2023 r. Rzecznik BMW powiedział ten dziennik 'Wall Street firma spodziewa się, że umowa doprowadzi do 10-15 procentowego wzrostu ilości energii, którą można zapakować do ogniwa baterii o określonej objętości. Dyrektor generalny Sila, Gene Berdichevsky, mówi, że materiały mogą ostatecznie przynieść nawet 40-procentową poprawę (patrz 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).

W przypadku pojazdów elektrycznych zwiększenie tak zwanej gęstości energii albo znacząco wydłuża przebieg możliwy na jednym ładowaniu, albo zmniejsza koszt akumulatorów potrzebnych do osiągnięcia standardowych zasięgów. W przypadku gadżetów konsumenckich może złagodzić frustrację telefonów komórkowych, które nie przetrwają dnia, lub może włączyć energochłonne funkcje nowej generacji, takie jak większe aparaty lub ultraszybkie sieci 5G.

Naukowcy spędzili dziesiątki lat, pracując nad zwiększeniem możliwości akumulatorów litowo-jonowych, ale te przyrosty zwykle przynoszą tylko kilka punktów procentowych na raz. Jak więc firma Sila Nanotechnologies dokonała tak wielkiego skoku?

Berdichevsky, który był pracownikiem numer siedem w Tesli, oraz CTO Gleb Juszyn , profesor materiałoznawstwa w Georgia Institute of Technology, niedawno przedstawił głębsze wyjaśnienie technologii akumulatorów w wywiadzie z Przegląd technologii MIT .

Współzałożyciele Sila (od lewej do prawej), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky i Alex Jacobs. Nanotechnologie Sila

Anoda to ujemna elektroda akumulatora, która w tym przypadku przechowuje jony litu podczas ładowania akumulatora. Inżynierowie od dawna wierzyli, że krzem ma ogromny potencjał jako materiał anodowy z prostego powodu: może wiązać się z 25 razy większą liczbą jonów litu niż grafit, główny materiał używany obecnie w akumulatorach litowo-jonowych.

Ale to ma duży haczyk. Kiedy krzem przyjmuje tak wiele jonów litu, jego objętość rozszerza się, naprężając materiał w sposób, który powoduje jego kruszenie się podczas ładowania. To pęcznienie wywołuje również elektrochemiczne reakcje uboczne, które zmniejszają wydajność baterii.

W 2010 roku Yushin był współautorem publikacji naukowej papier w ramach którego zidentyfikowano metodę wytwarzania sztywnych nanocząstek na bazie krzemu, które są wystarczająco porowate wewnętrznie, aby dostosować się do znacznych zmian objętości. Połączył siły z Berdichevskym i innym byłym inżynierem Tesli, Alexem Jacobsem, by w następnym roku utworzyć Silę.

Od tego czasu firma pracuje nad komercjalizacją tej podstawowej koncepcji, opracowując, produkując i testując dziesiątki tysięcy różnych odmian coraz bardziej wyrafinowanych nanocząstek anodowych. Wymyślili sposoby na zmianę wewnętrznej struktury, aby zapobiec przenikaniu elektrolitu z akumulatora do cząstek, i osiągnęli dziesiątki przyrostowych przyrostów gęstości energii, które ostatecznie przyczyniły się do poprawy o około 20 procent w porównaniu z najlepszą istniejącą technologią.

Ostatecznie Sila stworzyła solidną, kulistą cząstkę wielkości mikrometra z porowatym rdzeniem, która kieruje znaczną częścią pęcznienia w obrębie wewnętrznej struktury. Zewnętrzna część cząsteczki nie zmienia kształtu ani rozmiaru podczas ładowania, co zapewnia normalną wydajność i żywotność.

Powstałe w ten sposób kompozytowe proszki anodowe działają jako materiał do nanoszenia dla istniejących producentów ogniw litowo-jonowych.

Przy każdej nowej technologii akumulatorów przepracowanie procesów zapewniania jakości i bezpieczeństwa w branży motoryzacyjnej zajmuje co najmniej pięć lat – stąd harmonogram BMW 2023. Ale Sila jest na szybszym torze z elektroniką użytkową, gdzie spodziewa się, że na początku przyszłego roku produkty z materiałami akumulatorowymi pojawią się na półkach sklepowych.

Venkat Viswanathan, inżynier mechanik w Carnegie Mellon, mówi, że Sila robi ogromne postępy. Ostrzega jednak, że zyski w jednym wskaźniku baterii często kosztują inne – takie jak bezpieczeństwo, czas ładowania lub żywotność – i że to, co działa w laboratorium, nie zawsze przekłada się idealnie na produkty końcowe.

Firmy, w tym Enovix i Enevate, również opracowują materiały anodowe z przewagą krzemu. Tymczasem inne firmy podążają zupełnie innymi drogami do przechowywania o większej pojemności, w tym zwłaszcza baterii półprzewodnikowych. Wykorzystują one materiały, takie jak szkło, ceramika lub polimery, aby zastąpić płynne elektrolity, które pomagają przenosić jony litu między katodą a anodą.

BMW ma również wspólnik z Solid Power, spinoutem z University of Colorado Boulder, który twierdzi, że jego technologia półprzewodnikowa oparta na anodach litowo-metalowych może przechowywać dwa do trzech razy więcej energii niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. Tymczasem materiały jonowe, które od niedawna uniesiony Firma Dyson i inni o wartości 65 milionów dolarów opracowała stały elektrolit polimerowy, który, jak twierdzi, umożliwi bezpieczniejsze i tańsze akumulatory, które mogą działać w temperaturze pokojowej, a także będą działać z litem metalicznym.

Niektórzy eksperci ds. akumulatorów uważają, że technologia półprzewodnikowa ostatecznie obiecuje większe przyrosty gęstości energii, jeśli badacze będą w stanie pokonać niektóre pozostałe przeszkody techniczne.

Berdiczewski podkreśla jednak, że materiały firmy Sila są już gotowe do produkcji i, w przeciwieństwie do litowo-metalowych akumulatorów półprzewodnikowych, nie wymagają żadnych kosztownych modernizacji sprzętu ze strony producentów akumulatorów.

Ponieważ firma opracowuje dodatkowe sposoby ograniczania zmian objętości cząstek na bazie krzemu, Berdichevsky i Yushin są przekonani, że będą w stanie jeszcze bardziej zwiększyć gęstość energii, jednocześnie poprawiając czas ładowania i całkowity cykl życia.

Ta historia została zaktualizowana, aby wyjaśnić, że Samsung nie zainwestował w ostatnią rundę finansowania Ionic Material.

ukryć