211service.com
Deze superenergierijke batterij zou het bereik van elektrische voertuigen bijna kunnen verdubbelen
QuantumScape's enkellaagse, solid-state lithium-metaal batterijcel. Met dank aan: QuantumScape
Wetenschappers beschouwen lithium-metaalbatterijen al lang als een ideale technologie voor energieopslag, waarbij ze gebruikmaken van het lichtste metaal op het periodiek systeem om cellen boordevol energie te leveren.
Maar onderzoekers en bedrijven hebben tientallen jaren geprobeerd en faalden om betaalbare, oplaadbare versies te produceren die niet de nare gewoonte hadden om in brand te vliegen.
Eerder dit jaar beweerde Jagdeep Singh, de chief executive van QuantumScape, dat in een interview met The Mobilist dat het zwaar gefinancierde, stealth-bedrijf uit Silicon Valley de belangrijkste technische uitdagingen had opgelost. Hij voegde eraan toe dat VW verwacht de batterijen in zijn auto's en vrachtwagens tegen 2025 te hebben, met de belofte om de kosten te verlagen en het bereik van zijn elektrische voertuigen te vergroten.
Na de beursgang in november, wordt QuantumScape nu gewaardeerd op ongeveer $ 20 miljard, ondanks dat het nog geen product of inkomsten heeft (en geen verwachting dat het tot 2024 zal duren ). VW heeft meer dan $ 300 miljoen geïnvesteerd in het bedrijf en heeft een joint venture opgericht met QuantumScape om de batterijen te produceren. Het bedrijf heeft ook honderden miljoenen opgehaald bij andere grote investeerders.
Toch had Singh tot nu toe weinig details over de batterij onthuld, wat onderzoekers, rivalen en journalisten ertoe aanzette patentaanvragen, investeerdersdocumenten en andere bronnen te doorzoeken op aanwijzingen over wat het bedrijf precies had bereikt - en hoe.
In een persbericht op dinsdag 8 december heeft QuantumScape eindelijk de technische resultaten van laboratoriumtests verstrekt. De technologie is een gedeeltelijk solid-state batterij, wat betekent dat het een vaste elektrolyt gebruikt in plaats van de vloeistof waarop de meeste batterijen vertrouwen om de beweging van geladen atomen door het apparaat te bevorderen.
Talloze onderzoekers en bedrijven onderzoeken vastestoftechnologie voor een verscheidenheid aan batterijchemie, omdat deze benadering de potentie heeft om de veiligheid en energiedichtheid te verbeteren, hoewel het ontwikkelen van een praktische versie moeilijk is gebleken.
Het bedrijf, gevestigd in San Jose, Californië, houdt nog steeds bepaalde details over zijn batterij achter, inclusief enkele van de belangrijkste materialen en processen die het gebruikt om het te laten werken. En sommige experts blijven sceptisch dat QuantumScape echt de lastige technische uitdagingen heeft aangepakt die een lithium-metaalbatterij in de komende vijf jaar mogelijk zouden maken in bedrijfsvoertuigen.
Test resultaten
In een interview met MIT Technology Review zegt Singh dat het bedrijf heeft aangetoond dat zijn batterijen effectief zullen voldoen aan vijf belangrijke consumentenbehoeften die tot nu toe hebben verhinderd dat elektrische voertuigen 2% van nieuwe autoverkopen in de VS : lagere kosten, grotere actieradius, kortere laadtijden, langere totale levensduur op de weg en meer veiligheid.
Elke batterij die aan deze vereisten kan voldoen, kan de 98% van de markt echt openen op een manier die je vandaag niet kunt doen, zegt hij.
Jagdeep Singh, CEO van QuantumScape
De prestatieresultaten van QuantumScape zijn inderdaad opmerkelijk.
De batterijen kunnen in minder dan 15 minuten worden opgeladen tot 80% van hun capaciteit. (MotorTrend) gevonden dat Tesla's V3 Supercharger een Model 3 van 5% naar 90% in 37 minuten, in een test vorig jaar, in een test bracht.) En ze behouden meer dan 80% van hun capaciteit over 800 laadcycli, wat het ruwe equivalent is van 240.000 mijl rijden. In feite vertoont de batterij weinig degradatie, zelfs niet wanneer deze wordt onderworpen aan agressieve laad- en ontlaadcycli.
Ten slotte zegt het bedrijf dat de batterij is ontworpen om een rijbereik te bereiken dat dat van elektrische voertuigen met standaard lithium-ionbatterijen met meer dan 80% zou kunnen overschrijden, hoewel dit nog niet rechtstreeks is getest.
De gegevens van QuantumScape zijn behoorlijk indrukwekkend, zegt Paul Albertus, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Maryland en voorheen de programmadirecteur van ARPA-E's solid-state-gerichte IONICS-programma, die geen banden of financiële relatie heeft met het bedrijf.
Het bedrijf is veel verder gegaan dan andere dingen die ik heb gezien in lithium-metaalbatterijen, voegt hij eraan toe: ze hebben een marathon gelopen terwijl alle anderen een 5K hebben gedaan.
Hoe het werkt
Dus hoe hebben ze dit allemaal bereikt?
In een standaard lithium-ionbatterij in een elektrische auto van tegenwoordig is een van de twee elektroden (de anode) meestal gemaakt van grafiet, dat gemakkelijk de lithiumionen opslaat die heen en weer door de batterij pendelen. In een lithium-metaalbatterij is die anode gemaakt van lithium zelf. Dat betekent dat bijna elk elektron aan het werk kan worden gezet om energie op te slaan, wat verantwoordelijk is voor het grotere potentieel voor energiedichtheid.
Maar het zorgt voor een paar grote uitdagingen. De eerste is dat het metaal zeer reactief is, dus als het in contact komt met een vloeistof, inclusief de elektrolyt die de beweging van die ionen in de meeste batterijen ondersteunt, kan het nevenreacties veroorzaken die de batterij degraderen of doen ontbranden. De tweede is dat de stroom van lithiumionen naaldachtige formaties kan vormen die bekend staan als dendrieten, die de separator in het midden van de batterij kunnen doorboren, waardoor de cel kan worden kortgesloten.
In de loop der jaren hebben deze problemen onderzoekers ertoe aangezet om vastestofelektrolyten te ontwikkelen die niet reactief zijn met lithiummetaal, met behulp van keramiek, polymeren en andere materialen.
Een van de belangrijkste innovaties van QuantumScape was de ontwikkeling van een keramisch elektrolyt in vaste toestand dat ook dienst doet als afscheider. Het is slechts enkele tientallen micrometer dik en onderdrukt de vorming van dendrieten, terwijl lithiumionen toch gemakkelijk heen en weer kunnen gaan. (De elektrolyt aan het andere uiteinde van de batterij, de kathodezijde, is een gel van een of andere vorm, dus het is geen volledig solid-state batterij.)
Singh weigert het materiaal dat ze gebruiken te specificeren, omdat het een van hun best bewaarde handelsgeheimen is. (Sommige batterij experts vermoeden , op basis van octrooiaanvragen, dat het een oxide is dat bekend staat als LLZO.) Het vinden duurde vijf jaar; het ontwikkelen van de juiste samenstelling en het fabricageproces om defecten en dendrieten te voorkomen kostte nog eens vijf.
Het bedrijf is van mening dat de overstap naar solid-state-technologie de batterijen veiliger zal maken dan de lithium-ionvariant die momenteel op de markt is, wat nog steeds af en toe in brand zichzelf onder extreme omstandigheden.
De andere grote vooruitgang is dat de batterij is vervaardigd zonder een duidelijke anode. (Zie QuantumScape's video hier om een beter beeld te krijgen van het anodevrije ontwerp.)
Terwijl de batterij wordt opgeladen, reizen de lithiumionen aan de kathodezijde door de separator en vormen een perfect vlakke laag tussen deze en het elektrische contact aan het uiteinde van de batterij. Bijna al dat lithium keert vervolgens tijdens de ontladingscyclus terug naar de kathode. Dit elimineert de noodzaak van gastheeranodemateriaal dat niet direct bijdraagt aan het opslaan van energie of het voeren van stroom, waardoor het benodigde gewicht en volume verder worden verminderd. Het zou ook de productiekosten moeten verlagen, zegt het bedrijf.
Resterende risico's
Er is echter een addertje onder het gras: de resultaten van QuantumScape zijn afkomstig van laboratoriumtests die zijn uitgevoerd op enkellaagse cellen. Een echte autobatterij zou tientallen lagen moeten hebben die allemaal samenwerken. Van de pilotlijn naar commerciële productie komen is een grote uitdaging bij energieopslag, en het punt waarop veel ooit veelbelovende batterijstartups zijn mislukt.
Albertus merkt op dat er een rijke geschiedenis is van voortijdige claims van batterijdoorbraken, dus nieuwe worden met scepsis ontvangen. Hij zou graag zien dat QuantumScape de cellen van het bedrijf onderwerpt aan het soort onafhankelijke testen dat nationale laboratoria uitvoeren, onder gestandaardiseerde omstandigheden.
Andere waarnemers in de sector hebben hun twijfels geuit dat het bedrijf de opschalings- en veiligheidstests die nodig zijn om batterijen in voertuigen op de weg te plaatsen tegen 2025 zou kunnen halen, als het bedrijf tot nu toe alleen rigoureuze enkellaagse cellen heeft getest.
Sila Nanotechnologies, een concurrerende startup voor batterijen in ontwikkeling een ander soort energiedichte anodematerialen voor lithium-ionbatterijen, vrijgegeven a wit papier een dag voor het Mobilist-verhaal dat een litanie van technische uitdagingen voor solid-state lithium-metaalbatterijen belicht. Het merkt op dat veel van de theoretische voordelen van lithium-metaal kleiner worden naarmate bedrijven naar commerciële batterijen toe werken, gezien alle aanvullende maatregelen die nodig zijn om ze te laten werken.
Maar de krant benadrukt dat het moeilijkste deel zal zijn om de marktuitdaging aan te gaan: concurreren met de enorme wereldwijde infrastructuur die al aanwezig is om lithium-ionbatterijen te kopen, produceren, verzenden en installeren.
Massale weddenschappen
Andere waarnemers zeggen echter dat de recente vorderingen in het veld erop wijzen dat lithium-metaalbatterijen de energiedichtheid van lithium-iontechnologie aanzienlijk zullen overtreffen en dat de problemen die het veld in stand houden, kunnen worden opgelost.
Vroeger was het of we lithium-metaalbatterijen zouden hebben; nu is het een kwestie van wanneer we ze zullen hebben, zegt Venkat Viswanathan, een universitair hoofddocent bij Carnegie Mellon die lithium-metaalbatterijen heeft onderzocht (en advieswerk heeft gedaan voor QuantumScape).
Singh erkende dat het bedrijf nog steeds voor uitdagingen staat, maar hij benadrukt dat deze te maken hebben met engineering en opschaling van de productie. Verdere doorbraken in de chemie zijn volgens hem niet nodig.
Hij merkte ook op dat het bedrijf nu meer dan $ 1 miljard heeft, wat het een aanzienlijke startbaan biedt om tot commerciële productie te komen.
Op de vraag waarom journalisten vertrouwen zouden moeten hebben in de resultaten van het bedrijf zonder het voordeel van onafhankelijke bevindingen, benadrukte Singh dat hij zoveel mogelijk gegevens deelt om transparant te zijn. Maar hij voegt eraan toe dat QuantumScape zich niet bezighoudt met academisch onderzoek.
No offence, maar het kan ons niet schelen wat je denkt, zegt hij. De mensen waar we om geven, zijn onze klanten. Ze hebben de gegevens gezien, ze hebben de tests in hun eigen laboratorium uitgevoerd, ze hebben gezien dat het werkt en als gevolg daarvan zetten ze massaal in op dit bedrijf. VW is all-in gegaan.
Met andere woorden, de echte test of QuantumScape de problemen zo volledig heeft opgelost als wordt beweerd, is of de Duitse autogigant in 2025 auto's met batterijen op de weg zet.