Lithium-ionbatterijen hebben zojuist een grote sprong gemaakt in een klein product

De WHOOP 4.0. WHOOP

Een materiaalbedrijf in Alameda, Californië, heeft de afgelopen tien jaar gewerkt aan het vergroten van de energie die is opgeslagen in lithium-ionbatterijen, een vooruitgang die kleinere gadgets en elektrische voertuigen met een veel groter bereik mogelijk zou kunnen maken.

Sila heeft op silicium gebaseerde deeltjes ontwikkeld die het grafiet in anodes kunnen vervangen en meer van de lithiumionen kunnen vasthouden die de stroom in een batterij vervoeren.

Nu brengt het bedrijf zijn product voor het eerst op de markt en levert het een deel van het anodepoeder in de batterij van de aanstaande oeps 4.0, een draagbare fitness. Het is een klein apparaat, maar in potentie een grote stap voorwaarts voor het batterijveld, waar veelbelovende laboratoriumresultaten vaak niet vertalen naar commercieel succes.

Zie de Whoop 4.0 als onze Tesla Roadster , zegt Gene Berdichevsky, CEO van Sila, die als zevende werknemer van Tesla hielp bij het oplossen van enkele van de kritieke batterij-uitdagingen voor het eerste elektrische voertuig van het bedrijf. Het is echt het eerste apparaat op de markt dat deze doorbraak bewijst.

Batterijcellen geproduceerd met Sila's op silicium gebaseerde deeltjes.

SILA

De materialen van het bedrijf, met een lichte ondersteuning van andere ontwikkelingen, verhoogden de energiedichtheid in de batterij van de fitnesstracker met ongeveer 17%. Dat is een aanzienlijke winst in een veld dat over het algemeen een paar procentpunten per jaar vooruitgaat.

Het komt overeen met ongeveer vier jaar standaardvooruitgang, maar in één grote sprong, zegt Venkat Viswanathan, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University.

Sila staat nog steeds voor een aantal echte technische uitdagingen, maar de vooruitgang is een veelbelovend teken voor het potentieel van steeds capabelere batterijen om de wereld te helpen af ​​te stappen van fossiele brandstoffen naarmate de gevaren van klimaatverandering toenemen. Door de hoeveelheid energie die batterijen kunnen opslaan te vergroten, wordt het voor steeds schonere elektriciteitsbronnen gemakkelijker om meer van onze gebouwen, voertuigen, fabrieken en bedrijven van stroom te voorzien.

Voor de transportsector kan een meer energierijke batterij de kosten verlagen of het bereik van elektrische voertuigen vergroten, waarmee twee van de grootste problemen worden aangepakt die consumenten ervan hebben weerhouden hun benzineslurpers op te geven. Het belooft ook netwerkbatterijen te leveren die meer energie kunnen besparen van zonne- en windparken, of consumentengadgets die langer meegaan tussen oplaadbeurten.

Energiedichtheid is de sleutel tot de elektrificatie van alles, zegt Berdichevsky, an Innovator onder de 35 anno 2017.

In het geval van de nieuwe wearable voor fitness maakten de nieuwe batterijmaterialen en andere verbeteringen het voor het in Boston gevestigde Whoop mogelijk om het apparaat met 33% te verkleinen terwijl de batterij vijf dagen meeging. Het product is nu dun genoeg om in slimme kleding te worden gestoken en als een horloge te worden gedragen. Het gaat op 8 september in de verkoop.

Sila, die aankondigde $ 590 miljoen aan financiering in januari, heeft ook partnerschappen gesloten om batterijmaterialen te ontwikkelen voor autofabrikanten, waaronder BMW en Daimler. Het bedrijf heeft gezegd dat zijn technologie uiteindelijk maar liefst 40% meer energie in lithium-ionbatterijen kan stoppen.

Brand voorkomen

Berdichevsky interviewde en kreeg zijn baan bij Tesla vóór zijn laatste jaar aan de Stanford University, waar hij op weg was naar een graad in werktuigbouwkunde. Uiteindelijk speelde hij een sleutelrol bij het aanpakken van een potentieel existentieel risico voor het bedrijf: dat een brand in een van de duizenden batterijen die in een voertuig zijn verpakt, het hele pakket zou doen ontbranden.

Hij zette een programma op om systematisch een reeks ontwerpen van batterijpakketten te evalueren. Na honderden tests ontwikkelde het bedrijf een combinatie van batterijconfiguraties, warmteoverdrachtsmaterialen en koelkanalen die op hol geslagen branden grotendeels voorkomen.

Nadat Tesla de Roadster lanceerde, had Berdichevsky het gevoel dat hij zich ofwel voor nog eens vijf jaar moest verbinden om het bedrijf door de ontwikkeling van het volgende voertuig, de Model S, te leiden, ofwel van de gelegenheid gebruik te maken om iets nieuws te proberen.

Uiteindelijk besloot hij dat hij iets voor zichzelf wilde bouwen.

Gene Berdichevsky, chief executive officer en medeoprichter van Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky ging terug naar Stanford voor een masterprogramma waarin hij materialen, thermodynamica en natuurkunde bestudeerde, in de hoop manieren te vinden om de opslag op fundamenteel niveau te verbeteren. Na zijn afstuderen werkte hij een jaar als entrepreneur in residence bij Sutter Hill Ventures, op zoek naar ideeën die de basis konden vormen voor zijn eigen bedrijf.

In die tijd kwam hij een wetenschappelijke papier het identificeren van een methode om op silicium gebaseerde deeltjes te produceren voor lithium-ion batterijanoden.

Onderzoekers beschouwen silicium al lang als een veelbelovende manier om de energie in batterijen te verhogen, omdat de atomen ervan 10 keer meer lithiumionen kunnen binden dan grafiet. Dat betekent dat ze veel meer van de geladen moleculen bevatten die de elektrische stroom in een batterij produceren. Maar siliciumanoden hadden de neiging om tijdens het opladen af ​​te brokkelen, omdat ze opzwollen om de ionen op te vangen die heen en weer tussen de elektroden pendelen.

Het artikel, mede geschreven door professor Gleb Yushin, professor aan het Georgia Institute of Technology, benadrukte de mogelijkheid om stijve siliconenmaterialen te ontwikkelen met een poreuze kern die meer gemakkelijk accepteren en vrijgeven van de lithiumionen .

Het jaar daarop richtte Berdichevsky Sila op met Yushin en Alex Jacobs, een andere voormalige Tesla-ingenieur.

Hindernissen en vertragingen

Het bedrijf bracht het volgende decennium door met het aanpassen van zijn methoden en materialen, door meer dan 50.000 iteraties van de chemie te doorlopen en tegelijkertijd zijn productiecapaciteit op te schalen. Al vroeg besloot het om drop-in materialen te ontwikkelen die fabrikanten van lithium-ionbatterijen konden inruilen, in plaats van de duurdere en risicovollere route te volgen om zelf complete batterijen te produceren.

Sila is echter niet zo ver als het aanvankelijk had gehoopt.

Na enkele miljoenen dollars te hebben verkregen van de ARPA-E-divisie van het Amerikaanse ministerie van Energie, vertelde het bedrijf op een gegeven moment aan het onderzoeksbureau dat de materialen tegen 2017 in producten en in voertuigen tegen 2020 zouden kunnen zijn. In 2018, toen Sila zijn deal met BMW aankondigde, het zei dat zijn deeltjes tegen 2023 de elektrische auto's van de Duitse automaker van stroom zouden kunnen voorzien.

Berdichevsky zegt dat het bedrijf nu verwacht tegen 2025 in voertuigen te zitten. Hij zegt dat het oplossen van de last mile-problemen gewoon moeilijker was dan ze hadden verwacht. Uitdagingen waren onder meer het samenwerken met batterijfabrikanten om de beste prestaties uit de nieuwe materialen te halen.

We waren naïef optimistisch over de uitdagingen van schaalvergroting en het op de markt brengen van producten, zei hij in een e-mail.

Het Whoop-nieuws geeft aan dat Sila in staat was om de deeltjes te manipuleren op een manier die veiligheid, levenscycli en andere benchmarks voor batterijprestaties biedt die vergelijkbaar zijn met die van bestaande producten.

Maar het is opmerkelijk dat Sila's deeltjes slechts ongeveer 25% van de capaciteit in de anode van de batterij zullen leveren, terwijl standaard grafietmaterialen de rest leveren.

Viswanathan zegt dat de grotere test zal gaan van gedeeltelijke naar volledige vervanging van het grafiet. Dat vereist een hoger niveau van precisie en prestatie, wat hij beschrijft als het verschil tussen het slaan van een tweehonkslag en een homerun.

Bovendien, zegt hij, staat het bedrijf nog steeds voor grote uitdagingen, gaande van consumentenapparatuur tot de strengere eisen van elektrische voertuigen. Auto's, vrachtwagens en bussen hebben energierijke, extreem veilige batterijen nodig die onder andere snel opladen en vele levenscycli meegaan. Het probleem met batterijchemie is dat het verbeteren van de materialen en processen die betrokken zijn bij één prestatienorm vaak ten koste kan gaan van andere, zegt Viswanathan.

Berdichevsky zegt dat Sila's batterijmaterialen grafiet volledig zullen vervangen in zijn volgende commerciële product, dat volgens hem is vergrendeld en geladen met een partner die hij nog niet kan aankondigen. En in tegenstelling tot andere veelbelovende batterijmaterialen die tegenwoordig de aandacht van de pers en investeerders trekken, zoals lithiummetaal , Sila's siliconenmaterialen zitten al in producten.

We zijn er sterk van overtuigd dat hoop en hype de wereld niet veranderen - de scheepvaart wel, zegt hij.

zich verstoppen