Deze batterijvooruitgang zou elektrische voertuigen veel goedkoper kunnen maken

Het zijn nanotechnologieën

De afgelopen zeven jaar heeft een startup in Alameda, Californië, stilletjes gewerkt aan een nieuw anodemateriaal dat belooft de prestaties van lithium-ionbatterijen aanzienlijk te verbeteren.

Sila Nanotechnologies kwam vorige maand uit de stealth-modus en werkte samen met BMW om de op silicium gebaseerde anodematerialen van het bedrijf tegen 2023 in ten minste enkele van de elektrische voertuigen van de Duitse autofabrikant te plaatsen. Een woordvoerder van BMW vertelde de Wall Street Journal het bedrijf verwacht dat de deal zal leiden tot een toename van 10 tot 15 procent van de hoeveelheid energie die je in een batterijcel van een bepaald volume kunt verpakken. Sila's CEO Gene Berdichevsky zegt dat de materialen uiteindelijk een verbetering van maar liefst 40 procent kunnen opleveren (zie 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).

Voor EV's zorgt een toename van de zogenaamde energiedichtheid voor een aanzienlijke vergroting van het kilometerbereik dat mogelijk is op een enkele lading, of voor een verlaging van de kosten van de batterijen die nodig zijn om het standaardbereik te bereiken. Voor consumentengadgets kan het de frustratie verlichten van mobiele telefoons die de dag niet doorkomen, of het kan energieverslindende functies van de volgende generatie mogelijk maken, zoals grotere camera's of ultrasnelle 5G-netwerken.

Onderzoekers hebben tientallen jaren gewerkt aan het verbeteren van de mogelijkheden van lithium-ionbatterijen, maar die winsten zijn meestal maar een paar procentpunten per keer. Dus hoe heeft Sila Nanotechnologies zo'n grote sprong gemaakt?

Berdichevsky, die werknemer nummer zeven was bij Tesla, en CTO Gleb Yushin , een professor in materiaalkunde aan het Georgia Institute of Technology, gaf onlangs een diepere uitleg van de batterijtechnologie in een interview met MIT Technology Review .

Sila mede-oprichters (van links naar rechts), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky en Alex Jacobs. Sila Nanotechnologieën

Een anode is de negatieve elektrode van de batterij, die in dit geval lithiumionen opslaat wanneer een batterij wordt opgeladen. Ingenieurs hebben lang geloofd dat silicium een ​​groot potentieel heeft als anodemateriaal om een ​​eenvoudige reden: het kan zich binden met 25 keer meer lithiumionen dan grafiet, het belangrijkste materiaal dat tegenwoordig in lithium-ionbatterijen wordt gebruikt.

Maar dit komt met een grote vangst. Wanneer silicium zoveel lithiumionen herbergt, neemt het volume toe, waardoor het materiaal zodanig wordt belast dat het tijdens het opladen de neiging heeft af te brokkelen. Die zwelling veroorzaakt ook elektrochemische nevenreacties die de prestaties van de batterij verminderen.

In 2010 was Yushin co-auteur van een wetenschappelijke papier die een methode identificeerde voor het produceren van stijve nanodeeltjes op basis van silicium die intern poreus genoeg zijn om aanzienlijke volumeveranderingen op te vangen. Hij werkte samen met Berdichevsky en een andere voormalige Tesla-batterij-ingenieur, Alex Jacobs, om het jaar daarop Sila te vormen.

Het bedrijf heeft sindsdien gewerkt aan het commercialiseren van dat basisconcept door tienduizenden verschillende soorten steeds geavanceerdere anode-nanodeeltjes te ontwikkelen, produceren en testen. Het ontdekte manieren om de interne structuur te veranderen om te voorkomen dat de elektrolyt van de batterij in de deeltjes sijpelt, en het behaalde tientallen stapsgewijze winsten in energiedichtheid die uiteindelijk neerkwamen op een verbetering van ongeveer 20 procent ten opzichte van de beste bestaande technologie.

Uiteindelijk creëerde Sila een robuust bolvormig deeltje ter grootte van een micrometer met een poreuze kern, die een groot deel van de zwelling in de interne structuur stuurt. De buitenkant van het deeltje verandert niet van vorm of grootte tijdens het opladen, waardoor de normale prestaties en levensduur worden gegarandeerd.

De resulterende composietanodepoeders werken als een drop-in materiaal voor bestaande fabrikanten van lithium-ioncellen.

Met elke nieuwe batterijtechnologie duurt het minstens vijf jaar om de kwaliteits- en veiligheidsgarantieprocessen van de auto-industrie te doorlopen - vandaar de tijdlijn voor 2023 met BMW. Maar Sila is op een sneller spoor met consumentenelektronica, waar het begin volgend jaar producten met zijn batterijmaterialen in de schappen verwacht.

Venkat Viswanathan, een werktuigbouwkundig ingenieur bij Carnegie Mellon, zegt dat Sila grote vooruitgang boekt. Maar hij waarschuwt ervoor dat winst in één batterijmeting vaak ten koste gaat van anderen, zoals veiligheid, oplaadtijd of levensduur, en dat wat in het laboratorium werkt, zich niet altijd perfect vertaalt in eindproducten.

Bedrijven zoals Enovix en Enevate ontwikkelen ook silicium-dominante anodematerialen. Ondertussen volgen andere bedrijven geheel andere routes naar opslag met een hogere capaciteit, met name met inbegrip van solid-state batterijen. Deze gebruiken materialen zoals glas, keramiek of polymeren om vloeibare elektrolyten te vervangen, die lithiumionen helpen transporteren tussen de kathode en de anode.

BMW heeft ook partnered met Solid Power, een spin-out van de Universiteit van Colorado Boulder, die beweert dat zijn solid-state technologie die vertrouwt op lithium-metaalanoden twee tot drie keer meer energie kan opslaan dan traditionele lithium-ionbatterijen. Ondertussen, Ionic Materials, dat onlangs opgevoed $ 65 miljoen van Dyson en anderen, heeft een solide polymeerelektrolyt ontwikkeld waarvan het beweert dat het veiligere, goedkopere batterijen mogelijk maakt die bij kamertemperatuur kunnen werken en ook met lithiummetaal zullen werken.

Sommige batterij-experts zijn van mening dat solid-state-technologie uiteindelijk grotere winsten in energiedichtheid belooft, als onderzoekers enkele grote resterende technische obstakels kunnen overwinnen.

Maar Berdichevsky benadrukt dat Sila's materialen nu klaar zijn voor producten en, in tegenstelling tot solid-state lithium-metaalbatterijen, geen dure apparatuurupgrades van batterijfabrikanten vereisen.

Naarmate het bedrijf aanvullende manieren ontwikkelt om de volumeverandering in de op silicium gebaseerde deeltjes te beperken, denken Berdichevsky en Yushin dat ze de energiedichtheid verder kunnen vergroten, terwijl ook de oplaadtijden en de totale levensduur van de cyclus worden verbeterd.

Dit verhaal is bijgewerkt om te verduidelijken dat Samsung niet heeft geïnvesteerd in de meest recente financieringsronde van Ionic Material.

zich verstoppen