Nye litium-metallbatterier vil drive overgangen til elbiler

En ny type batteri kan endelig gjøre elbiler like praktiske og billige som gass.

Et røntgendiffraktometer brukes til å sjekke batterikomponenter hos QuantumScape. De skyldige er Wintermeyer

av

• James Temple arkivside

24. februar 2021

• 
  Hvorfor det er viktig:

  Ytelsesbegrensningene til batterier har holdt tilbake overgangen til renere elbiler og alt annet enn utelukket elektriske fly.

• 
  Nøkkelspillere:

  • QuantumScape

  
  
  

  • Samsung Advanced Institute of Technology

  • Solid kraft

  • 24M

  
  
  

• 
  Tilgjengelighet:

  2025

Til tross for all hypen og håpet rundt elektriske kjøretøy, utgjør de fortsatt bare omtrent 2 % av salget av nye biler i USA og bare litt mer globalt.

For mange kjøpere er de rett og slett for dyre, rekkevidden deres er for begrenset, og å lade dem er ikke på langt nær så raskt og praktisk som å fylle drivstoff ved pumpen.

Denne historien var en del av mars 2021-utgaven vår

• Se resten av saken
• Abonnere

Alle disse begrensningene har å gjøre med litium-ion-batteriene som driver kjøretøyene. De er kostbare, tunge og går raskt tom for juice. For å gjøre vondt verre er batteriene avhengige av flytende elektrolytter som kan sprenge i flammer under kollisjoner.

Å gjøre elbiler mer konkurransedyktige med gassdrevne vil kreve et banebrytende batteri som avhjelper disse manglene. Det er i det minste argumentet til Jagdeep Singh, administrerende direktør i QuantumScape, en oppstart i Silicon Valley som hevder å ha utviklet seg nettopp en slik teknologi .

Selskapet hevder at det gjorde det ved å løse et kjemi-gåte som har slått forskerne i stykker i nesten et halvt århundre: hvordan bruke litium, det letteste metallet i det periodiske systemet, for å øke mengden energi som kan pakkes inn i et batteri uten å utgjøre en rutinemessig risiko for brann eller på annen måte ofre ytelsen. Selskapet sier at de oppnådde dette, i stor grad, ved å utvikle en solid versjon av den brennbare flytende elektrolytten.

VW var imponert nok til å investere hundrevis av millioner av dollar i QuantumScape. Den tyske bilgiganten gikk også med på å sette opp et joint venture med selskapet for å masseprodusere batteriene og sier at de vil være i sine elektriske biler og lastebiler på veien innen 2025.

Raskere lading og lengre rekkevidde

I et konvensjonelt litiumionbatteri er en av de to elektrodene, anoden, hovedsakelig laget av grafitt. Dette er en form for karbon som lett kan ta opp og frigjøre de ladede litiumionene som pendler frem og tilbake mellom anoden og katoden gjennom elektrolytten. Den strømmen av ladede partikler produserer en elektrisk strøm som strømmer ut av batteriet for å drive det som trenger strøm. Men grafitten er bare en vert for litiumionene, som ligger mellom ark med karbon som pakker på hyller. Det er dødvekt som ikke lagrer energi eller produserer en strøm selv.

I et litium-metallbatteri er selve anoden laget av litium. Dette betyr at nesten hvert atom i batteriets anode også kan settes i gang med å skape strøm. Teoretisk sett kunne et litium-metallanodebasert batteri lagre 50 % mer energi enn et med samme vekt og volum som var avhengig av grafitt.

Men fordi litiummetall er så reaktivt, kan det å være i konstant kontakt med en flytende elektrolytt utløse reaksjoner som bryter ned batteriet eller får det til å forbrenne, sier Venkat Viswanathan, en førsteamanuensis ved Carnegie Mellon som jobber med litium-metallbatterier og er en konsulent for QuantumScape. Et annet problem er at når litiumionene strømmer frem og tilbake, kan nållignende strukturer kjent som dendritter dannes i batteriene og kortslutte cellen eller få den til å ta fyr.

QuantumScapes prototypecelle har en solid versjon av den vanligvis flytende elektrolytten.

WINNI WINTERMEYER

QuantumScape, som ble offentlig i november etter å ha drevet i stealth-modus i et tiår, holder fortsatt tilbake noen av de kritiske detaljene om hvordan solid-elektrolyttbatteriet overvinner disse problemene. Men det ser ut til å fungere bemerkelsesverdig godt.

I en nettpresentasjon i desember viste oppstarten en serie diagrammer som viser at en ettlags laboratorieversjon av batteriet kan lades til mer enn 80 % av kapasiteten på 15 minutter, varer i hundretusenvis av miles og fungerer fint ved minusgrader. Selskapet forventer at batteriene kan øke rekkevidden til elektriske kjøretøyer med mer enn 80 %: en bil som kan kjøre 250 miles på en enkelt lading i dag kan kjøre 450 miles i stedet.

QuantumScape har satt meg på hælene igjen, sier Nancy Dudney, en batteriforsker ved Oak Ridge National Laboratory, som har gjort banebrytende arbeid med faststoffelektrolytter. Ved første øyekast ser det veldig bra ut, sier hun, selv om hun legger til: Vi har vært her før med andre batteriutviklinger.

Faktisk er batterifeltet full av eksempler på oppstart som lovet banebrytende teknologier, men som til slutt mislyktes. Og utfordringene foran QuantumScape er skremmende, spesielt når det gjelder å konvertere prototypecellene til kommersielle produkter som kan produseres billig.

Hvis selskapet lykkes, kan det forvandle EV-markedet. Å kutte kostnader, øke rekkevidden og gjøre lading nesten like praktisk som å fylle på en bensinstasjon kan utvide etterspørselen utover folk som har råd til å betale ut tusenvis av dollar for ladeporter hjemme, og lette angsten til de som frykter å bli strandet på lengre turer.

Den ekstra energitettheten og raskere lading kan også gjøre det mer praktisk å elektrifisere andre former for transport, inkludert langdistansetransport og til og med kortdistanseflyvninger. (Som en bonus vil den også levere telefoner og bærbare datamaskiner som kan vare et par dager på én lading.)

Fødsel av et batteri

Historien om litium-metallbatterier begynte tidlig på 1970-tallet og er tett sammenvevd med utviklingen av litium-ion-batteriene vi er avhengige av i dag.

Tidens oljekriser, kombinert med det som skulle vise seg å være veldig tidlig frykt for topp-petroleum, vekket plutselig interessen for elektriske kjøretøy for første gang siden bilindustriens spede begynnelse. I 1972 jobbet American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW og andre med elektriske biler, som vitenskapsforfatteren Seth Fletcher beskriver i boken Flaskebelysning . I mellomtiden søkte store industrielle laboratorier, inkludert de ved GE, Dow Chemical og Exxon, etter bedre batterikjemi.

Batterier den gang, som for det meste var blysyre, kunne ikke levere i nærheten av avstandene eller hastighetene til gassmotorer. I 1969, General Motors eksperimentell 512 elbil skrøt av en toppfart på rundt 30 miles i timen, med en rekkevidde på 47 miles.

I et litium-ion-batteri beveger litiumioner seg frem og tilbake mellom anoden og katoden når batteriet lades og utlades. I QuantumScapes batteri beveger ionene seg gjennom en separator og danner et perfekt flatt lag mellom den og den elektriske kontakten, og skaper anoden når den lades. Den mangler en anode i utarmet tilstand.

I 1972 ansatte Exxons forskningsavdeling en ung kjemiker ved navn Stan Whittingham på grunn av hans postdoktorarbeid ved Stanford. Spesielt utviklet han krystallinske materialer som gjorde at ioner lett kunne strømme inn og ut. Hos Exxon begynte Whittingham og hans kolleger å eksperimentere med et lovende porøst materiale for en katode: titandisulfid. De paret den med en anode laget av metallisk litium, et svært reaktivt materiale som lett frigjør elektronene sine. Det fungerte overraskende bra.

Teamet søkte om patent i 1973, publiserte et landemerke papir i vitenskap i 1976, og viste frem en større versjon av cellene på en bilutstilling i 1977 .

På begynnelsen av 1980-tallet var oljekrisen over. Exxons nye ledelse bestemte seg for å kaste bort enhver forretningslinje uten potensial til å bli et årlig marked på 100 millioner dollar. Selskapet droppet innsatsen for elektriske kjøretøy og batterier. De sa: 'Disse er for små til at vi kan være involvert i,' sier Whittingham.

Litium-ion tar over

Litium-metallbatterier var langt bedre enn blybatterier, men de hadde også iboende ulemper som Exxon-teamet aldri hadde løst, inkludert deres vane med å utløse branner i laboratoriet.

Andre som forsøkte å kommersialisere litium-metallbatterier, fikk lignende problemer. På 1980-tallet utviklet Moli Energy fra British Columbia et 2,2-volts litium-metallbatteri for bærbare datamaskiner og mobiltelefoner. Men i 1989 tok en japansk mobiltelefon fyr, brenne sin eier . Etter at en etterforskning festet skylden på batteriet, ble tusenvis av mobiltelefoner tilbakekalt og selskapet gikk i mottak, ifølge Electric Autonomy Canada.

I mellomtiden bygde andre på Whittinghams arbeid. John Goodenough, nå professor ved University of Texas i Austin, brukte koboltoksid i stedet for titandisulfid for å utvikle en katode som kunne lagre mer energi. Akira Yoshino, professor ved Meijo University, byttet ut den rene litiumanoden med koks (en annen form for karbon), som fortsatt kunne lagre mye litiumioner, men reduserte brannfarene. Til slutt samlet forskere ved Sony brikkene for å utvikle de første kommersielle litium-ion-batteriene i 1992. Whittingham, Goodenough og Yoshino delte Nobelprisen i kjemi i 201 9 for sine roller i gjennombruddet.

Den løpske suksessen til litium-ion-batterier, som nå driver våre bærbare datamaskiner, telefoner og elektriske kjøretøy, stoppet innsatsen for å kommersialisere litium-metallteknologi i årene som kommer. Men noen mistet aldri litiummetalls potensiale til å være en mer effektiv form for energilagring av syne. Og å erstatte standard flytende elektrolytter, som er effektivt brennbare løsemidler, med faste materialer virket som en spesielt lovende utforskningsvei.

Rundt 2000 demonstrerte et team ved Oak Ridge National Laboratory tynnfilmsbatterier – den typen som brukes i liten elektronikk som smartkort og pacemakere – som brukte solid-state litium-metallteknologi. Produksjonsprosessen og størrelsen og formen til tynnfilmsbatterier begrenser stort sett bruken utover alt som er større enn en klokke, sier Paul Albertus, en batteriekspert ved University of Maryland. Men arbeidet ga et avgjørende bevis på konseptet for et fungerende litium-metallbatteri.

Veidrap

Ulike startups hadde begynt å forfølge teknologien igjen på slutten av 2000-tallet. Men det har vist seg å være en forrædersk vei.

Noen har allerede lagt ned. Seeo, dannet i 2007, ble kjøpt av det tyske selskapet Bosch, som senere oppløste sin batteriforskningsinnsats. Frankrike-baserte Bolloré var den første som satte solid-state litium-metall-batterier i kjøretøy på veien, og lanserte sine Bluecar-bildelingsprogrammer i 2011. Men de polymerbaserte elektrolyttene fungerer bare ved høyere temperaturer, noe som begrenser bruken i forbrukerkjøretøyer. .

Katoder for QuantumScapes batterier er laget på denne fabrikasjonslinjen.

WINNI WINTERMEYER

En håndfull andre selskaper har imidlertid gjort nyere fremskritt. Mest bemerkelsesverdig, to dager etter QuantumScapes presentasjon i desember i fjor, kunngjorde Solid Power, en Colorado-oppstart som ble grunnlagt i 2012, at den allerede produserer pilotskala-batcher av 22-lags litium-metallceller som vil overgå rekkevidden til dagens elektriske kjøretøybatterier .

Og i januar kunngjorde energidepartementets ARPA-E-divisjon at de ville investere 9 millioner dollar i et forsøk fra batteriselskapet 24M og Carnegie Mellons Viswanathan for å utvikle litium-metallbatterier designet for elektriske fly, der energien som er lagret og strøm levert per kilo er avgjørende.

Starter opp QuantumScape

Trikset for ethvert selskap som utvikler litium-metallbatterier har vært å finne elektrolyttmaterialer som forhindrer brann og dendritter samtidig som det lar ioner enkelt passere gjennom, og uten å forringe ytelsen til batteriet på annen måte. Og det er nettopp det QuantumScape hevder det har gjort.

Relatert historie

Dette superenergitette batteriet kan nesten doble rekkevidden til elektriske kjøretøy Men noen observatører er ikke overbevist om at QuantumScapes litium-metallbatterier vil drive biler og lastebiler på veien så snart selskapet hevder.

Opprinnelsen til selskapet går tilbake til 2009. Da Singh forberedte seg på å gå av som administrerende direktør i Infinera, et nettverksselskap han var med å grunnlegge, begynte han å snakke med Stanford postdoktor Tim Holme og hans rådgiver, Friedrich Prinz, om å danne et selskap basert på deres forskning på nye batterimaterialer.

Trioen grunnla QuantumScape året etter, med mål om å utvikle energitette batterier med høy effekt. De prøvde først å gjøre det ved å lage en helt ny type batteri, kjent som et helelektronbatteri, men fant ut at det ville være vanskeligere enn det først så ut til.

Da hadde selskapet samlet inn titalls millioner dollar fra venturekapitalfirmaer som Kleiner Perkins og Khosla Ventures. Det etterlot QuantumScape med nok penger til stille å skifte retning, forfølge drømmen om litium-metallteknologi.

Selskapet brukte de neste fem årene på å lete etter akkurat det rette materialet for å utvikle en faststoffelektrolytt, sier Singh. Deretter brukte det ytterligere fem på å finne den riktige sammensetningen og produksjonsprosessen for å forhindre defekter og dendritter. Alt selskapet vil si om elektrolytten er at det er en keramikk.

Er vi der ennå?

Alle QuantumScapes publiserte tester så langt ble utført på enkeltlagsceller. (Etter at denne artikkelen gikk i trykken, kunngjorde selskapet at de har produsert og utført tester på 4-lags celler som oppnådde lignende resultater.) For å jobbe i biler, må selskapet produsere batterier fullpakket med flere dusin lag , effektivt flytte fra et enkelt spillekort til en kortstokk. Og den vil fortsatt måtte finne en måte å produsere disse cellene billig nok til å konkurrere med litium-ion, en batteriteknologi som har dominert i flere tiår.

Det er en skremmende ingeniøroppgave. De er halvveis der – etter 10 år og 300 millioner dollar og 150 mennesker som har jobbet med dette, har de dette lille spillekortet nå, sier Albertus, fra University of Maryland. Det er fortsatt et stykke unna å levere batterier på tusenvis av metriske tonns skala – og det er en veldig vanskelig utfordring. Flere batteriforskere fortalte meg at de tviler alvorlig på at QuantumScape kan skalere opp og fullføre fullstendige sikkerhetstester i tide til å sette batterier i biler på veien bare fire år fra nå.

Gitt selskapets resultater og de oppmuntrende kunngjøringene fra andre startups, tror de fleste i batteriverdenen at det ser mer sannsynlig ut at problemene som har holdt opp litiummetall i flere tiår kan løses – og det er derfor det er på MIT Technology Reviews liste over banebrytende teknologier i år. Men det er også klart at på tross av all fremgangen som har blitt gjort siden Whittinghams tid i Exxon, er det fortsatt mange års arbeid foran oss.

Oppdatering: Denne historien ble oppdatert for å korrigere en feil angående hvor mye ekstra energi et litium-metallbatteri teoretisk kan lagre.

2021

10 banebrytende teknologier