Plastic batterijen: allemaal opgeladen en klaar voor gebruik

Veel mensen controleren elke ochtend hun faxapparaat, maar tegenwoordig zijn Theodore Poehler en Peter Searson bijzonder geïnteresseerd in wat er op hun faxapparaat staat. Dit paar wetenschappers van de Johns Hopkins University gelooft dat ze pijnlijk dicht bij een deal zijn die hun onderzoeksgeesteskind - een volledig plastic batterij - in een commerciële realiteit zou kunnen veranderen. Elke dag verwachten ze het eindresultaat te zien van meer dan een jaar onderhandelen, in de hoop op een beslissing van verschillende grote batterijbedrijven of op berichten van particuliere investeerders die zich bereid hebben verklaard om tientallen miljoenen dollars opzij te zetten.

Een overeenkomst met het juiste batterijbedrijf of de juiste groep geldschieters zou hun uitvinding kunnen transformeren van een laboratoriumnieuwsgierigheid naar een rijzende ster in de enorme batterijmarkt. Het prototype is opmerkelijk klein, licht en oplaadbaar. Nog intrigerender is dat het wordt geleverd in dunne, buigbare vellen die kunnen worden gevormd in een vorm die lijkt op een visitekaartje. Poehler en Searson denken dat de nieuwe batterij een leidende rol zou kunnen spelen in een nieuwe generatie elektrische voertuigen, satellieten en lichtgewicht elektronische apparaten, zelfs als vervanging voor standaard AA-batterijen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 1998

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Dat is de droom. Om het te realiseren, is echter geld nodig - veel geld. Het vereist ook zakelijk inzicht. En Poehler en Searson weten dat er geen garantie op succes is. We zijn allebei erg op onze hoede, legt Peohler uit. Als het gebeurt, gebeurt het - als dat niet het geval is, proberen we gewoon na te denken over het doen van onderzoek om de technologie te verbeteren.

Hun verhaal is een verhaal van hoe fundamentele onderzoekers die op het snijvlak werken, terecht kunnen komen in de wereld van ondernemerschap, durfkapitaal en big business. En hoe, als ze daar eenmaal zijn, de problemen misschien net zo complex zijn - en veel minder bekend - dan die waarmee ze worden geconfronteerd op de laboratoriumtafel.

Poehler, een professor in elektrische en computertechniek en vice-provoost van de universiteit voor onderzoek, en Searson, een professor in materiaalwetenschappen en techniek, waren nooit van plan ondernemers te worden. Toen ze zes jaar geleden begonnen met hun zoektocht naar een volledig plastic batterij, wilden ze gewoon goede wetenschap doen, de grenzen van een materiaal en een systeem testen. De professoren stonden aan het hoofd van een team van onderzoekers bij Johns Hopkins, waaronder Jeffrey Killian, Josef Gofer en Haripada Sarker; afgestudeerde student Jennifer Giaccai voegde zich vervolgens bij de groep. De vooruitgang kwam langzaam, maar in 1996 hadden ze een werkbaar prototype. Toen, begin vorig jaar, veroorzaakte een persbericht van de Johns Hopkins University waarin de ontwikkeling van de nieuwe plastic batterij werd aangeprezen, een media-razernij.

De plastic batterij werd door Popular Science uitgeroepen tot Uitvinding van het Jaar. Tv-ploegen kwamen van zelfs Zweden, Tokio en Brazilië en zwierven door het lab. De onderzoekers verschenen op CNN en in USA Today. Afgestudeerde studenten in de groep werden lokale mediasterren. Honderden bedrijven en investeerders informeerden naar de nieuwe technologie en probeerden het elektrische potentieel ervan om te zetten in winstpotentieel. Wall Street-analisten belden om de primeur te krijgen over eventuele deals die zouden kunnen worden ondertekend om de batterij commercieel te produceren.

Tegenwoordig, meer dan een jaar later, is het lab weer zo goed als normaal. Een recent bezoek van TR vond de gebruikelijke stilte van een universiteitslab, waar de onderzoekers bezig waren met wetenschap. De tv-ploegen zijn weg. De gestage stroom bezoekers nam af.

Uit het oog van de media navigeert het Johns Hopkins-team, net als andere academische onderzoekers die een nieuwe materiaaltechnologie hebben ontwikkeld, zich door de wereld van zaken en financiën.

Vergis je niet - de inzet is hoog. Succesvolle commercialisering van een plastic batterij kan veel geld opleveren voor de academische uitvinders en hun universiteit. De Amerikaanse markt voor batterijen alleen al is $ 5,8 miljard per jaar en is klaar voor snelle groei, aangezien een nieuwe generatie elektrische voertuigen en kleinere elektronische apparaten de behoefte aan efficiëntere, lichtere oplaadbare batterijen vergroten. Bedrijfs- en academische laboratoria over de hele wereld haasten zich om de oplossing te vinden, met veel inspanningen gericht op op lithium gebaseerde batterijen ( zie zijbalk ).

Een plastic batterij zou een lucratieve niche kunnen vormen. De meeste batterijen zijn tegenwoordig gemaakt van giftige en milieubelastende zware metalen zoals lood en cadmium. Plastic batterijen bevatten echter geen metalen en zijn gemakkelijk te recyclen. Ze moeten worden afgedicht zodat vocht hun lading niet dempt, maar de polymeren binnenin zijn ver verwijderd van lithium, dat kan exploderen bij blootstelling aan water.

Bovendien is de volledig plastic batterij gemaakt van dunne, folie-achtige vellen - een cruciaal voordeel voor iemand die een product ontwerpt en moet uitzoeken waar hij een batterij moet persen. Denk aan behuizingen voor laptops die zijn bekleed met dunne platen van de batterij of structurele onderdelen van de auto die zijn bekleed met de stroombronnen, zelfs satellieten waar de plastic batterij in een beschikbare ruimte wordt gepropt. Je kunt er zowat elke gewenste configuratie van maken, zegt Searson.

De kunst is om een ​​polymeeranode te vinden die geschikt is voor een werkbare batterij. Wanneer ze in een batterij worden gebruikt, kunnen bepaalde polymeren fungeren als geweldige kathoden, waarbij ze gemakkelijk elektronen accepteren die van de anode komen via een extern circuit. Aan de andere kant, om een ​​geleidend polymeer als anode te laten werken, moet het worden gedoteerd zodat een extra elektron in de polymeerruggengraat wordt gedwongen, waardoor het een negatieve lading krijgt. In tegenstelling tot gedoteerde kathoden zijn gedoteerde anoden echter onstabiel en kwetsbaar voor vocht.

Ondanks de uitdaging stormde het Johns Hopkins-team vooruit. Uiteindelijk ontdekten ze dat door een lithiumion in de polymeerketen op te sluiten, ze een soort plastic, polypyrrool genaamd, konden laten gedragen als een anode. Na drie jaar van inspanning voelde Poehler dat dit systeem er fatsoenlijk uit begon te zien. Tegen de zomer van 1995 produceerde het lab een werkende batterij. Maar de batterij produceerde slechts ongeveer één volt per cel - veel te laag voor veel toepassingen - en er was nog steeds lithium als doteringsstof nodig.

Het team ging terug naar de tekentafel. Deze keer maakten ze een belangrijke doorbraak in iets meer dan zes maanden. Het Johns Hopkins-team wendde zich tot een familie van polymeren, fluorfenylthiofenen genaamd, om de elektroden te vormen; een lid van de familie, 3,4,5 TFPT, fungeert als de anode, terwijl een ander, 3,5 DFPT, als de kathode. De polymeren werden vervolgens gesandwiched rond een batterij-elektrolyt gemaakt van een dunne polyacylonitrilgel. De batterij kan drie volt elektriciteit per cel produceren en honderden keren worden opgeladen.

Het was een opmerkelijke doorbraak. De batterijen zijn zo flexibel als plasticfolie, zodat ze in de cilindrische vorm van een conventionele zaklampbatterij kunnen worden gerold of als creditcarddunne vellen kunnen worden gebruikt. In tegenstelling tot conventionele batterijen, die vaak niet werken bij temperaturen ver onder het vriespunt, kunnen ze werken bij temperaturen tot -40 ° C. Als extra bonus veranderen de batterijen van kleur wanneer ze ontladen, waardoor het gemakkelijk te zien is wanneer een opladen is nodig.

Nu had het lab een werkbaar prototype, maar het was slechts het startpunt op de moeilijke weg naar commercialisering. Poehler, die in zijn hoedanigheid als vice-provoost veel deals voor technologieoverdracht heeft gezien, nam de leiding in de zakelijke inspanningen van het team. De eerste uitdaging is om te bepalen of de technologie concurrerend is, legt hij uit. Tegen het einde van 1996, toen het verhaal in de media brak, waren de Johns Hopkins-onderzoekers ervan overtuigd dat hun batterij dat stadium had bereikt. Ze doorzochten de stortvloed aan aanvragen en ontmoetten meer dan 40 potentiële onderzoekspartners of financiers, gingen op bezoek of werden bezocht door bedrijven of onderzoeksgroepen gedurende meer dan een jaar.

We zagen de meeste bijeenkomsten niet als kansen om zaken te doen, maar als kansen om informatie uit te wisselen, zegt Poehler. Maar het overkoepelende doel was om een ​​grote deal te sluiten die de batterij op de markt zou brengen, niet alleen om geld binnen te halen om verder onderzoek te doen. We zijn hier nog steeds mee bezig en hebben altijd moeite om het punt te bereiken waarop de technologie zichzelf verkoopt, zegt hij.

Het is echter niet eenvoudig om op dat punt te komen. Het betekent in feite onderhandelen over een complexe wereld van risicokapitaal en bedrijfsfinanciering. Poehler en Searson hebben elk een indrukwekkende academische reputatie, maar net als de meeste wetenschappers heeft geen van beiden veel ervaring met zakendoen en de wereld van de high finance.

Het vereist andere vaardigheden dan wetenschap, zegt Lita Nelsen, directeur van MIT's Technology Licensing Office. Er zijn een paar mensen die beide vaardigheden hebben, maar niet veel. Het toenemende aanbod van durfkapitaaldollars en zakelijke investeerders die op zoek zijn naar hete technologieën, betekent groeiende zakelijke kansen voor universitaire wetenschappers. Nelsen zegt echter dat wetenschappers zich vaak uitsluitend richten op de financiële aspecten van een deal, terwijl ze eigenlijk meer dan geld zouden moeten zoeken. Er is geld beschikbaar. Ze zouden op zoek moeten gaan naar wijsheid die erbij hoort: wijsheid om te weten wat ze moeten doen in situaties waarin een oordeel wordt geveld, zoals wanneer de chief executive niet aan het werk is, of wanneer iemand inbreuk maakt op hun patent.

Academische onderzoekers komen voor een aantal moeilijke beslissingen te staan, terwijl ze proberen hun technologieën uit het laboratorium naar de bedrijfswereld te leiden. Ze kunnen bijvoorbeeld gewoon hun patent in licentie geven en verder gaan met hun onderzoek. Als alternatief kunnen ze een samenwerking aangaan met een bedrijf dat de marketing- en productie-ervaring kan bieden die de wetenschappers missen. Ten slotte konden ze proberen financiering te vinden voor een eigen startend bedrijf.

Elke optie heeft voor- en nadelen. Wat hun beslissing ook is, Poehler en Searson zeggen dat ze van plan zijn hun academische baan te blijven uitoefenen en zakenlieden elk bedrijf te laten leiden. Het in licentie geven van de technologie aan een gevestigd batterijbedrijf is financieel een veilige gok, maar betekent meestal dat u de volledige controle opgeeft. Het nemen van durfkapitaalfinanciering zou ook kunnen betekenen dat de onderzoekers meer controle over een batterij-spin-off zouden opgeven dan bij andere particuliere kapitaalbronnen.

Bij de beslissing staat op het spel of de plastic batterij ooit zijn weg uit het lab ziet en naar voren komt als een praktisch apparaat. Het commercialiseren van nieuwe soorten batterijen is een notoir duur proces, dat nieuwe fabrieken en een langdurige toewijding aan een bepaald type technologie vereist. Zodra een bedrijf een technologie in licentie geeft, krijgen ze grotendeels controle over het lot ervan, inclusief de keuze om de ontwikkeling ervan te stoppen. Kies de verkeerde partner en de batterij - ooit de lieveling van tv-soundbits van 30 seconden - kan snel worden gedegradeerd tot de stapel betere batterijen van een bedrijf die nooit zijn uitgekomen.

Aan de andere kant zou de juiste zakelijke manoeuvre een lucratieve betaaldag kunnen opleveren voor Searson en Poehler, evenals voor een handvol van hun laboratoriummedewerkers. Zoals de meeste onderzoekers die iets met commercieel potentieel ontdekken, waren Searson, Poehler en hun collega's voorzichtig met het indienen van een patent voordat ze een van de bevindingen openbaar maakten. De universiteit is eigenaar van het octrooi, maar de winst of licentiekosten worden zo verdeeld dat een derde naar de universiteit gaat, een derde naar de onderzoekers en een derde naar het laboratorium voor toekomstig onderzoek. Als de aantallen erg groot worden, daalt het persoonlijke aandeel van de onderzoekers tot ongeveer 15 procent.

Op dit moment lijkt de plastic batterij van Johns Hopkins echter vast te zitten aan een catch-22 die vaak laboratoria plaagt die technologie in vroege ontwikkeling op de markt willen brengen; het project heeft meer financiering nodig om de volgende ontwikkelingsfase te bereiken, maar de financiers willen meer geavanceerde technologie zien voordat ze de portemonnee trekken.

Wat meer is, terwijl de durfkapitaalmarkt blijft groeien en een gemakkelijke bron van dollars is voor startups in informatietechnologie en biotech, blijven durfinvesteringen in nieuwe materialen een trage, vaak verwaarloosde sector. Wall Street houdt niet van materiaalverhalen, zegt Joe Lovett, een algemene partner van Medical Science Partners, een durfkapitaalbedrijf in Wellesley, Massachusetts, dat zowel biotech- als materiaalwetenschappelijke startups financiert.

Josh Lerner, universitair hoofddocent aan de Harvard Business School en expert op het gebied van risicokapitaal, zegt: Materiaalwetenschap kende eind jaren tachtig een korte golf van populariteit met supergeleiding bij hoge temperaturen. Maar mensen lijken gedesillusioneerd te zijn geraakt door het gebied. Lerner zegt dat zelfs met de hausse in durfinvesteringen, er nog steeds een zeer kleine groep technologieën wordt gefinancierd; 80 tot 85 procent van de bedrijven zit in de informatietechnologie en de life sciences.

Afgezien van dergelijke financieringsbelemmeringen, wordt de plastic batterij geconfronteerd met zware concurrentie van verschillende andere veelbelovende soorten batterijen, waaronder zink-luchtbatterijen en lithiumbatterijen. Elk van die technologieën heeft honderden miljoenen dollars aan investeringen en een cruciale voorsprong. Sommige zijn al op grote schaal geproduceerd. Net als de plastic batterij zijn ze efficiënt, lichtgewicht en compact. Lithium-polymeerbatterijen kunnen bijvoorbeeld in bijna elke vorm worden gegoten, zelfs in stukken worden gesneden zonder hun lading te verliezen.

Dus wat is de kans dat we op een dag zullen merken dat we in auto's rijden met onderdelen bekleed met plastic batterijen, pratend op mobiele telefoons die worden aangedreven door het spul? Het is nog te vroeg om te zeggen. Als Poehler de keuze had, zou een van 's werelds grootste batterijbedrijven zeggen: we gaan dit nemen en het maken en je een geweldige deal geven, en je kunt nog steeds je eigen werk doen om de technologie te verbeteren', of een financieel geldschieter zou komen en ze heel veel geld geven om een ​​bedrijf op te starten.

Maar de Johns Hopkins-wetenschappers weten dat het niet zo eenvoudig is. Dus elke ochtend blijven Poehler en Searson zoeken naar de ondertekende overeenkomst die ons misschien dichter bij de realiteit van een plastic batterij brengt. Ondanks alle onderzoeksdoorbraken, de mediahype en veelbelovende ontmoetingen, is het nog steeds een droom om de grote sprong in de commerciële wereld te maken.

zich verstoppen