Kunnen we de doorbraken van morgen bouwen?

De productie in de Verenigde Staten heeft het moeilijk. Dat is slecht nieuws, niet alleen voor de economie van het land, maar ook voor de toekomst van innovatie. Door

• David Rotman archiefpagina

19 december 2011

In een hangarachtig gebouw waar General Electric ooit stoomturbines heeft geassembleerd, wordt een batterijfabriek van $ 100 miljoen gebouwd om producten te maken met een chemie die nog nooit eerder op zo'n grote schaal is gecommercialiseerd. De natrium-metaalhalogenidebatterijen die het zal produceren, zijn de afgelopen jaren getest en geoptimaliseerd door een team van materiaalwetenschappers en ingenieurs in het uitgestrekte onderzoekscentrum van GE, slechts een paar kilometer verderop. Nu zijn enkele van dezelfde onderzoekers verantwoordelijk voor het reproduceren van die resultaten in een productiefaciliteit die groot genoeg is voor drie en een half voetbalveld.

De ingenieurs zijn verhuisd van het landelijke onderzoekscentrum, dat op een heuvel met uitzicht op de Mohawk-rivier ligt, naar de productielocatie, die grenst aan de rivier aan de rand van Schenectady, New York, een arbeidersstad die in zijn hoogtijdagen bekend stond als Electric Stad. Daar houden ze toezicht op de installatie en het testen van robotica, hogetemperatuurovens en analytische apparatuur die het productieproces zal monitoren. De nieuwe batterijen gebruiken geavanceerde keramiek als elektrolyt in een verzegelde metalen behuizing die nikkelchloride en natrium bevat; de technologie belooft drie keer zoveel energie op te slaan als de loodzuurbatterijen die worden gebruikt in datacenters, in zware elektrische voertuigen en voor back-upstroom. Maar bijna alles kan fout gaan. Als bijvoorbeeld de deeltjes waaruit het keramiek bestaat ongelijk van grootte zijn of niet goed zijn gedroogd, kunnen de prestaties van de batterij afnemen. Dat betekent dat de omstandigheden in de enorme fabriek streng gecontroleerd moeten worden, en multi-ton apparaten moeten in staat zijn om de nauwkeurigheid van laboratoriumapparatuur te evenaren. Het is niet voor de zwakkeren van hart, zegt Michael Idelchik, GE's vice-president van geavanceerde technologieën.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2012

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De GE-fabriek is een van een aantal faciliteiten in het hele land die nieuwe technologieën produceren voor snelgroeiende markten in geavanceerde batterijen, elektrische voertuigen en zonne-energie, maar die inspanningen kunnen niet op tegen de realiteit dat de Amerikaanse productiesector in de problemen zit. Na decennia van uitbesteding van de productie in een poging om de kosten te verlagen, hebben veel grote bedrijven de expertise verloren voor de complexe engineering- en ontwerptaken die nodig zijn om op te schalen en de meest innovatieve nieuwe technologieën van vandaag te produceren, om nog maar te zwijgen van de eetlust voor de risico's die ermee gepaard gaan.

In stap: Een belangrijk onderdeel van het batterijproductieproces van GE is de fabricage van keramische buizen, die fungeren als elektrolyt. De witte buizen gaan door een assemblagelijn, waar ze worden verzegeld om de keramische assemblage te voltooien die in de batterijcel gaat.

Als je de bewering van Thomas Friedman gelooft dat de wereld plat is, en dat het verplaatsen van productie naar plaatsen waar de productie goedkoop is, bedrijven concurrerender maakt, zou een dergelijke verschuiving er misschien niet toe doen, behalve de gevolgen voor de Amerikaanse economie en haar werknemers. Maar de Verenigde Staten blijven 's werelds meest productieve bron van nieuwe technologieën, met name op materialen gebaseerde, en het bewijs groeit dat de verminderde productiemogelijkheden de wereldwijde innovatie ernstig zouden kunnen belemmeren. Er zijn voldoende redenen om aan te nemen dat het model van de Amerikaanse computerindustrie - die de afgelopen decennia met succes een groot deel van haar productie heeft uitbesteed en van ontwerp, en niet van fabricage tot prioriteit heeft gemaakt - niet effectief zal werken voor bedrijven die proberen innovaties op het gebied van energie te commercialiseren , geavanceerde materialen en andere opkomende sectoren.

Academische onderzoekers zijn begonnen met het documenteren van de complexe verbanden tussen innovatie en productie om te verduidelijken hoe het verlies van Amerikaanse productie de opkomst van nieuwe technologieën zou kunnen beïnvloeden. Willy Shih, een professor in management aan de Harvard Business School, heeft een lijst opgesteld van basistechnologieën waarin de Verenigde Staten de afgelopen jaren hun voorsprong in de productie hebben verkwist. Ze omvatten kristallijne siliciumwafels, LCD's, vermogenshalfgeleiders voor zonnecellen en vele soorten geavanceerde batterijen. En hij heeft gedetailleerd beschreven hoe het verlies van de industriële commons - de onderzoekskennis, technische vaardigheden en productie-expertise die nodig zijn om een ​​specifieke technologie te maken - vaak kan betekenen dat de kennis en prikkels verloren gaan om vooruitgang te boeken in verwante technologieën. Doordat bijvoorbeeld de productie van siliciumhalfgeleiders en de bijbehorende toeleveringsketens naar Azië zijn verschoven, wordt de ontwikkeling van nieuwe op silicium gebaseerde zonnecellen in de Verenigde Staten belemmerd.

Het blijkt niet per se waar te zijn dat innovatieve technologieën gewoon ergens anders zullen worden vervaardigd als het niet in de Verenigde Staten gebeurt. Volgens onderzoek van Erica Fuchs, een assistent-professor aan de Carnegie Mellon University, is de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica, waarbij lasers en modulatoren op een enkele chip worden geperst, grotendeels verlaten door opto-elektronische fabrikanten omdat ze de productie hebben verplaatst van de Verenigde Staten . Veel telecombedrijven werden gedwongen om goedkopere productie in Oost-Azië te zoeken na de ineenstorting van de industrie in het begin van de jaren 2000, en verschillen in productiepraktijken zorgden ervoor dat de productie van geïntegreerde fotonische chips in die landen economisch niet haalbaar was. Zo werd een technologie verlaten die ooit slechts een paar jaar verwijderd leek te zijn van een revolutie in computers en zelfs biosensoren. Economen zouden kunnen beweren dat het ons niet uitmaakt waar iets wordt geproduceerd, zegt Fuchs, maar de locatie kan een grote invloed hebben op de producten die je kiest om te maken en het technologische traject zelf.

Voor veel mensen in de industrie zijn de verbanden tussen innovatie en productie een gegeven - en een reden om zich zorgen te maken. We hebben geleerd dat zonder een voet aan de grond in de productie, het vermogen om te innoveren aanzienlijk wordt aangetast, zegt GE's Idelchik. Het probleem met het uitbesteden van productie is niet alleen dat u uiteindelijk uw technische expertise verliest, maar dat bedrijven ook afhankelijk worden van de innovatie van iemand anders voor producten van de volgende generatie. Een van de gevolgen, zegt hij, is dat onderzoekers en ingenieurs hun begrip van het fabricageproces en wat het kan doen, verliezen: je kunt alles ontwerpen wat je wilt, maar als niemand het kan maken, wat maakt het dan uit?

De Verenigde Staten blijven 's werelds meest productieve bron van nieuwe technologieën, met name op materialen gebaseerde, en het bewijs groeit dat de verminderde productiemogelijkheden de wereldwijde innovatie ernstig zouden kunnen belemmeren.

Na tientallen jaren als 's werelds grootste fabrikant te zijn geweest, maken de Verenigde Staten nu, volgens recente schattingen, 19,4 procent van 's werelds vervaardigde goederen - op de tweede plaats na China, dat 19,8 procent maakt. Zelfs in hightechproducten importeren de Verenigde Staten nu meer dan ze maken. Die statistieken hebben gevolgen voor de werkgelegenheid, het nationale concurrentievermogen en zelfs de politiek en de sociale structuur van het land. Maar even zorgwekkend, vooral op de lange termijn, is wat het afnemende vermogen van de Verenigde Staten om dingen te maken betekent voor de volgende generatie technologie. Kunnen de Verenigde Staten weer in staat worden gesteld om risicovolle productie op zich te nemen? Om dezelfde vraag op een andere manier te stellen: dreigen veel van de meest veelbelovende innovaties van vandaag hetzelfde lot te ondergaan als geïntegreerde fotonische chips? Kunnen de Verenigde Staten weer in staat worden gesteld om risicovolle productie op zich te nemen? Om dezelfde vraag op een andere manier te stellen: dreigen veel van de meest veelbelovende innovaties van vandaag hetzelfde lot te ondergaan als geïntegreerde fotonische chips?

Elektrische Motor Stad

De stad Detroit, decennialang het centrum van de Amerikaanse autoproductie, prijst haar inspanningen voor stadsvernieuwing graag aan. Aan de rand van het centrum staat een modern honkbalstadion; een bruisende theaterwijk is vlakbij. Maar lege en gestripte wolkenkrabbers bevinden zich op loopafstand van de glimmende glazen torens van het hoofdkantoor van General Motors en de nieuwe appartementen die boven het rivierfront van de stad uitsteken. En aan de rand van de stad, in gebieden die worden doorsneden door snelwegen met namen als Chrysler Freeway en Edsel Ford Freeway, is de verwoesting nog duidelijker zichtbaar in de schijnbaar eindeloze uitgestrekte verlaten industriële gebouwen. Ongeveer 22 procent van de banen in Michigan is nog steeds verbonden aan de automobielindustrie, en een decennium van faillissementen en dalende verkopen bij autofabrikanten in Detroit heeft de regio doen wankelen. In het zuidoosten van Michigan zijn sinds 2000 bijna een half miljoen banen verloren gegaan.

Te midden van de ruïnes is de assemblagefabriek van GM Detroit Hamtramck echter een oase van orde en activiteit. Hoewel de parkeerplaats op een dag in de vroege herfst minder dan halfvol is, belichaamt de enorme fabriek, gebouwd in het midden van de jaren tachtig om Cadillacs en Buicks te maken, de poging van Detroit om zichzelf opnieuw uit te vinden. Ervoor is een veld zonnepanelen geplaatst; aan de rand van de bezoekersparkeerplaats is een rij carports voorzien van stopcontacten.

In de fabriek zijn Cadillacs en Buicks aan de lopende band vervangen door de Chevrolet Volt, de onlangs geïntroduceerde elektrische auto van GM, en zijn Europese tegenhanger, de Opel Ampera. De elektrische voertuigen vullen ongeveer elke andere beschikbare ruimte op de productielijn, maar GM hoopt de productie tegen volgend jaar op te voeren tot 60.000 elektrische auto's. Zoals elke moderne autofabriek, is de Detroit Hamtramck-faciliteit een werveling van robotica en grote onderdelen die opzettelijk langs assemblagelijnen bewegen die op kritieke punten samenkomen; op een van die kruispunten wordt het gelakte stalen frame langzaam op het chassis en de motor neergelaten. Geautomatiseerde pneumatische sleutels doorboren de relatieve stilte omdat ze een nauwkeurig koppel toepassen om de stukken aan elkaar te schroeven.

Nabij het centrum van alle activiteit, alleen zittend, bevinden zich de T-vormige lithium-ionbatterijen die het hart van de nieuwe auto vormen en een bron van economische hoop voor een groot deel van Michigan. Het batterijpakket van 435 pond is een enorme verbetering ten opzichte van de kolossale loodzuurbatterijen van 1.100 pond die worden gebruikt in de noodlottige eerste generatie elektrische auto's die GM in de jaren negentig maakte. De kleinere, lichtere nieuwe batterijen zijn veel gemakkelijker te plaatsen in een compacte auto als de Volt, en de nieuwe chemie verbetert de prestaties van het voertuig.

Elk batterijpakket bevat zo'n 288 cellen, die elk een reeks nauwkeurig op elkaar afgestemde dunne vellen anodes en kathodes bevatten. Als GM volgend jaar 60.000 volt maakt, zouden die auto's gemakkelijk de output van verschillende enorme batterijfabrieken verbruiken. Maar als de markt voor elektrische auto's plotseling van de grond komt, bijvoorbeeld door goedkopere of efficiëntere batterijen, zou de behoefte veel groter kunnen zijn. Er wordt geschat dat als elektrische auto's goed zijn voor een tiende van de Amerikaanse autoverkopen, 43 grote batterijfabrieken nodig zouden zijn om de autofabrikanten te bevoorraden.

De potentiële honger naar batterijen bij GM en andere autofabrikanten heeft geleid tot de bouw van minstens een half dozijn productie- en assemblagefabrieken in een straal van 200 mijl rond Detroit. Gedeeltelijk gestimuleerd door de 2,4 miljard dollar aan financiering van de regering-Obama voor de productie van geavanceerde batterijen en elektrische voertuigen, geeft deze ontwikkeling een beeld van hoe een herstel in de productiebasis in de regio eruit zou kunnen zien. Het geeft ook een momentopname van de enorme uitdaging die gepaard gaat met het creëren van een dergelijke infrastructuur.

Ongeveer 200 mijl ten noorden van de assemblagefabriek in Detroit Hamtramck bevindt zich een van de grootste van de nieuwe batterijfaciliteiten. Dow Kokam, een joint venture van Dow Chemical, TK Advanced Battery, en de Franse firma Groupe Industriel Marcel Dassault, bouwt een fabriek van $322 miljoen in Midland, Michigan, die in staat zal zijn om genoeg lithium-ionbatterijcellen te maken voor zo'n 30.000 elektrische auto's. Hoewel de bouw aan de gang is en veel van de apparatuur nog steeds wordt geïnstalleerd, geeft een korte rondleiding een idee van de omvang en complexiteit van de operatie. In één grote ruimte met een hoog plafond bevindt zich een groot aantal geautomatiseerde rekken waar elke batterijcel wordt gevormd, een cruciale operatie waarbij de batterij wordt opgeladen en ontladen om de chemie nauwkeurig in te stellen.

Het is dit soort schaal en aandacht voor detail dat de aandacht trekt van bedrijven als Dow, de op één na grootste chemische producent ter wereld. De fabriek bevindt zich net buiten de grenzen van de chemische activiteiten van Dow in Michigan, een kleine stad met laagbouwproductiegebouwen die met elkaar zijn verbonden door een doolhof van kriskras door elkaar lopende bovenleidingen. Het is een uitgebreide getuigenis van de verbanden tussen verschillende ingrediënten en grondstoffen die worden gebruikt bij het maken van industriële producten, en van de schaalefficiëntie die vaak vereist is bij de productie.

De toeleveringsketen voor de productie van lithium-ionbatterijen begint diep in het chemische complex. Ergens in een van de straten die door de fabriek lopen, staat een onopvallend gebouw waar arbeiders ooit chemicaliën maakten die in plastic werden gebruikt. Nu maakt Dow er een productiefaciliteit van voor de kathode- en anodematerialen die nodig zijn in lithium-ionbatterijen. Iedereen die binnenkomt, moet een witte jas aantrekken, schoenen in papieren hoezen wikkelen en zich onderwerpen aan een luchtsproeidouche die is ontworpen om verdwaald stof en deeltjes te verwijderen. Binnenin worden de poeders voor de kathodes en anodes verwerkt in grote containers die zijn ontworpen om verontreiniging tot een minimum te beperken. De materialen zullen worden verscheept naar een van de batterijfabrieken die worden gebouwd; hoewel de nabijgelegen Dow Kokam-fabriek niet verplicht is om de anodes en kathoden van het moederbedrijf te kopen, zou het een natuurlijke keuze zijn.

Het vuur hoger zetten: De getoonde calciner is van cruciaal belang bij het vervaardigen van poeders voor het keramiek.

Net als Idelchik van GE, erkent William Banholzer, Chief Technology Officer van Dow, de risico's van het opschalen van nieuwe technologieën. Maar hij zegt dat Dow's omvang en diepe zakken het mogelijk maken om risico's te nemen die moeilijk zouden zijn voor kleine startups, en dankzij de uitgebreide infrastructuur kan het de verschillende aspecten van het productieproces efficiënt integreren. Dankzij de omvang van Dow kon het zijn weddenschappen op batterijen afdekken door andere nieuwe energiemarkten te betreden. Aan de andere kant van het enorme productiecomplex van de Dow Kokam-fabriek bouwt het een fabriek voor zonne-energie, die dakshingles zal maken met dunne-film fotovoltaïsche cellen. De schaal van energie is zo groot dat het moeilijk te zeggen is dat energie door kleine bedrijven wordt opgelost, zegt Banholzer. Pas als je echt bent begonnen met produceren, krijg je een idee van je werkelijke kosten en wratten, zegt hij. In energiebedrijven waar een demonstratiefabriek misschien $ 500 miljoen kost, faalt het risicokapitaalmodel, voegt hij eraan toe. De grote vraag is: kunnen kleine bedrijven ooit concurreren met grote bedrijven op dit gebied?

OVERLEVINGSINSTINCTEN

Het is een vraag die een van de belangrijkste uitdagingen raakt bij het nieuw leven inblazen van de productiesector. Banholzer heeft zeker gelijk dat startups niet kunnen concurreren met de productiecapaciteit van een Dow of GE. Maar het is ook waar dat kleine bedrijven werken aan enkele van onze meest veelbelovende technologieën, vooral op het snijvlak van nieuwe materialen en energie. Als die technologieën economisch kunnen worden geproduceerd, kunnen ze de bestaande markten aanzienlijk uitbreiden. De uitdaging voor de startups is dan om een ​​manier te vinden om hun technologieën te maken met behulp van de huidige productiekennis en tegelijkertijd producten te ontwikkelen die radicaal genoeg zijn om gevestigde technologieën te ontwrichten.

Ann Marie Sastry denkt duidelijk dat haar startup dat kan. Sakti3, gehuisvest in een klein industriepark in Ann Arbor, Michigan, werkt aan een technologie van de volgende generatie voor solid-state batterijen (zien TR10, mei/juni 2011) . De fabricageruimte aan de achterkant van de kantoren is strikt verboden voor bezoekers, evenals camera's en vragen tijdens een korte rondleiding door de test- en ontwerpruimtes; CEO Sastry zal weinig details over de technologie onthullen, behalve dat de batterij geen vloeibare elektrolyten bevat en dat het bedrijf productieapparatuur gebruikt die ooit werd gebruikt om chipszakken te maken. Maar ze legt meer uit hoe de startup kan gedijen in de zeer competitieve geavanceerde batterijsector.

De strategie begint met de erkenning dat elke nieuwe technologie voordelen moet beloven die veel verder gaan dan wat mogelijk is met bestaande producten. Als je begint met de huidige [lithium-ion]-technologie, zegt ze, krijg je misschien vijf of tien of twintig punten aan prestaties door dat proces aan te passen, maar je moet accepteren dat je nooit iets transformerends zult krijgen. Maar een verdubbeling van de energiedichtheid van batterijen zou een enorme impact kunnen hebben op het voeden van communicatieapparaten, zegt ze, vooral in gebieden met weinig toegang tot elektriciteit voor frequent opladen. Het vervoer zou nog dieper kunnen worden beïnvloed. Nieuwe batterijen met een grotere energiedichtheid en aanzienlijk lagere kosten kunnen de vraag naar elektrische voertuigen naar een heel nieuw niveau tillen, zegt ze.

Dus begonnen zij en haar collega's met het periodiek systeem om een ​​nieuwe batterij uit te vinden. Vanaf het begin wist het bedrijf dat de technologie moest schalen. We hebben geen schoon vel papier meegenomen naar de productie, zegt ze. We begonnen met een analyse van productiebenaderingen die waren en konden worden geschaald.

Kijken naar het periodiek systeem voor materialen die de huidige technologie zouden kunnen omverwerpen, is tegenwoordig een veel voorkomende strategie voor startende energie-startups in een vroeg stadium. Gerbrand Ceder, een materiaalwetenschapper aan het MIT, startte enkele jaren geleden een materiaalgenoomproject dat computers gebruikt om de eigenschappen van materialen in het bekende chemische universum te analyseren en te voorspellen, en hoopt een open database van de informatie te creëren. (Nadat het Witte Huis zijn Materials Genome Initiative had aangekondigd, stemde hij ermee in zijn inspanning het Materials Project te noemen om verwarring te voorkomen.) Een belangrijk doel is om efficiënter materialen te identificeren die geschikt zijn voor productie.

Ceder heeft systematisch verschillende verbindingen geanalyseerd op hun potentieel als batterijmateriaal. Met behulp van de computerhulpmiddelen die zijn ontwikkeld door zijn materiaalgenoomproject, heeft Pellion, een startup in Cambridge, Massachusetts, die hij medeoprichter was in 2009, nieuwe kathoden geïdentificeerd voor een op magnesium gebaseerde batterij. Als het werkt, zegt Ceder, kunnen de batterijen de energiedichtheid van de huidige lithium-ionbatterijen verdubbelen of verdrievoudigen. Even belangrijk, zegt hij, ze zouden kunnen bijdragen aan de bestaande productie van lithium-ionbatterijen. En dat is cruciaal, zegt hij, want als je een nieuw materiaal moet uitvinden dat het bestaande kan vervangen, kan dat vijf tot tien jaar duren, maar als je ook een nieuw ontwerp moet uitvinden, kan het tien tot twintig jaar duren.

Andere veelbelovende startups op het gebied van energie in een vroeg stadium zijn gebaseerd op pogingen om bekende productiebeperkingen te omzeilen. Alta Devices, een bedrijf in Santa Clara, Californië, waarvan de oprichters onder meer vooraanstaande onderzoekers van Caltech en de University of California, Berkeley zijn, ontwikkelt bijvoorbeeld een manier om fotovoltaïsche cellen te maken met behulp van films van galliumarsenide die slechts een micrometer dik zijn. Galliumarsenide, dat veel wordt gebruikt als ingrediënt in lasers en andere fotonische apparaten, heeft geweldige optische eigenschappen, maar is te duur voor de meeste zonnecellen. De nieuwe technologie gebruikt echter zo weinig van het materiaal dat de prijs niet langer onbetaalbaar is. Alta Devices heeft de afgelopen jaren het productieproces geperfectioneerd; het is begonnen met een proeflijn om de fotovoltaïsche materialen volgend jaar te maken en hoopt in 2013 met de commerciële productie te beginnen.

Naarmate de risico's en kosten van het opschalen van energietechnologieën steeds duidelijker worden, wordt het voor startups gebruikelijk om de praktische aspecten van productie te overwegen wanneer ze hun innovaties bedenken. Maar hoe hoopt een klein bedrijf, zelfs met een radicaal ander materiaal, te slagen in zeer competitieve zonne-energie- en batterijmarkten die enorme kapitaalinvesteringen vereisen? Samenwerken met een groot bedrijf is een voor de hand liggende strategie. Alta Devices werkt bijvoorbeeld samen met Dow aan materialen van de volgende generatie voor de zonne-shingles van het chemiebedrijf; GM is een investeerder in Sakti3. Toch worden de energiestartups geconfronteerd met de ontmoedigende waarheid dat het opschalen van innovaties tot succesvolle productieactiviteiten honderden miljoenen dollars kan kosten.

Er is echter minstens één recent voorbeeld van succes.

Machtshongerig: De batterijfabriek van GE beslaat een ruimte ter grootte van drie en een half voetbalveld en omvat energie-intensieve apparatuur zoals grote ovens. De elektrische apparatuur rechts voorziet de immense fabriek van stroom.

LEERCURVE

Toen Yet-Ming Chiang in 2001 medeoprichter was van A123 Systems op basis van zijn MIT-onderzoek naar batterijmaterialen, was er geen geavanceerde batterijproductie in de Verenigde Staten. Hoewel veel van het wetenschappelijke werk dat leidde tot de uitvinding van lithium-ionbatterijen in dit land was gedaan, inclusief de vooruitgang die werd geboekt aan de Universiteit van Texas, was het Sony die de batterijen in 1991 op de markt bracht. Vervolgens maakten fabrikanten in Korea en China aanzienlijke investeringen in de technologie. Met vier keer de energiecapaciteit van nikkel-cadmiumbatterijen en twee keer die van nieuwere nikkel-metaalhydridebatterijen, werden lithium-ionbatterijen de dominante technologie in consumentenapparaten, waardoor de kleine, krachtige mobiele telefoons en laptops van vandaag mogelijk zijn.

Ondertussen probeerden de twee grote Amerikaanse batterijproducenten, Duracell en Eveready (nu Energizer genoemd), in de jaren negentig hun eigen lithium-ionproducten te ontwikkelen. Eveready ging zelfs zover dat het een fabriek bouwde in Gainesville, Florida, maar zelfs toen de fabriek zich voorbereidde op commerciële productie, daalde de prijs van lithium-ionbatterijen en besloot het bedrijf dat het goedkoper was om cellen van Japanse producenten te kopen dan om zelf cellen te maken. Hij stapte uit de lithium-ionbatterijen en Duracell volgde al snel.

Dus bouwden Chiang en zijn collega's bij A123 een fabriek in Changzhou, China (zie An Electrifying Startup, mei/juni 2008) . De verhuizing was niet bedoeld om de productie uit te besteden, zegt Chiang, maar om de benodigde productiekennis op te doen. Vervolgens kocht A123 een Zuid-Koreaanse fabrikant om de expertise te ontwikkelen die nodig was om de platte cellen te maken die nodig zijn voor accu's van elektrische auto's. Toen A123 besloot dat het dichter bij zijn potentiële autoklanten in Detroit moest zijn, kloonde het de Koreaanse fabriek in Livonia, Michigan, en de Chinese fabriek een paar kilometer verderop in Romulus, geholpen door een subsidie ​​van $ 249 miljoen van de federale overheid. Als resultaat van deze strategie was A123 in staat om in opmerkelijk korte tijd een grote fabrikant te worden, met de bouw van de Livonia-fabriek in iets meer dan een jaar en de Romulus-fabriek in negen maanden.

Het bedrijf werd al snel een van de meest vooraanstaande energie-startups van het land - en een van de weinige die hun technologie hebben opgeschaald, en bouwden wat het in 2010 beweerde de grootste lithium-ion-autobatterijfabriek in Noord-Amerika te zijn. In 2009 ging het naar de beurs en haalde ongeveer $ 400 miljoen op. Maar helaas voor degenen die zo'n succes hopen te evenaren, zijn de politieke en financiële omstandigheden die A123 in staat stelden om bijna $ 1 miljard aan particuliere en publieke investeringen te vergaren, allang voorbij.

Een van de lessen van A123 is precies hoeveel het kost om succesvol te worden, zegt Chiang. En je vraagt ​​je af hoe vaak dat kan worden gerepliceerd. In het huidige klimaat vraagt ​​men zich af of de wil bestaat om dit keer op keer te doen. In de biotech-industrie is het pad naar commercialisering in de loop der jaren duidelijk geworden: samenwerken met grote farmaceutische bedrijven, verwachte mijlpalen halen en het wettelijke goedkeuringsproces ondergaan dat vereist is voor nieuwe producten. Maar het is niet zo eenvoudig voor startups op het gebied van energie, zegt Chiang, wiens nieuwste startup, 24M, hoopt een radicaal nieuwe batterijtechnologie te ontwikkelen. Die kleine bedrijven die nieuwe energietechnologieën ontwikkelen, moeten het nog uitzoeken, zegt hij.

TEAM SPORTEN

Tegenwoordig staat de drie jaar oude fabriek van Evergreen Solar in Marlborough, Massachusetts, leeg met een groot For Lease-bord ervoor. Het faillissement van Evergreen in augustus en van Solyndra een maand later zorgde voor veel handenwringend over de toekomst van zonne-energie. Met name de ineenstorting van Solyndra, een fabrikant uit Silicon Valley die een leninggarantie van $ 535 miljoen had gekregen van de federale overheid, heeft geleid tot kritiek op de rol die de overheid heeft gespeeld bij het ondersteunen van hernieuwbare energie en, in het bijzonder, op haar slechte staat van dienst bij het kiezen van winnaars.

De regering heeft een staat van dienst in het steunen van enkele beruchte energiestoringen. En het opschalen van nieuwe technologieën is natuurlijk riskant. Maar dergelijke kritieken hebben de aantoonbaar interessantere lessen die uit de faillissementen kunnen worden getrokken, overschaduwd: in veel opzichten waren de mislukkingen van zowel de strategie als de uitvoering van de bedrijven fabricagefouten. Hun bedrijfsmodellen waren afhankelijk van het gebruik van radicaal nieuwe technologieën om de kosten van het maken van zonnepanelen te verlagen, waarbij de waarheid werd genegeerd dat nieuwe technologieën in eerste instantie bijna nooit goedkoper zijn dan goed geoptimaliseerde bestaande processen. En geen van beide bedrijven had producten die innovatief genoeg waren om de meeste klanten ertoe aan te zetten een premium prijs te betalen. Evergreen en Solyndra werden geconfronteerd met veel onverwachte marktveranderingen - waaronder een plotselinge daling van de siliciumprijzen en de overproductie van zonnepanelen - maar het vermogen van concurrerende bedrijven om hun productiekosten voor meer conventionele zonnepanelen te blijven verlagen, zou geen verrassing moeten zijn geweest (zie De Chinese zonnemachine).

Er zijn nog andere productielessen te trekken uit de ineenstorting van deze twee bedrijven. De innovatie van Evergreen draaide om één enkele stap in het productieproces: een manier om siliciumwafels goedkoper te maken. Toch maakte en verkocht het bedrijf complete zonnepanelen - en ze hadden een ander formaat dan de industriestandaard, waardoor zijn klanten in de ongewenste positie kwamen om zich voor de lange termijn aan een specifieke technologie te binden.

Evenzo Solyndra (een van KINDEREN ’s 50 meest innovatieve bedrijven in 2010) een reeks fabricagefouten hebben gemaakt. In een aanvraag bij de regelgevende instanties van de overheid in december 2009 erkende het bedrijf dat onze op maat gemaakte apparatuur mogelijk meer tijd nodig heeft om te bouwen en te bouwen dan verwacht, en mogelijk nooit zal werken zoals vereist om aan onze productieplannen te voldoen. Dergelijke waarschuwende woorden zijn vaak standaardtekst in deze dossiers, maar in dit geval waren ze vooruitziend. In het bijzonder probeerde Solyndra zijn productiecapaciteit in een snel tempo uit te bouwen, door een tweede productievestiging te plannen, terwijl het de eerste nog steeds aan het uitbreiden was - en verloor enorme hoeveelheden geld vanwege de relatief hoge kosten. Achteraf gezien is het duidelijk dat beide bedrijven de productie veel te snel hebben uitgebreid, met veel te weinig begrip van hun unieke productieprocessen, hun concurrentie of de eisen van hun klanten.

Een manier om dergelijke fouten te voorkomen, is door de samenwerking tussen bedrijven die nieuwe technologieën ontwikkelen, te vergroten. De buitenwijken van Albany zullen nooit worden verward met Silicon Valley, maar de namen van de bedrijven aan het College of Nanoscale Science and Engineering daar zijn bekend bij iedereen in de halfgeleiderindustrie: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials en Tokyo Electron. Het idee is dat de gedeelde faciliteiten chipmakers, leveranciers van apparatuur en technische bedrijven de mogelijkheid bieden om hun producten te ontwikkelen en te evalueren. Vorig jaar verplaatste Sematech, het Amerikaanse consortium van halfgeleiderbedrijven, zijn activiteiten naar het complex van $ 12 miljard. Het nieuwste initiatief: om de Amerikaanse zonne-energie-industrie nieuw leven in te blazen op dezelfde manier waarop het de halfgeleiderindustrie in de jaren tachtig en negentig hielp om weer voet aan de grond te krijgen.

Een van de lessen van de mislukking van Solyndra is dat er werd ingezet op een zeer riskante technologie en honderden miljoenen werden uitgegeven aan onbewezen productieprocessen, zegt Pradeep Haldar, die leiding geeft aan het nieuwe Photovoltaic Manufacturing Consortium in Albany, een samenwerkingsverband tussen Sematech en CNSE. Daarentegen, zegt hij, kunnen fabrikanten van dunnefilmzonnecellen de bestaande infrastructuur in de Albany-faciliteit gebruiken om een ​​realiteitscheck te krijgen, inclusief reacties van materiaalleveranciers en potentiële klanten.

Deze gezamenlijke aanpak is zelfs aantrekkelijk voor grote fabrikanten zoals GE. Innovatie is een teamsport, zegt Idelchik, maar in de Verenigde Staten proberen we het te vaak in een vacuüm. Kansen zoals die in het Albany nanotech-centrum worden geboden, zijn volgens hem bijzonder belangrijk omdat fabrikanten zich in een overgangsperiode bevinden. De wereldwijde recessie die in 2008 begon, heeft bedrijven met enorme hoeveelheden overcapaciteit achtergelaten, maar de kosten voor materialen en arbeid zijn blijven stijgen, samen met de levensstandaard in landen als China en India. Dit betekent dat het niet langer effectief is om te proberen de kosten uit de productie te drukken door bijvoorbeeld goedkopere arbeid na te jagen. Om concurrerend te blijven, zegt Idelchik, moeten bedrijven overstappen op de productie van geavanceerde producten en materialen met een hoog risico en een hoog rendement. Hij voegt er echter aan toe dat dergelijke productie met een hoog risico een ecosysteem van leveranciers, apparatuurmakers en klanten vereist.

Dat ecosysteem is in wezen wat Willy Shih van Harvard de industriële commons noemt. Hoe het ook wordt beschreven, het is wat de Verenigde Staten hebben verloren aan LCD's en geïntegreerde fotonica, bijna verloren aan geavanceerde batterijen en snel aan het verliezen in siliciumzonnepanelen. Het is wat A123 en Dow proberen te helpen bij de wederopbouw van geavanceerde batterijen in Michigan, wat Sematech hoopt te initiëren voor dunnefilmzonnepanelen, en wat startups zoals Pellion, 24M en Alta Devices allemaal hopen te kunnen benutten - en dan uiteindelijk ontwrichten .

Of dergelijke startups zullen overleven, hangt ironisch genoeg sterk af van de vraag of de markten die ze uiteindelijk hopen te vervangen, robuust en groeiend zijn. Maar de industriële commons zijn kwetsbaar en hun voortbestaan ​​zal zowel afhangen van de markten als van het overheidsbeleid. De geboorte van geavanceerde batterijproductie in Michigan is grotendeels te danken aan de steun van de regering-Obama. Of het gedijt, hangt af van hoeveel elektrische auto's GM en anderen kunnen verkopen en of de overheid de jonge industrie blijft stimuleren, inclusief financiering voor onderzoek. Op de langere termijn kan zijn gezondheid heel goed afhangen van hoe goed het in staat is om echt innovatieve nieuwe technologieën van de beginnende startups over te nemen. De gevolgen zullen diep gevoeld worden. Zoals Shih heeft aangetoond, hebben de Verenigde Staten meerdere malen belangrijke productiesectoren en aanverwante innovatievaardigheden verloren. En zijn lijst van de huidige risicotechnologieën is lang. Als geavanceerde batterijen, zonnetechnologieën en de productie van geavanceerde materialen nog meer slachtoffers worden, zal dit zeker het vermogen om toekomstige technologieën uit te vinden schaden.

Tegenwoordig brengt Yet-Ming Chiang ten minste een deel van zijn hectische schema door tussen de krappe hokjes van 24M, op ​​vijf minuten fietsen van zijn MIT-labs. Ongeveer drie jaar geleden, toen Chiang op A123 werkte op een sabbatical van MIT, begon Chiang na te denken over hoe de volgende generatie batterijtechnologie eruit zou kunnen zien. Een groot deel van de kosten van de productie van lithium-ionbatterijen is te wijten aan verschillende niet-actieve componenten en het meerstaps proces van het aanbrengen van lagen op de elektroden en kathoden. De eigenlijke energieopslagonderdelen - de elektroden en elektrolyt - zijn goed voor ongeveer een vijfde van de totale kosten. Wat als, vroeg hij zich af, je een batterij zou kunnen ontwerpen die de niet-energieopslaande ingrediënten en de dure cel- en moduleassemblage zou wegwerken? Het resultaat is de flow-batterij die 24M aan het ontwikkelen is, waarin de elektroden in een halfvaste vorm circuleren. Een potentieel voordeel van dit ontwerp is dat de productie ervan veel minder kapitaalintensief zou kunnen zijn. Bovendien, zegt Chiang, is het ontworpen om te werken met de bestaande toeleveringsketen en productie-infrastructuur voor lithium-ionbatterijen.

Chiang zegt dat zijn ervaring met A123 van cruciaal belang was bij het bedenken van het nieuwe batterijontwerp. De beste manier om batterijonderzoek te doen, is door een batterijbedrijf te starten, zegt hij. Omdat je dicht bij de productie zit, herken je wat een impact kan hebben. Het is het argument waarom productie zo belangrijk is in deze ontwikkelingsgebieden.

David Rotman is Technologie beoordeling ’s redacteur.

zich verstoppen