Waarom we geen batterijdoorbraken hebben

Een veelbelovende vooruitgang die op niets uitliep, suggereert wat er nodig is om goedkope batterijen voor elektrische auto's te maken. Door

• Kevin Bullis archiefpagina

10 februari 2015

Elektrische auto's zijn snel en stil, met een actieradius die meer dan lang genoeg is voor de meeste woon-werkverkeer. Als je een auto wilt met extreem snelle acceleratie, is de Tesla Model S moeilijk te verslaan. En natuurlijk vermijden elektrische voertuigen de vervuiling die gepaard gaat met conventionele auto's, inclusief de uitstoot van kooldioxide door brandende benzine. Toch zijn ze goed voor een klein deel van de autoverkoop, vooral omdat de batterijen die ze aandrijven duur zijn en vaak moeten worden opgeladen.

Een betere batterij zou alles kunnen veranderen. Maar hoewel er de afgelopen tien jaar talloze doorbraken zijn aangekondigd, hebben deze ontwikkelingen zich keer op keer niet vertaald in commerciële batterijen met zoiets als de beloofde verbeteringen in kosten en energieopslag. Sommige goed gefinancierde startups, met name A123 Systems, begonnen met gedurfde claims, maar leverden niets op (zie Wat is er met A123 gebeurd?).

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2015

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

de krachtpatser, een nieuw boek van journalist Steve LeVine, beschrijft het verhaal achter een van de meest dramatische batterijaankondigingen van de afgelopen jaren en legt uit hoe het op niets uitliep (zie Het trieste verhaal van de batterijdoorbraak die te mooi bleek om waar te zijn). De aankondiging werd gedaan in februari 2012 op een conferentie in Washington, DC, waar een menigte onderzoekers, ondernemers en investeerders was gekomen om te horen hoe Bill Gates en Bill Clinton uiteenzetten over het belang van nieuwe energietechnologie – en ook om maak gebruik van een van de nieuwste financieringsbronnen in Washington, het Advanced Research Projects Agency for Energy of ARPA-E. ARPA-E, opgericht in 2009, had de taak om potentieel transformationeel onderzoek te identificeren. Het hoofd van dat bureau, Arun Majumdar, was klaar om een ​​van zijn eerste grote successen te onthullen: een batterijcel, ontwikkeld door de startup Envia, die twee keer zoveel energie kon opslaan als een conventionele. De kosten van een batterij die een auto van Washington naar New York zou kunnen brengen zonder op te laden, zou volgens Majumdar dalen van $ 30.000 naar $ 15.000. Elektrische auto's zouden veel betaalbaarder en praktischer worden (zie Een grote sprong in batterijcapaciteit).

Binnen enkele maanden heeft GM de technologie in licentie gegeven en een overeenkomst getekend om de ontwikkeling ervan te ondersteunen, waarbij het het recht heeft verkregen om alle resulterende batterijen te gebruiken. De deal was potentieel honderden miljoenen dollars waard voor Envia, schrijft LeVine. Maar al snel kreeg Envia gefrustreerde berichten van GM-ingenieurs die de resultaten van de startup niet konden reproduceren. Het jaar na de aankondiging werd de deal tot zinken gebracht. Envia's indrukwekkende batterij was een toevalstreffer geweest.

Dingen beoordeeld

• de krachtpatser

  Door Steve Levine
  Viking, 2015

  
  
  

LeVine's verslag van het werk van Envia laat zien waarom grote vooruitgang op het gebied van batterijen zo moeilijk te bereiken is en waarom startups die wereldveranderende doorbraken beloven, het moeilijk hebben gehad. In het afgelopen decennium hebben we opmerkelijke verbeteringen in deze branche gezien, maar deze zijn grotendeels afkomstig van gevestigde bedrijven die gestaag kleine vorderingen maken.

De cel van Envia was een nieuw type lithium-ionbatterij. Uitgevonden in de late jaren 1970 en vroege jaren 1980 en gecommercialiseerd in de jaren 1990, genereren deze batterijen elektrische stroom wanneer lithiumionen pendelen tussen twee elektroden. Licht maar krachtig, ze hebben draagbare elektronica getransformeerd. Het gebruik ervan in elektrische auto's is echter recent. In de jaren negentig gebruikte GM goedkopere loodzuuraccu's voor zijn elektrische EV-1; elke batterij woog maar liefst 600 kilogram en kon slechts 55 tot 95 mijl afleggen voordat hij moest worden opgeladen. Toen Tesla Motors in 2008 een van de eerste door lithium-ionen aangedreven elektrische auto's introduceerde, kon hij 250 mijl rijden op een lading, ongeveer drie keer zo ver als de EV-1. Maar het voertuig kostte meer dan $ 100.000, grotendeels omdat de batterijen zo duur waren. Om kosten te besparen, gebruiken de door lithium-ion aangedreven elektrische auto's die tegenwoordig door bedrijven als Nissan en GM worden gemaakt, kleine batterijpakketten met een bereik van minder dan 160 kilometer.

Hoewel er de afgelopen tien jaar talloze doorbraken zijn aangekondigd, hebben deze ontwikkelingen zich keer op keer niet vertaald in commerciële batterijen.

Een moeilijk punt aan het ontwikkelen van betere batterijen is dat de technologie nog steeds slecht wordt begrepen. Het vervangen van een onderdeel van een batterij, bijvoorbeeld door een nieuwe elektrode te introduceren, kan onvoorziene problemen veroorzaken, waarvan sommige niet kunnen worden gedetecteerd zonder jaren van testen. Om het soort vooruitgang te bereiken waarnaar durfkapitalisten en ARPA-E zoeken, heeft Envia niet slechts één maar twee experimentele elektrodematerialen gebruikt.

LeVine beschrijft wat er mis ging. In 2006 had Envia een licentie verleend voor een veelbelovend materiaal ontwikkeld door onderzoekers van het Argonne National Laboratory. Vervolgens werd een groot probleem ontdekt. Het probleem - dat door een directeur van een batterijbedrijf een doemfactor werd genoemd - was dat in de loop van de tijd de spanning waarop de batterij werkte, veranderde op een manier die hem onbruikbaar maakte. Onderzoekers van Argonne onderzochten het probleem en vonden geen pasklaar antwoord. Ze begrepen de elementaire chemie en fysica van het materiaal niet goed genoeg om precies te begrijpen wat er mis ging, laat staan ​​​​het te repareren, schrijft LeVine.

Een blik in een Tesla Model S toont de batterij, een grijze plaat die het grootste deel van de ruimte tussen de voor- en achterwielen in beslag neemt.

Met zijn experimentele materiaal voor de tegenovergestelde elektrode, deze op basis van silicium, stond Envia voor een andere uitdaging. Onderzoekers hadden schijnbaar het grootste probleem met siliciumelektroden opgelost: hun neiging om uit elkaar te vallen. Maar de oplossing vereiste onpraktische productietechnieken.

Toen Envia in 2012 zijn aankondiging deed, leek het te hebben ontdekt hoe deze beide experimentele materialen konden werken. Het ontwikkelde een versie van de siliciumelektrode die goedkoper kon worden vervaardigd. En met vallen en opstaan ​​was het op een combinatie van coatings gestuit die de spanning van het Argonne-materiaal stabiliseerden. Envia-medeoprichter Sujeet Kumar begreep dat het antwoord een samenstelling van coatings was, schrijft LeVine. Maar hij wist nog steeds niet wat de composiet arresteerde of waarom het daarin slaagde. Omdat Envia een startup was met beperkte middelen, had hij niet de instrumenten om erachter te komen. Maar toen het eenmaal duidelijk werd dat de resultaten die Envia voor zijn batterij had gerapporteerd niet konden worden gereproduceerd, werd het begrijpen van het probleem cruciaal. Zelfs kleine veranderingen in de samenstelling van een materiaal kunnen een aanzienlijke impact hebben op de prestaties, dus voor zover Envia wist, werkte de recordbatterij vanwege een verontreiniging in een partij materiaal van een van zijn leveranciers.

Het verhaal van Envia staat in schril contrast met wat de meest succesvolle recente poging bleek te zijn om de prijs van batterijen te verlagen en hun prestaties te verbeteren. Dit succes is niet voortgekomen uit een doorbraak, maar uit de nauwe samenwerking tussen Tesla Motors en de grote leverancier van batterijcellen, Panasonic. Sinds 2008 zijn de kosten van Tesla's batterijpakketten ongeveer gehalveerd, terwijl de opslagcapaciteit met ongeveer 60 procent is toegenomen. Tesla heeft niet geprobeerd de chemie of materialen in lithium-ionbatterijen radicaal te veranderen; het maakte eerder incrementele technische en productieverbeteringen. Het werkte ook nauw samen met Panasonic om de chemie van bestaande batterijmaterialen aan te passen aan de precieze behoeften van zijn auto's.

Sinds 2008 zijn de kosten van Tesla's batterijpakketten ongeveer gehalveerd, terwijl de opslagcapaciteit met ongeveer 60 procent is toegenomen.

Tesla beweert dat het op schema ligt om tegen 2017 een elektrische auto van $ 35.000 te produceren met een bereik van ongeveer 200 mijl - een prestatie die overeenkomt met wat GM hoopte te bereiken met de nieuwe batterij van Envia. Het bedrijf verwacht honderdduizenden van deze elektrische auto's per jaar te verkopen, wat een grote sprong zou zijn ten opzichte van de tienduizenden die het nu verkoopt. Maar voordat elektrische auto's een aanzienlijk deel uitmaken van de ongeveer 60 miljoen auto's die jaarlijks over de hele wereld worden verkocht, zullen batterijen waarschijnlijk aanzienlijk beter moeten worden. Per slot van rekening is 200 mijl veel minder dan de 350 mijl die mensen gewend zijn om op een tank benzine te rijden, en $ 35.000 is nog steeds behoorlijk wat meer dan de prijs van $ 15.000 van veel kleine auto's op gas.

Hoe gaan we de kloof dichten? Er is waarschijnlijk nog genoeg ruimte om lithium-ionbatterijen te verbeteren, hoewel het moeilijk voor te stellen is dat het succes van Tesla met kleine veranderingen in de batterijchemie voor onbepaalde tijd zal voortduren. Op een gegeven moment kunnen radicale veranderingen nodig zijn, zoals die Envia voor ogen had. Maar de les van het Envia-fiasco is dat dergelijke veranderingen nauw moeten worden geïntegreerd met productie- en technische expertise.

Die aanpak levert al veelbelovende resultaten op met het Argonne-materiaal dat Envia in licentie heeft gegeven. Envia's batterij werkte op hoge spanningen om een ​​hoge mate van energieopslag te bereiken. Nu ontdekken batterijfabrikanten dat het gebruik van meer bescheiden spanningsniveaus de energieopslag aanzienlijk kan vergroten zonder de problemen waar Envia last van had. Ondertussen publiceren batterijonderzoekers artikelen die laten zien hoe sporen van additieven het gedrag van de materialen veranderen, waardoor het mogelijk wordt om de spanning en energieopslag op te voeren. De sleutel is om onderzoek dat details over de chemie en fysica van batterijen belicht, te combineren met de expertise die batterijfabrikanten hebben opgedaan bij het maken van praktische producten.

Het is een branche waarin het voor een startup, hoe verleidelijk de technologie ook is, erg moeilijk is om het alleen te doen. Andy Chu, een voormalig executive bij A123 Systems, dat in 2012 failliet ging, vertelde me onlangs waarom grote bedrijven de batterij-industrie domineren. Energieopslag is een spel dat wordt gespeeld door grote spelers, omdat er zoveel dingen mis kunnen gaan in een batterij, zei hij. Ik hoop dat startups succesvol zijn. Maar je kunt naar de geschiedenis van de afgelopen jaren kijken, en het is niet goed geweest.

zich verstoppen