211service.com
Nieuwe lithium-metaalbatterijen zullen de overstap naar elektrische auto's stimuleren
Een nieuw type batterij zou elektrische auto's eindelijk net zo handig en goedkoop kunnen maken als benzineauto's.
Bij QuantumScape wordt een röntgendiffractometer gebruikt om batterijcomponenten te controleren. De schuldigen zijn Wintermeyer
24 februari 2021
Waarom het uitmaakt:De prestatiebeperkingen van batterijen hebben de overstap naar schonere elektrische auto's tegengehouden en elektrische vliegtuigen vrijwel uitgesloten.
Hoofdrolspelers:• QuantumScape
• Samsung Advanced Institute of Technology
• Solide kracht
• 24M
Beschikbaarheid:2025
Ondanks alle hype en hoop rond elektrische voertuigen, maken ze nog steeds slechts ongeveer 2% uit van de verkoop van nieuwe auto's in de VS en iets meer wereldwijd.
Voor veel kopers zijn ze simpelweg te duur, hun bereik is te beperkt en het opladen is lang niet zo snel en gemakkelijk als tanken aan de pomp.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2021
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Al deze beperkingen hebben te maken met de lithium-ionbatterijen die de voertuigen aandrijven. Ze zijn duur, zwaar en hebben snel geen sap meer. Om het nog erger te maken, zijn de batterijen afhankelijk van vloeibare elektrolyten die bij botsingen kunnen ontbranden.
Om elektrische auto's concurrerender te maken met die op gas, is een baanbrekende batterij nodig die deze tekortkomingen verhelpt. Dat is althans het argument van Jagdeep Singh, chief executive van QuantumScape, een startup in Silicon Valley die beweert net zo'n technologie .
Het bedrijf beweert dit te hebben gedaan door een scheikundepuzzel op te lossen die onderzoekers al bijna een halve eeuw bezighoudt: hoe lithium, het lichtste metaal op het periodiek systeem, te gebruiken om de hoeveelheid energie te verhogen die in een batterij kan worden verpakt zonder een routinerisico op brand of anderszins prestatieverlies. Het bedrijf zegt dit grotendeels te hebben bereikt door een solide versie van de ontvlambare vloeibare elektrolyt te ontwikkelen.
VW was onder de indruk genoeg om honderden miljoenen dollars te investeren in QuantumScape. De Duitse autogigant kwam ook overeen om een joint venture met het bedrijf op te zetten om de batterijen in massaproductie te produceren en zegt dat ze tegen 2025 in zijn elektrische auto's en vrachtwagens op de weg zullen zijn.
Sneller opladen en groter bereik
In een conventionele lithium-ionbatterij is een van de twee elektroden, de anode, grotendeels gemaakt van grafiet. Dit is een vorm van koolstof die gemakkelijk de geladen lithiumionen kan opnemen en vrijgeven die heen en weer pendelen tussen de anode en kathode door de elektrolyt. Die stroom geladen deeltjes produceert een elektrische stroom, die uit de batterij stroomt om alles aan te drijven wat nodig is. Maar het grafiet is slechts een gastheer voor de lithiumionen, die zich nestelen tussen vellen koolstof zoals pakketten op planken. Het is een dood gewicht dat geen energie opslaat en zelf geen stroom produceert.
In een lithium-metaalbatterij is de anode zelf gemaakt van lithium. Dit betekent dat bijna elk atoom in de anode van de batterij ook aan het werk kan worden gezet om stroom te creëren. Theoretisch zou een op lithium-metaalanode gebaseerde batterij 50% meer energie kunnen opslaan dan een batterij met hetzelfde gewicht en hetzelfde volume die op grafiet vertrouwde.
Omdat lithiummetaal echter zo reactief is, kan constant contact met een vloeibare elektrolyt reacties veroorzaken die de batterij aantasten of doen ontbranden, zegt Venkat Viswanathan, een universitair hoofddocent bij Carnegie Mellon die op lithium-metaalbatterijen werkt en een adviseur voor QuantumScape. Een ander probleem is dat als de lithiumionen heen en weer stromen, naaldachtige structuren die bekend staan als dendrieten zich in de batterijen kunnen vormen en de cel kunnen kortsluiten of vlam kunnen vatten.
De prototypecel van QuantumScape bevat een vaste versie van de doorgaans vloeibare elektrolyt.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, dat in november naar de beurs ging na tien jaar in stealth-modus te hebben gewerkt, houdt nog steeds enkele van de kritieke details achter over hoe zijn solide elektrolytbatterij deze problemen oplost. Maar het blijkt opmerkelijk goed te presteren.
In een online presentatie in december toonde de startup een reeks grafieken die aantoonden dat een enkellaagse laboratoriumversie van de batterij in 15 minuten tot meer dan 80% van zijn capaciteit kan worden opgeladen, honderdduizenden kilometers meegaat en werkt prima bij vriestemperaturen. Het bedrijf verwacht dat de batterijen het bereik van elektrische voertuigen met meer dan 80% kunnen vergroten: een auto die vandaag 250 mijl kan rijden op één lading, zou in plaats daarvan 450 mijl kunnen rijden.
QuantumScape heeft me op mijn hielen gezet, zegt Nancy Dudney, een batterijonderzoeker bij Oak Ridge National Laboratory, die baanbrekend werk heeft verricht op het gebied van vastestofelektrolyten. Op het eerste gezicht ziet het er echt goed uit, zegt ze, hoewel ze eraan toevoegt: we zijn hier eerder geweest met andere batterijvooruitgangen.
Het batterijveld is inderdaad bezaaid met voorbeelden van startups die baanbrekende technologieën beloofden maar uiteindelijk faalden. En de uitdagingen voor QuantumScape zijn ontmoedigend, vooral als het gaat om het omzetten van zijn prototypecellen in commerciële producten die goedkoop kunnen worden vervaardigd.
Als het bedrijf daarin slaagt, kan het de EV-markt transformeren. Door kosten te besparen, het bereik te vergroten en opladen bijna net zo gemakkelijk te maken als tanken bij een tankstation, zou de vraag groter kunnen worden dan mensen die het zich kunnen veroorloven om duizenden dollars te besteden aan oplaadpoorten thuis, en de zorgen verlichten van degenen die bang zijn vast te lopen op langere reizen.
De toegevoegde energiedichtheid en sneller opladen kunnen het ook praktischer maken om andere vormen van transport te elektrificeren, waaronder langeafstandsvrachtvervoer en zelfs korteafstandsvluchten. (Als bonus zou het ook telefoons en laptops opleveren die een paar dagen op één lading zouden kunnen meegaan.)
Geboorte van een batterij
Het verhaal van lithium-metaalbatterijen begon in het begin van de jaren zeventig en is nauw verweven met de ontwikkeling van de lithium-ionbatterijen waarvan we tegenwoordig afhankelijk zijn.
De oliecrises van die tijd, in combinatie met wat zeer vroege angst voor de petroleumpiek zou blijken te zijn, wekte plotseling voor het eerst sinds de kinderschoenen van de auto-industrie opnieuw belangstelling voor elektrische voertuigen. In 1972 werkten American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW en anderen allemaal aan elektrische auto's, zoals de wetenschapsschrijver Seth Fletcher in het boek beschrijft. Gebottelde verlichting . Ondertussen waren grote industriële laboratoria, waaronder die van GE, Dow Chemical en Exxon, op zoek naar betere batterijchemie.
Batterijen in die tijd, die meestal loodzuur waren, konden nergens in de buurt van de afstanden of snelheden van gasmotoren leveren. In 1969 besloot General Motors experimentele 512 elektrische auto had een topsnelheid van ongeveer 30 mijl per uur, met een bereik van 47 mijl.
In een lithium-ionbatterij pendelen lithiumionen heen en weer tussen de anode en kathode terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen. In de batterij van QuantumScape reizen de ionen door een separator en vormen een perfect vlakke laag tussen deze en het elektrische contact, waardoor de anode ontstaat wanneer deze wordt opgeladen. Het mist een anode in zijn uitgeputte staat.
In 1972 nam de onderzoeksafdeling van Exxon een jonge chemicus aan, Stan Whittingham genaamd, op basis van zijn postdoctorale werk aan Stanford. In het bijzonder ontwikkelde hij kristallijne materialen waardoor ionen gemakkelijk in en uit konden stromen. Bij Exxon begonnen Whittingham en zijn collega's te experimenteren met een veelbelovend poreus materiaal voor een kathode: titaniumdisulfide. Ze combineerden het met een anode gemaakt van metallisch lithium, een zeer reactief materiaal dat zijn elektronen gemakkelijk afgeeft. Het werkte verrassend goed.
Het team vroeg in 1973 patent aan en publiceerde een mijlpaal papier in de wetenschap in 1976, en pronkte met een grotere versie van de cellen op een autoshow in 1977 .
Begin jaren tachtig was de oliecrisis voorbij. Het nieuwe management van Exxon besloot elke business line af te stoten zonder het potentieel om een jaarlijkse markt van $ 100 miljoen te worden. Het bedrijf liet zijn inspanningen op het gebied van elektrische voertuigen en batterijen vallen. Ze zeiden: 'Deze zijn te klein voor ons om bij betrokken te zijn', zegt Whittingham.
Lithium-ion neemt het over
Lithium-metaalbatterijen waren veel beter dan loodzuurbatterijen, maar ze hadden ook inherente nadelen die het Exxon-team nooit had opgelost, waaronder hun gewoonte om branden te stichten in het laboratorium.
Anderen die probeerden lithium-metaalbatterijen op de markt te brengen, liepen tegen soortgelijke problemen aan. In de jaren tachtig ontwikkelde Moli Energy uit British Columbia een lithium-metaalbatterij van 2,2 volt voor laptops en mobiele telefoons. Maar in 1989 vatte een Japanse mobiele telefoon vlam, zijn eigenaar verbranden . Nadat een onderzoek de schuld op de batterij had gelegd, werden duizenden mobiele telefoons teruggeroepen en ging het bedrijf onder curatele, aldus Electric Autonomy Canada.
Ondertussen bouwden anderen voort op Whittinghams werk. John Goodenough, nu een professor aan de Universiteit van Texas in Austin, gebruikte kobaltoxide in plaats van titaniumdisulfide om een kathode te ontwikkelen die meer energie kon opslaan. Akira Yoshino, een professor aan de Meijo University, verruilde de pure lithiumanode voor cokes (een andere vorm van koolstof), die nog steeds veel lithiumionen kon opslaan, maar het brandgevaar verminderde. Ten slotte verzamelden onderzoekers van Sony de onderdelen om in 1992 de eerste commerciële lithium-ionbatterijen te ontwikkelen. Whittingham, Goodenough en Yoshino deelde de Nobelprijs voor scheikunde in 201 9 voor hun rol in de doorbraak.
Het enorme succes van lithium-ionbatterijen, die nu onze laptops, telefoons en elektrische voertuigen van stroom voorzien, verhinderde de komende jaren de inspanningen om lithium-metaaltechnologie te commercialiseren. Maar sommigen hebben het potentieel van lithiummetaal om een efficiëntere vorm van energieopslag te zijn nooit uit het oog verloren. En het vervangen van de standaard vloeibare elektrolyten, die in feite brandbare oplosmiddelen zijn, door vaste materialen leek een bijzonder veelbelovende verkenningsroute.
Rond 2000 demonstreerde een team van het Oak Ridge National Laboratory dunnefilmbatterijen - het soort dat wordt gebruikt in kleine elektronica zoals smartcards en pacemakers - die gebruikmaken van solid-state lithium-metaaltechnologie. Het productieproces en de grootte en vorm van dunnefilmbatterijen beperken het gebruik ervan meestal tot iets dat groter is dan een horloge, zegt Paul Albertus, een batterij-expert aan de Universiteit van Maryland. Maar het werk leverde een cruciaal proof-of-concept op voor een werkende lithium-metaalbatterij.
Road kill
Tegen het einde van de jaren 2000 begonnen verschillende startups de technologie opnieuw na te streven. Maar het is een verraderlijke weg gebleken.
Sommige zijn al gesloten. Seeo, opgericht in 2007, werd gekocht door het Duitse bedrijf Bosch, dat later zijn inspanningen op het gebied van batterijonderzoek stopte. Het in Frankrijk gevestigde Bolloré was de eerste die lithium-metaalbatterijen in vaste toestand in voertuigen op de weg bracht, en lanceerde zijn Bluecar-programma's voor het delen van auto's in 2011. Maar de op polymeer gebaseerde elektrolyten werken alleen bij hogere temperaturen, waardoor het gebruik ervan in consumentenvoertuigen wordt beperkt .
Op deze fabricagelijn worden kathoden voor de batterijen van QuantumScape gemaakt.
WINNI WINTERMEYEREen handvol andere bedrijven heeft echter recentere vorderingen gemaakt. Met name twee dagen na de presentatie van QuantumScape afgelopen december, kondigde Solid Power, een startup uit Colorado, opgericht in 2012, aan dat het al batches van 22-laags lithium-metaalcellen op proefschaal produceert die het bereik van de huidige batterijen voor elektrische voertuigen zouden overtreffen. .
En in januari kondigde de ARPA-E-divisie van het Department of Energy aan dat het $ 9 miljoen zou investeren in een inspanning van batterijbedrijf 24M en Carnegie Mellon's Viswanathan om lithium-metaalbatterijen te ontwikkelen die zijn ontworpen voor elektrische vliegtuigen, waarbij de opgeslagen energie en het geleverde vermogen per kilogram zijn cruciaal.
QuantumScape opstarten
De truc voor elk bedrijf dat lithium-metaalbatterijen ontwikkelt, was om elektrolytmaterialen te lokaliseren die brand en dendrieten voorkomen, terwijl ze toch gemakkelijk ionen doorlaten, en zonder de prestaties van de batterij op een andere manier aan te tasten. En dat is precies wat QuantumScape beweert te hebben gedaan.
Verwant verhaal
Deze superenergierijke batterij zou het bereik van elektrische voertuigen bijna kunnen verdubbelen Maar sommige waarnemers zijn er niet van overtuigd dat de lithium-metaalbatterijen van QuantumScape auto's en vrachtwagens op de weg zullen aandrijven zodra het bedrijf beweert.De oorsprong van het bedrijf gaat terug tot 2009. Terwijl Singh zich voorbereidde om af te treden als CEO van Infinera, een netwerkbedrijf dat hij medeoprichter was, begon hij te praten met Stanford postdoctoraal fellow Tim Holme en zijn adviseur, Friedrich Prinz, over het vormen van een bedrijf op basis van hun onderzoek naar nieuwe batterijmaterialen.
Het trio richtte het jaar daarop QuantumScape op, met als doel het ontwikkelen van energierijke batterijen met een hoog uitgangsvermogen. Ze probeerden dit eerst te doen door een geheel nieuw type batterij te maken, bekend als een volledig elektronenbatterij, maar ontdekten dat het moeilijker zou zijn dan het aanvankelijk leek.
Tegen die tijd had het bedrijf tientallen miljoenen dollars opgehaald bij durfkapitaalbedrijven als Kleiner Perkins en Khosla Ventures. Daardoor had QuantumScape genoeg geld om stilletjes van richting te veranderen en de droom van lithium-metaaltechnologie na te jagen.
Het bedrijf heeft de volgende vijf jaar gezocht naar het juiste materiaal om een elektrolyt in vaste toestand te ontwikkelen, zegt Singh. Daarna zijn er nog vijf bezig geweest met het uitwerken van de juiste samenstelling en het fabricageproces om defecten en dendrieten te voorkomen. Het enige dat het bedrijf over zijn elektrolyt zal zeggen, is dat het een keramiek is.
Zijn we er al?
Alle tot dusver gepubliceerde tests van QuantumScape zijn uitgevoerd op enkellaagse cellen. (Nadat dit stuk ter perse ging, kondigde het bedrijf aan dat ze tests hebben geproduceerd en uitgevoerd met 4-laags cellen die vergelijkbare resultaten hebben opgeleverd.) Om in auto's te kunnen werken, moet het bedrijf batterijen produceren die zijn verpakt met enkele tientallen lagen , effectief van een enkele speelkaart naar een kaartspel. En het zal nog steeds een manier moeten vinden om deze cellen goedkoop genoeg te produceren om te kunnen concurreren met lithium-ion, een batterijtechnologie die al tientallen jaren wordt gedomineerd.
Het is een ontmoedigende technische taak. Ze zijn er halverwege - na 10 jaar en $ 300 miljoen en 150 mensen die hieraan hebben gewerkt, hebben ze nu dit kleine speelkaart, zegt Albertus van de Universiteit van Maryland. Dat is nog ver verwijderd van het leveren van batterijen op de schaal van duizenden tonnen - en het is een heel moeilijke uitdaging. Verschillende batterijonderzoekers vertelden me dat ze er ernstig aan twijfelen of QuantumScape in staat is om op tijd op te schalen en volledige veiligheidstests te voltooien om batterijen in auto's over vier jaar op de weg te brengen.
Gezien de resultaten van het bedrijf en de bemoedigende aankondigingen van andere startups, denken de meeste mensen in de batterijwereld dat het waarschijnlijker is dat de problemen die lithium-metaal decennialang hebben opgehouden, kunnen worden opgelost - daarom staat het op de lijst van MIT Technology Review met baanbrekende technologieën dit jaar. Maar het is ook duidelijk dat ondanks alle vooruitgang die is geboekt sinds Whittinghams tijd bij Exxon, er nog jaren werk in het verschiet ligt.
Update: dit verhaal is bijgewerkt om een fout te corrigeren met betrekking tot hoeveel extra energie een lithium-metaalbatterij theoretisch kan opslaan.
2021