211service.com
Dette superenergitette batteriet kan nesten doble rekkevidden til elektriske kjøretøy
QuantumScapes ettlags, solid-state litium-metall battericelle. Med tillatelse: QuantumScape
Forskere har lenge sett litium-metallbatterier som en ideell teknologi for energilagring, og utnytter det letteste metallet i det periodiske systemet for å levere celler proppfulle med energi.
Men forskere og selskaper har prøvd og mislyktes i flere tiår med å produsere rimelige, oppladbare versjoner som ikke hadde en ekkel vane med å ta fyr.
Så tidligere i år hevdet Jagdeep Singh, administrerende direktør i QuantumScape i et intervju med The Mobilist at det tungt finansierte, snikende Silicon Valley-selskapet hadde tatt knekken på de viktigste tekniske utfordringene. Han la til at VW forventer å ha batteriene i sine biler og lastebiler innen 2025, og lovet å redusere kostnadene og øke rekkevidden til sine elektriske kjøretøy.
Etter å ha blitt børsnotert i november, er QuantumScape nå verdsatt til rundt 20 milliarder dollar, til tross for at de ikke har noe produkt eller inntekt ennå (og ingen forventning om at det vil skje før 2024 ). VW har investert mer enn 300 millioner dollar i selskapet og har opprettet et joint venture med QuantumScape for å produsere batteriene. Selskapet har også hentet inn hundrevis av millioner fra andre store investorer.
Frem til nå hadde Singh avslørt få detaljer om batteriet, noe som fikk forskere, rivaler og journalister til å lete etter patentsøknader, investordokumenter og andre kilder for å finne ledetråder om nøyaktig hva selskapet hadde oppnådd – og hvordan.
I en pressemelding tirsdag 8. desember ga QuantumScape endelig tekniske resultater fra laboratorietester. Teknologien er et delvis solid-state-batteri, noe som betyr at det bruker en solid elektrolytt i stedet for væsken som de fleste batterier er avhengige av for å fremme bevegelsen av ladede atomer gjennom enheten.
Tallrike forskere og selskaper utforsker solid-state-teknologi for en rekke batterikjemier fordi denne tilnærmingen har potensial til å forbedre sikkerhet og energitetthet, selv om det har vist seg vanskelig å utvikle en praktisk versjon.
Selskapet, basert i San Jose, California, holder fortsatt tilbake visse detaljer om batteriet, inkludert noen av nøkkelmaterialene og prosessene det bruker for å få det til å fungere. Og noen eksperter er fortsatt skeptiske at QuantumScape virkelig har tatt tak i de vanskelige tekniske utfordringene som ville gjøre et litium-metallbatteri mulig i nyttekjøretøy i løpet av de neste fem årene.
Testresultater
I et intervju med MIT Technology Review sier Singh at selskapet har vist at batteriene deres effektivt vil oppfylle fem sentrale forbrukerbehov som så langt har forhindret elektriske kjøretøy i å overgå 2 % av salg av nye biler i USA : lavere kostnader, større rekkevidde, kortere ladetider, lengre total levetid på veien og forbedret sikkerhet.
Ethvert batteri som kan oppfylle disse kravene kan virkelig åpne opp 98 % av markedet på en måte du ikke kan gjøre i dag, sier han.
Jagdeep Singh, administrerende direktør i QuantumScape
Faktisk er QuantumScapes ytelsesresultater bemerkelsesverdige.
Batteriene kan lades til 80 % kapasitet på mindre enn 15 minutter. (MotorTrend funnet at Teslas V3 Supercharger tok en Model 3 fra 5 % til 90 % på 37 minutter, i en test i fjor.) Og de beholder mer enn 80 % av kapasiteten sin over 800 ladesykluser, som omtrent tilsvarer å kjøre 240 000 miles. Faktisk viser batteriet liten nedbrytning selv når det utsettes for aggressive lade- og utladingssykluser.
Til slutt sier selskapet at batteriet er designet for å oppnå kjørerekkevidder som kan overstige de for elektriske kjøretøyer med standard litium-ion-batterier med mer enn 80 % - selv om dette ikke har blitt testet direkte ennå.
Dataene fra QuantumScape er ganske imponerende, sier Paul Albertus, assisterende professor i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap ved University of Maryland og tidligere programdirektør for ARPA-Es solid-state-fokuserte IONICS-program, som ikke har noen tilknytning eller økonomisk relasjon til firmaet.
Selskapet har gått mye lenger enn andre ting jeg har sett i litium-metallbatterier, legger han til: De har løpt et maraton mens alle andre har gjort en 5K.
Hvordan det fungerer
Så hvordan oppnådde de alt dette?
I et standard litiumionbatteri i en elbil i dag er den ene av de to elektrodene (anoden) for det meste laget av grafitt, som enkelt lagrer litiumionene som pendler frem og tilbake gjennom batteriet. I et litium-metallbatteri er den anoden laget av selve litium. Det betyr at nesten hvert elektron kan settes i arbeid med å lagre energi, som er det som står for det større energitetthetspotensialet.
Men det skaper et par store utfordringer. Den første er at metallet er svært reaktivt, så hvis det kommer i kontakt med en væske, inkludert elektrolytten som støtter bevegelsen av disse ionene i de fleste batterier, kan det utløse sidereaksjoner som bryter ned batteriet eller får det til å brenne. Den andre er at strømmen av litiumioner kan danne nållignende formasjoner kjent som dendritter, som kan punktere separatoren i midten av batteriet og kortslutte cellen.
Gjennom årene har disse problemene ført til at forskere har forsøkt å utvikle faststoffelektrolytter som ikke er reaktive med litiummetall, ved å bruke keramikk, polymerer og andre materialer.
En av QuantumScapes nøkkelinnovasjoner var å utvikle en solid-state keramisk elektrolytt som også fungerer som separator. Bare noen få titalls mikrometer tykk undertrykker den dannelsen av dendritter mens den fortsatt lar litiumioner passere lett frem og tilbake. (Elektrolytten på den andre enden av batteriet, katodesiden, er en gel av en eller annen form, så det er ikke et helt solid-state batteri.)
Singh nekter å spesifisere materialet de bruker, og sier at det er en av deres mest bevoktede forretningshemmeligheter. (Noen batterieksperter mistenker , på grunnlag av patentsøknader, at det er et oksid kjent som LLZO.) Det tok fem år å finne det; utvikle den riktige sammensetningen og produksjonsprosessen for å forhindre defekter og dendritter tok ytterligere fem.
Selskapet tror at overgangen til solid-state-teknologi vil gjøre batteriene tryggere enn litium-ion-varianten på markedet i dag, som tar fortsatt fyr av og til seg selv under ekstreme omstendigheter.
Det andre store fremskrittet er at batteriet er produsert uten en tydelig anode. (Se QuantumScape's video her for å få en bedre følelse av dens anodefrie design.)
Når batteriet lades, beveger litiumionene på katodesiden seg gjennom separatoren og danner et perfekt flatt lag mellom den og den elektriske kontakten på enden av batteriet. Nesten alt litiumet går deretter tilbake til katoden under utladningssyklusen. Dette eliminerer behovet for vertsanodemateriale som ikke bidrar direkte til jobben med å lagre energi eller føre strøm, noe som ytterligere reduserer nødvendig vekt og volum. Det bør også kutte produksjonskostnadene, sier selskapet.
Gjenværende risiko
Det er imidlertid en hake: QuantumScapes resultater er fra laboratorietester utført på enkeltlagsceller. Et faktisk bilbatteri må ha dusinvis av lag som alle jobber sammen. Å komme seg fra pilotlinjen til kommersiell produksjon er en betydelig utfordring i energilagring, og punktet hvor mange en gang lovende batterioppstarter har mislyktes.
Albertus bemerker at det er en rik historie med for tidlige påstander om batterigjennombrudd, så alle nye blir møtt med skepsis. Han vil gjerne se at QuantumScape sender selskapets celler til den slags uavhengige tester som nasjonale laboratorier utfører, under standardiserte forhold.
Andre bransjeobservatører har uttrykt tvil om at selskapet kan oppnå oppskalerings- og sikkerhetstestene som kreves for å sette batterier inn i kjøretøyer på veien innen 2025, hvis selskapet bare har testet enkeltlagsceller strengt så langt.
Sila Nanotechnologies, en rivaliserende batteristartup under utvikling en annen type energitette anodematerialer for litium-ion-batterier, utgitt en hvitt papir en dag før Mobilist-historien som fremhever en rekke tekniske utfordringer for solid-state litium-metallbatterier. Den bemerker at mange av de teoretiske fordelene med litium-metall blir smalere ettersom selskaper jobber mot kommersielle batterier, gitt alle tilleggstiltakene som kreves for å få dem til å fungere.
Men avisen understreker at den vanskeligste delen vil være å møte markedsutfordringen: å konkurrere med den enorme globale infrastrukturen som allerede er på plass for å hente, produsere, sende og installere litiumion-batterier.
Massive innsatser
Andre observatører sier imidlertid at de siste fremskrittene på feltet indikerer både at litium-metall-batterier vil betydelig overgå energitettheten til litium-ion-teknologi og at problemene som holder feltet oppe kan løses.
Det pleide å være om vi vil ha litium-metallbatterier; nå er det et spørsmål om når vi skal ha dem, sier Venkat Viswanathan, en førsteamanuensis ved Carnegie Mellon som har forsket på litium-metallbatterier (og har utført konsulentarbeid for QuantumScape).
Singh erkjente at selskapet fortsatt står overfor utfordringer, men han insisterer på at de er relatert til engineering og oppskalering av produksjon. Han tror ikke det er nødvendig med ytterligere gjennombrudd i kjemien.
Han bemerket også at selskapet nå har mer 1 milliard dollar, noe som gir det betydelig rullebane for å komme til kommersiell produksjon.
På spørsmål om hvorfor journalister burde ha tillit til selskapets resultater uten å dra nytte av uavhengige funn, understreket Singh at han deler så mye av dataene han kan for å være gjennomsiktig. Men han legger til at QuantumScape ikke driver med akademisk forskning.
Ingen fornærmelse, men vi bryr oss egentlig ikke om hva du synes, sier han. Menneskene vi bryr oss om er våre kunder. De har sett dataene, de har kjørt testene i sitt eget laboratorium, de har sett det fungerer, og som et resultat satser de massivt på dette selskapet. VW har gått all in.
Med andre ord, den virkelige testen på om QuantumScape har løst problemene så fullstendig som den hevder, er om den tyske bilgiganten setter biler utstyrt med batteriene på veien innen 2025.