Litium-ion-batterier har nettopp gjort et stort sprang i et lite produkt

WHOOP 4.0. WHOOP

Et materialselskap i Alameda, California, har brukt det siste tiåret på å arbeide for å øke energien som er lagret i litium-ion-batterier, et fremskritt som kan muliggjøre mindre gadgets og elektriske kjøretøy med langt større rekkevidde.

Sila har utviklet silisiumbaserte partikler som kan erstatte grafitten i anodene og holde på mer av litiumionene som fører strømmen i et batteri.

Nå leverer selskapet sitt produkt til markedet for første gang, og gir en del av anodepulveret i batteriet til den kommende Huff 4.0, et treningsutstyr. Det er en liten enhet, men potensielt et stort skritt fremover for batterifeltet, der lovende laboratorieresultater ofte ikke klarer å oversettes til kommersiell suksess.

Tenk på Whoop 4.0 som vår Tesla Roadster , sier Gene Berdichevsky, Silas administrerende direktør, som som Teslas syvende ansatt hjalp til med å løse noen av de kritiske batteriutfordringene for selskapets første elektriske kjøretøy. Det er virkelig den første enheten på markedet som beviser dette gjennombruddet.

Battericeller produsert med Silas silisiumbaserte partikler.

SILA

Selskapets materialer, med lett assistanse fra andre fremskritt, økte energitettheten i treningssporerens batteri med rundt 17 %. Det er en betydelig gevinst i et felt som vanligvis går noen få prosentpoeng frem i året.

Det tilsvarer omtrent fire år med standard fremgang, men i ett stort hopp, sier Venkat Viswanathan, førsteamanuensis i maskinteknikk ved Carnegie Mellon University.

Sila står fortsatt overfor noen reelle tekniske utfordringer, men fremskrittet er et lovende tegn på potensialet til stadig mer kapable batterier for å hjelpe verden med å skifte bort fra fossilt brensel ettersom farene ved klimaendringer øker. Å øke mengden energi som batterier kan lagre, gjør det lettere for stadig mer rene elektrisitetskilder å drive flere av våre bygninger, kjøretøy, fabrikker og virksomheter.

For transportsektoren kan et mer energitett batteri redusere kostnadene eller utvide rekkevidden til elektriske kjøretøy, og løse to av de største problemene som har frarådet forbrukere å gi opp gassslukerne. Den lover også å levere nettbatterier som kan spare opp mer energi fra sol- og vindparker, eller forbrukerdingser som varer lenger mellom ladingene.

Energitetthet er nøkkelen til elektrifisering av alt, sier Berdichevsky, an Innovator under 35 i 2017.

Når det gjelder det nye treningsutstyret, gjorde de nye batterimaterialene og andre forbedringer det mulig for Boston-baserte Whoop å krympe enheten med 33 % og samtidig opprettholde fem dagers batterilevetid. Produktet er nå tynt nok til å settes inn i smarte klær, i tillegg til å bæres som en klokke. Den kommer i salg 8. september.

Sila, som annonserte 590 millioner dollar i finansiering i januar, har også partnerskap på plass for å utvikle batterimaterialer for bilprodusenter, inkludert BMW og Daimler. Selskapet har sagt at teknologien deres til slutt kan pakke så mye som 40 % mer energi inn i litium-ion-batterier.

Forebygging av brann

Berdichevsky intervjuet for og landet jobben sin i Tesla før sitt siste år ved Stanford University, hvor han jobbet mot en grad i maskiningeniør. Han endte opp med å spille en nøkkelrolle i å håndtere en potensielt eksistensiell risiko for selskapet: at en brann i et av de tusenvis av batterier pakket inn i et kjøretøy ville antenne hele flokken.

Han satte opp et program for systematisk å evaluere en serie batteripakkedesign. Etter hundrevis av tester utviklet selskapet en kombinasjon av batteriarrangementer, varmeoverføringsmaterialer og kjølekanaler som i stor grad forhindret løpende branner.

Etter at Tesla lanserte Roadster, følte Berdichevsky at han enten måtte forplikte seg til ytterligere fem år for å se selskapet gjennom utviklingen av det neste kjøretøyet, Model S – eller benytte anledningen til å prøve noe nytt.

Til slutt bestemte han seg for at han ville bygge noe eget.

Gene Berdichevsky, administrerende direktør og medgründer av Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky dro tilbake til Stanford for et masterprogram som studerte materialer, termodynamikk og fysikk, i håp om å finne måter å forbedre lagring på grunnleggende nivå. Etter endt utdanning tilbrakte han et år som entreprenør i bolig hos Sutter Hill Ventures, på jakt etter ideer som kunne danne grunnlaget for hans egen virksomhet.

I løpet av den tiden kom han over en vitenskapelig papir identifisere en metode for å produsere silisiumbaserte partikler for litium-ion batterianoder.

Forskere har lenge sett på silisium som en lovende måte å øke energien i batterier, fordi atomene kan binde seg til 10 ganger flere litiumioner etter vekt enn grafitt kan. Det betyr at de inneholder mye mer av de ladede molekylene som produserer den elektriske strømmen i et batteri. Men silisiumanoder hadde en tendens til å smuldre under lading, da de svulmet opp for å romme ionene som pendler frem og tilbake mellom elektrodene.

Artikkelen, medforfatter av Georgia Institute of Technology-professor Gleb Yushin, fremhevet muligheten for å utvikle stive silisiummaterialer med en porøs kjerne som kunne mer enkelt godta og frigjøre litiumionene .

Det neste året grunnla Berdichevsky Sila sammen med Yushin og Alex Jacobs, en annen tidligere Tesla-ingeniør.

Hinder og forsinkelser

Selskapet brukte det neste tiåret på å finpusse metodene og materialene, og arbeidet gjennom mer enn 50 000 iterasjoner av kjemien mens de skalerte opp produksjonskapasiteten. Tidlig bestemte den seg for å utvikle drop-in-materialer som produsenter av litium-ion-batterier kunne bytte inn, i stedet for å følge den dyrere og mer risikofylte ruten for å produsere komplette batterier selv.

Sila er imidlertid ikke så langt på vei som den først hadde håpet å være.

Etter å ha sikret flere millioner dollar fra det amerikanske energidepartementets ARPA-E-divisjon, fortalte selskapet på et tidspunkt forskningsbyrået at materialene deres kunne være i produkter innen 2017 og i kjøretøy innen 2020. I 2018, da Sila kunngjorde avtalen med BMW, den sa at partiklene kunne bidra til å drive den tyske bilprodusentens elbiler innen 2023.

Berdichevsky sier at selskapet nå forventer å være i kjøretøy innen mer enn 2025. Han sier at det å løse problemene på den siste milen rett og slett var vanskeligere enn de forventet. Utfordringer inkluderte å jobbe med batteriprodusenter for å få best mulig ytelse ut av de nye materialene.

Vi var naivt optimistiske angående utfordringene med å skalere og bringe produkter til markedet, sa han i en e-post.

Whoop-nyhetene signaliserer at Sila var i stand til å konstruere partiklene på en måte som tilbyr sikkerhet, livssykluser og andre benchmarks for batteriytelse som ligner de som oppnås i eksisterende produkter.

Men det er bemerkelsesverdig at Silas partikler bare vil gi omtrent 25 % av kapasiteten i batteriets anode, mens standard grafittmaterialer gir resten.

Viswanathan sier at den større testen vil gå fra delvis til å erstatte grafitten fullstendig. Det krever et høyere nivå av presisjon og ytelse, som han beskriver som forskjellen mellom å slå en dobbel og et hjemmeløp.

I tillegg, sier han, står selskapet fortsatt overfor betydelige utfordringer fra forbrukerenheter til de mer strenge kravene til elektriske kjøretøy. Biler, lastebiler og busser trenger energitette, ekstremt sikre batterier som lader raskt og varer i mange livssykluser, blant annet. Problemet med batterikjemi er at forbedring av materialene og prosessene som er involvert i en ytelsesstandard ofte kan gå på bekostning av andre, sier Viswanathan.

Berdichevsky sier at Silas batterimateriale fullt ut vil erstatte grafitt i det neste kommersielle produktet, som han sier er låst og lastet med en partner som han ennå ikke kan annonsere. Og i motsetning til andre lovende batterimaterialer som får presse- og investoroppmerksomhet i disse dager, som litiummetall , Silas silisiummaterialer er allerede i produkter.

Vi er store troende på at håp og hype ikke forandrer verden – frakt gjør det, sier han.

gjemme seg