Een opwindende startup

Het is de snelste elektrische motorfiets ter wereld. Op een populaire YouTube-video verdwijnt de zwarte dragster-fiets bijna in een rookwolk terwijl de bestuurder een burn-out doet en aan het achterwiel draait om het op te warmen. Terwijl de rook wegdrijft, gaat de bestuurder op zijn plaats zitten en drukt op een schakelaar, en de motor schiet naar voren en accelereert in minder dan een seconde naar 60 mijl per uur. Zeven seconden later passeert het de kwartmijlsmarkering met 168 mijl per uur - snel genoeg om te concurreren met door gas aangedreven dragsters.

Bijwerking: Een batterij die door A123 Systems is ontworpen voor het elektrische voertuig van GM, kan een verpletterende veiligheidstest doorstaan. De impact met hoge snelheid had ertoe kunnen leiden dat andere lithium-ionbatterijen oververhit raakten en vlam vatten.

Wat de Killacycle aandrijft, is een nieuwe lithium-ionbatterij die is ontwikkeld door A123 Systems, een startup in Watertown, MA, een van de weinige bedrijven die aan vergelijkbare technologie werken. De accu's van het bedrijf slaan meer dan twee keer zoveel energie op als nikkel-metaalhydride-accu's, het type dat wordt gebruikt in de hybride auto's van vandaag, terwijl ze de stroomstootjes leveren die nodig zijn voor hoge prestaties. Een radicaal gewijzigde versie van de lithium-ionbatterijen die in draagbare elektronica worden gebruikt, zou de technologie een vliegende start kunnen geven op de lang sputterende markt voor elektrische voertuigen, die vandaag een kleine fractie van 1 procent van de autoverkoop in de Verenigde Staten vertegenwoordigt. Vooral de batterijen van de A123 hebben de aandacht getrokken van General Motors, dat ze test als een manier om de Volt, een elektrische auto met een benzinegenerator, van stroom te voorzien; het voertuig zal naar verwachting al in 2010 in massaproductie gaan.

In het verleden gaven autofabrikanten de slechte verkoop van elektrische voertuigen de schuld van hun loodzuur- of nikkelmetaalhydridebatterijen, die zo zwaar waren dat ze het bereik van de voertuigen beperkten en zo omvangrijk waren dat ze kofferruimte in beslag namen. Hoewel conventionele lithium-ionbatterijen veel lichter en compacter zijn, zijn ze niet kosteneffectief voor elektrische voertuigen. Dat komt deels omdat ze lithium-kobaltoxide-elektroden gebruiken, die onstabiel kunnen zijn: batterijen op basis daarvan verslijten na een paar jaar en kunnen in brand vliegen als ze worden doorboord, geplet, overladen of oververhit raken. Sommige autofabrikanten hebben geprobeerd om deze problemen te omzeilen, maar de resultaten waren duur.

De batterijen van A123 kunnen lithium-iontechnologie eindelijk praktisch maken voor de auto-industrie. In plaats van kobaltoxide gebruiken ze een elektrodemateriaal gemaakt van nanodeeltjes van lithiumijzerfosfaat, gemodificeerd met sporenmetalen. Het is onwaarschijnlijk dat de resulterende batterijen vlam vatten, zelfs niet als ze bij een ongeval worden verpletterd. Ze zijn ook veel sterker dan conventionele lithium-ionbatterijen: A123 voorspelt dat ze langer meegaan dan de normale levensduur van een auto.

Notitieboekje van de verslaggever : Kevin Bullis

De belofte van de batterij heeft van A123 een van de best gefinancierde technologiestartups in het land gemaakt, met tot dusver $ 148 miljoen aan durfkapitaalinvesteringen. Met de financiering heeft A123 een ambitieus businessplan nagestreefd waarin het wordt gevraagd om alles te doen, van het perfectioneren van het materiaal tot het produceren van batterijen en het verkopen ervan aan klanten in de auto- en elektrisch gereedschapsindustrie.

De A123-batterijen voor GM's Volt slaan genoeg energie op voor 40 mijl rijden, genoeg om het dagelijkse woon-werkverkeer te dekken. (Bij langere reizen zou de kleine benzinemotor in werking treden om de batterij op te laden, waardoor het bereik tot meer dan 400 mijl wordt uitgebreid.) GM is van plan de voertuigen te verkopen voor ongeveer $ 30.000 tot $ 35.000; het bedrijf denkt dat het in de eerste jaren honderdduizenden voor die prijs kan verkopen, en J.D. Power and Associates schat dat GM tegen 2014 bijna 300.000 zal verkopen.

Multimedia

• Leer hoe verschillende soorten hybriden werken met deze interactieve inleiding.

Materialen zijn belangrijk:
Begin 2001 liep een 26-jarige Venezolaanse ondernemer, Ric Fulop genaamd, zonder afspraak het kantoor binnen van Yet-Ming Chiang, een professor in materiaalkunde aan het MIT. Hij kwam gewoon opdagen en klopte op de deur, herinnert Chiang zich. Fulop, die al drie door durfkapitaal gefinancierde bedrijven had opgericht, wilde hulp bij het starten van een batterijbedrijf en hij wist dat Chiang batterijonderzoek deed waarbij nanotechnologie betrokken was. Chiang zelf was eind jaren tachtig medeoprichter van een succesvolle startup, maar hij besteedde het grootste deel van zijn tijd aan onderzoek naar nanotechnologie en de chemie van geavanceerde keramiek.

Tegen de herfst waren Fulop en Chiang, samen met Bart Riley, een ingenieur die Chiang kende van zijn vorige onderneming, medeoprichter van A123 Systems. Het plan was om een ​​van Chiangs meer radicale ideeën op de markt te brengen: materialen die, als ze door elkaar werden gemengd, spontaan zouden samensmelten tot een werkende batterij. Het proces beloofde de energieopslagcapaciteit te vergroten en tegelijkertijd de productiekosten te verlagen.

Het grote idee van Chiang bleek een hit bij investeerders. Tegen het einde van 2001 had een eerste financieringsronde 8,3 miljoen dollar opgebracht van verschillende durfkapitaalfirma's. Motorola en Qualcomm, geïntrigeerd door het vooruitzicht van betere batterijen voor draagbare elektronica, voegden al snel $ 4 miljoen toe. Maar al snel werd duidelijk dat een commerciële zelfassemblerende batterij jaren verwijderd was van de realiteit. De technologie was nog vrij rudimentair, zegt Chiang.

Begin 2002 deed Chiang echter een verrassende ontdekking die de koers van het bedrijf volledig zou veranderen. Hij was begonnen te werken met lithiumijzerfosfaat, dat niet-toxisch, veilig en goedkoop is, in tegenstelling tot de materialen die in andere lithium-ionbatterijen worden gebruikt. Maar het bleek een aantal ernstige nadelen te hebben. Het slaat minder energie op dan lithiumkobaltoxide, het elektrodemateriaal in conventionele lithium-ionbatterijen, dus het leek ongeschikt voor gebruik in draagbare elektronica, waar energieopslag van het grootste belang is. Bovendien laadt en ontlaadt het langzaam, waardoor het niet kan worden gebruikt in krachtige toepassingen zoals hybride elektrische voertuigen; zelfs voor volledig elektrische auto's, die veel meer batterijcellen gebruiken dan hybrides, kon het materiaal niet genoeg vermogen leveren.

Dus begon Chiang het aan te passen door sporen van metalen toe te voegen. Al snel ontlaadde het materiaal stroom met relatief hoge snelheden. Medio 2002 vloog hij naar Monterey, CA, om zijn bevindingen op een conferentie te presenteren. Terwijl hij daar was, ging een afgestudeerde student aan het MIT door met het uitvoeren van tests. Tegen de tijd dat Chiang was gepland om te praten, presteerde het materiaal vier keer zo snel als hij was gekomen om aan te kondigen. Op dat moment wisten we dat we iets speciaals hadden, zegt hij.

Uiteindelijk zou Chiang aantonen dat het materiaal uitbarstingen van elektriciteit kan leveren met een snelheid van 10 keer de snelheid die wordt gebruikt in conventionele lithium-ionbatterijen. Na het goed presterende materiaal in detail te hebben bestudeerd, stelde hij vast dat het zijn kracht te danken had aan zowel de grootte van de deeltjes die hij had gebruikt (minder dan 100 nanometer) als aan de toevoeging van de extra metalen. De combinatie van die factoren, zegt hij, veroorzaakt een fundamenteel verschil in de manier waarop de atomen waaruit het materiaal bestaat, zichzelf herschikken wanneer ze een lading ontvangen en vrijgeven.

Ingepakt: De batterijcellen van de A123 (hierboven) zijn geïntegreerd in een T-vormig pakket dat is ontwikkeld door het Duitse bedrijf Continental.

In alle lithium-ionbatterijen wordt elektriciteit opgewekt wanneer lithiumionen tussen twee elektroden pendelen terwijl elektronen door een extern circuit reizen. In de vroege experimenten van Chiang met lithiumijzerfosfaat, zouden de delen van het materiaal die lithium bevatten zich scheiden van de delen die dat niet deden toen de lithiumionen in en uit een elektrode bewogen. Dat veranderde de kristallijne structuur van het materiaal en de prestaties verslechterden. Maar, ontdekte Chiang, wanneer de deeltjes lithiumijzerfosfaat klein genoeg zijn - en de elektrode is gemodificeerd of gedoteerd door de toevoeging van andere metalen - verandert de kristallijne structuur van het materiaal veel minder. Hierdoor kunnen de lithiumionen sneller in en uit bewegen, zonder het materiaal aan te tasten. Al met al ontdekte Chiang dat het gemodificeerde materiaal sneller laadde en ontlaadde dan gewoon lithiumijzerfosfaat, en het ging ook langer mee.

Hoe buitengewoon het nieuwe batterijmateriaal ook leek, Chiang realiseerde zich meteen dat het niet ideaal was voor draagbare elektronica. Er leek geen kant-en-klare markt te zijn voor lichte, compacte batterijen die grote stroomstoten afleverden. Hybride voertuigen, een natuurlijke pasvorm, begonnen pas op de markt te verschijnen. Wat Chiang niet wist, was dat een groot elektrisch gereedschapsbedrijf stilletjes aan een nieuwe generatie draadloze gereedschappen werkte en moeite had een batterij te vinden die aan zijn behoeften zou voldoen.

Krachtige start
In 2003 ontmoetten vertegenwoordigers van Black en Decker Dave Vieau, de CEO van Fulop en A123, en vertelden hen dat ze draadloze elektrische gereedschappen wilden maken die beter zouden presteren dan apparaten die op de muur waren aangesloten. Het materiaal van de A123 leek perfect te passen. In korte bursts kan het meer vermogen leveren dan een huishoudelijk circuit. En het had andere kenmerken die aantrekkelijk zouden zijn op een bouwplaats. Het kan snel worden opgeladen (tot 80 procent van de capaciteit in 12 minuten of minder), en in tegenstelling tot batterijen gemaakt met lithiumkobaltoxide, kan het een zware behandeling overleven zonder vlam te vatten.

Dat was althans de theorie. Toen Fulop en Vieau Black en Decker voor het eerst ontmoetten, hadden ze alleen een model van een batterijcel, een halve gram materiaal en een PowerPoint-presentatie. Wat Black en Decker nodig hadden, was een bedrijf dat miljoenen batterijen kon produceren. Er was veel nadruk op het materiaal, maar wat we moesten leren is om de volledige cel te engineeren, zegt Chiang.

Binnen een jaar na ondertekening van de eerste overeenkomst met Black and Decker had A123 echter een commercieel haalbare batterij geproduceerd. In november 2005 kwamen de eerste producten van de lopende band in Azië. In minder dan drie jaar tijd ging het bedrijf van het bouwen van een demonstratiebatterij ter grootte van een muntstuk naar het bouwen van 50 meter lange coatingmachines en fabrieken van 28.000 vierkante meter die door honderden werknemers worden gerund. Tegen 2006 kochten klanten zijn batterijen in een nieuwe lijn van professionele gereedschappen verkocht door Black and Decker. In korte tijd produceerde A123 batterijen met een snelheid van miljoenen per jaar.

Duits gebouwd: Het T-vormige pakket (hierboven) bevat de batterijcellen van de A123. GM test het pakket onder gesimuleerde rijomstandigheden voordat het in een elektrisch voertuigprototype wordt vastgeschroefd.

Auto's opladen
Ondertussen was GM zijn technologiestrategie aan het heroverwegen toen Toyota de markt voor hybride voertuigen begon te domineren. Een hybride gebruikt slechts een deel van de tijd een batterij en vertrouwt voor een groot deel van zijn vermogen op een benzinemotor. GM besloot een auto te ontwikkelen waarmee klanten voor de meeste dagelijkse ritten zouden kunnen stoppen met het gebruik van benzine. Maar om het voor elkaar te krijgen, had de automaker een krachtige, betrouwbare batterij nodig. En daarvoor werd het A123.

GM wist dat het lithium-ionbatterijen wilde gebruiken vanwege hun opslagcapaciteit, zegt Denise Gray, GM's directeur van energieopslagsystemen. Maar het wist ook dat bestaande technologie niet zou werken. Hoewel een lithium-ion-laptopbatterij 500 volledige laad- en ontlaadcycli kan overleven voordat de capaciteit afneemt, wil geen enkele autobezitter elke 18 maanden een nieuwe batterij kopen. Volgens de prognoses van A123 zouden de batterijen echter meer dan 15 jaar aan dagelijkse ladingen moeten kunnen leveren. En behalve dat ze veiliger zijn dan andere lithium-ionbatterijen, werken A123's op een lagere temperatuur, wat het eenvoudiger maakt om honderden van hen samen te voegen tot een groot batterijpakket, zegt Gray.

Waar de accu's van elektrisch gereedschap van de A123 cilindrisch zijn, is de accu die het voor de Volt ontwikkelde plat, om ruimte te besparen en warmte efficiënter af te voeren. De cellen zijn geassembleerd tot complete batterijpakketten, die T-vormig zijn en bijna twee meter lang. Dit voorjaar worden de batterijen vastgeschroefd in prototypes van voertuigen voor testen op de weg. En later dit jaar is A123 van plan de productie van de batterijen te verhogen om aan de verwachte vraag te voldoen. De eerste auto's aangedreven door A123-technologie zouden in 2010 van de lopende band kunnen rollen. (GM test ook batterijen van een ander bedrijf en kan batterijen van een of beide bedrijven gebruiken.)

Als de Volt populair is, zouden elektrische auto's eindelijk van de grond kunnen komen - en dat zou de uitstoot van broeikasgassen en het petroleumverbruik kunnen verminderen. Een recent onderzoek door het Electric Power Research Institute en de Natural Resources Defense Council suggereert dat elektrische voertuigen die vergelijkbaar zijn met de auto van GM tussen 2010 en 2050 miljarden tonnen broeikasgasemissies zouden kunnen elimineren. Een studie van General Electric geeft aan dat als de helft van de voertuigen op de weg in 2030 elektrisch wordt aangedreven, zal het aardolieverbruik in de Verenigde Staten met zes miljoen vaten per dag krimpen.

En batterijen zoals die van de A123 kunnen gevolgen hebben die veel verder gaan dan de Volt. Zelfs auto's met verbrandingsmotoren worden ontworpen om meer op elektriciteit te vertrouwen: de eenvoudigste voorbeelden zijn batterijen die worden opgeladen door opgevoerde dynamo's waarmee een auto zijn motor kan uitschakelen wanneer hij een stoplicht nadert en opnieuw start wanneer de bestuurder het gaspedaal indrukt . In conventionele hybrides kunnen versies van A123-batterijen evenveel vermogen leveren als nikkel-metaalhydridebatterijen met een vijfde van het gewicht. De nieuwe batterijen kunnen ook profiteren van plug-in hybrides, die kunnen worden opgeladen via een standaard stopcontact. De batterijen van de A123 kunnen inderdaad worden gebruikt in een plug-in-versie van de Saturn Vue hybride SUV die in 2010 uitkomt.

Wat hun ontwerp ook is, toekomstige auto's zullen waarschijnlijk veel meer op elektriciteit gaan vertrouwen. We zijn er nog niet, zegt Chiang. Er zijn niet overal volts. Maar het potentieel om een ​​grote impact te hebben, zowel op het probleem van de olievoorziening als op de broeikasgassen – ik had niet gedacht dat we dat zouden kunnen doen. Zeker niet toen ik met batterijen begon te werken.

Kevin Bullis is KINDEREN 's Nanotechnologie en materiaalwetenschap Editor.

zich verstoppen