Elektrificējošs starts

Tas ir ātrākais elektriskais motocikls pasaulē. Populārā YouTube videoklipā melnā dragstera cikls gandrīz pazūd dūmu mākonī, kad vadītājs veic izdegšanu, griežot aizmugurējo riteni, lai to uzsildītu. Dūmiem aizplūstot, vadītājs iekārtojas pozīcijā un nospiež slēdzi, un velosipēds strauji virzās uz priekšu, paātrinoties līdz 60 jūdzēm stundā mazāk nekā sekundē. Septiņas sekundes vēlāk tas šķērso ceturtdaļjūdzes atzīmi ar ātrumu 168 jūdzes stundā — pietiekami ātri, lai konkurētu ar gāzi darbināmiem dragsteriem.

Sānu trieciens: A123 Systems izstrādātais akumulators GM Volt elektriskajam transportlīdzeklim var izturēt saspiešanas drošības pārbaudi. Liela ātruma trieciens varēja izraisīt citu litija jonu akumulatoru pārkaršanu un aizdegšanos.

Killacycle darbina jauns litija jonu akumulators, ko izstrādājis uzņēmums A123 Systems, kas ir jauns uzņēmums Votertaunā, MA — viens no nedaudziem uzņēmumiem, kas strādā pie līdzīgas tehnoloģijas. Uzņēmuma akumulatori uzglabā vairāk nekā divas reizes vairāk enerģijas nekā niķeļa-metāla hidrīda akumulatori, kas tiek izmantoti mūsdienu hibrīdautomobiļos, vienlaikus nodrošinot augstas veiktspējas nodrošināšanai nepieciešamo jaudu. Radikāli pārveidota portatīvajā elektronikā izmantoto litija jonu akumulatoru versija, šī tehnoloģija varētu iedarbināt ilgstoši izsmidzināmo elektrisko transportlīdzekļu tirgu, kas šobrīd veido nelielu daļu no 1 procenta no transportlīdzekļu pārdošanas apjoma Amerikas Savienotajās Valstīs. Īpaši A123 akumulatori ir piesaistījuši General Motors interesi, kas tos pārbauda kā veidu, kā darbināt elektrisko automašīnu Volt ar benzīna ģeneratoru; Paredzams, ka transportlīdzeklis nonāks masveida ražošanā jau 2010. gadā.

Agrāk autoražotāji elektrisko transportlīdzekļu sliktajos pārdošanas apmēros vainoja to svina-skābes vai niķeļa-metāla hidrīda akumulatorus, kas bija tik smagi, ka ierobežoja transportlīdzekļu diapazonu un tik apjomīgi, ka aizņēma vietu bagāžniekā. Lai gan parastie litija jonu akumulatori ir daudz vieglāki un kompaktāki, elektriskajiem transportlīdzekļiem tie nav rentabli. Daļēji tas ir tāpēc, ka tajos tiek izmantoti litija kobalta oksīda elektrodi, kas var būt nestabili: uz tiem izgatavotās baterijas pēc pāris gadiem nolietojas un var uzliesmot, ja tās tiek caurdurtas, saspiestas, pārlādētas vai pārkarsētas. Daži autoražotāji ir mēģinājuši novērst šīs problēmas, taču rezultāti ir bijuši dārgi.

A123 akumulatori beidzot varētu padarīt litija jonu tehnoloģiju praktisku automobiļu rūpniecībā. Kobalta oksīda vietā viņi izmanto elektrodu materiālu, kas izgatavots no litija dzelzs fosfāta nanodaļiņām, kas modificētas ar metālu pēdām. Iegūtie akumulatori, visticamāk, neaizdegsies, pat ja tie tiek saspiesti negadījuma laikā. Tie ir arī daudz izturīgāki par parastajiem litija jonu akumulatoriem: A123 prognozē, ka tie kalpos ilgāk par parasto automašīnas kalpošanas laiku.

Reportiera piezīmju grāmatiņa : Kevins Bulliss

Akumulatora solījums ir padarījis A123 par vienu no vislabāk finansētajiem tehnoloģiju jaunizveidotajiem uzņēmumiem valstī, kurā līdz šim ir ieguldīti 148 miljoni USD riska kapitāla. Ar finansējumu A123 ir īstenojis vērienīgu biznesa plānu, kas prasa tai darīt visu, sākot no materiāla pilnveidošanas līdz akumulatoru ražošanai un pārdošanai klientiem automobiļu un elektroinstrumentu nozarē.

GM Volt A123 akumulatori uzglabā pietiekami daudz enerģijas, lai nobrauktu 40 jūdzes, kas ir pietiekami, lai segtu ikdienas braucienus. (Ilgākos braucienos mazais benzīna dzinējs iedarbinātos, lai uzlādētu akumulatoru, pagarinot diapazonu līdz vairāk nekā 400 jūdzēm.) GM plāno pārdot transportlīdzekļus par aptuveni 30 000 līdz 35 000 USD; uzņēmums domā, ka pirmajos gados var pārdot simtiem tūkstošu par šādu cenu, un J. D. Power and Associates lēš, ka līdz 2014. gadam GM pārdos gandrīz 300 000.

Multivide

• Uzziniet, kā darbojas dažāda veida hibrīdi, izmantojot šo interaktīvo primer.

Materiāliem ir nozīme
2001. gada sākumā 26 gadus vecs Venecuēlas uzņēmējs, vārdā Riks Fulops, bez iepriekšēja pieraksta iegāja Yet-Ming Chiang, MIT materiālu zinātnes profesora birojā. Viņš tikko parādījās un pieklauvēja pie durvīm, atceras Chiang. Fulops, kurš jau bija nodibinājis trīs riska uzņēmumus, vēlējās palīdzību akumulatoru uzņēmuma dibināšanā, un viņš zināja, ka Chiang veic akumulatoru izpēti, kas saistīta ar nanotehnoloģiju. Pats Čans 80. gadu beigās bija līdzdibināts veiksmīgam jaunuzņēmumam, taču lielāko daļu laika viņš pavadīja, pētot nanotehnoloģiju un modernās keramikas ķīmiju.

Līdz rudenim Fulops un Čianga kopā ar Bārtu Railiju, inženieri, kuru Čans zināja no sava iepriekšējā uzņēmuma, bija līdzdibināti A123 Systems. Plāns bija komercializēt vienu no radikālākām Čiangas idejām: materiālus, kas, maisot kopā, spontāni saliktu, veidojot strādājošu akumulatoru. Process solīja palielināt enerģijas uzglabāšanas jaudu, vienlaikus samazinot ražošanas izmaksas.

Chiang lielā ideja izrādījās investoru trāpījums. Līdz 2001. gada beigām pirmā finansējuma kārta no dažādām riska kapitāla firmām bija ienesusi 8,3 miljonus ASV dolāru. Motorola un Qualcomm, ko ieinteresēja iespēja iegūt labākus akumulatorus portatīvajai elektronikai, drīz vien pievienoja 4 miljonus ASV dolāru. Taču ātri kļuva skaidrs, ka komerciāls, pašmontējams akumulators ir gadiem ilgi no realitātes. Šī tehnoloģija joprojām bija diezgan elementāra, saka Chiang.

Tomēr 2002. gada sākumā Čianga veica pārsteidzošu atklājumu, kas pilnībā mainīja uzņēmuma darbības virzienu. Viņš bija sācis strādāt ar litija dzelzs fosfātu, kas ir netoksisks, drošs un lēts, atšķirībā no materiāliem, ko izmanto citos litija jonu akumulatoros. Bet izrādījās, ka tam ir daži nopietni trūkumi. Tas uzglabā mazāk enerģijas nekā litija kobalta oksīds, elektrodu materiāls parastajās litija jonu akumulatoros, tāpēc tas šķita nepiemērots izmantošanai portatīvajā elektronikā, kur enerģijas uzkrāšana ir vissvarīgākā. Turklāt tas uzlādējas un izlādējas lēni, izslēdzot tā izmantošanu lieljaudas lietojumos, piemēram, hibrīdelektriskajos transportlīdzekļos; Pat pilnībā elektriskajām automašīnām, kurās tiek izmantots daudz vairāk akumulatora elementu nekā hibrīdos, materiāls nevarēja nodrošināt pietiekami daudz jaudas.

Tāpēc Chiang sāka to pārveidot, pievienojot nelielu daudzumu metālu. Drīz materiāls izlādēja jaudu salīdzinoši lielā ātrumā. 2002. gada vidū viņš lidoja uz Montereju, Kalifornijā, lai konferencē prezentētu savus atklājumus. Kamēr viņš bija tur, MIT absolvents turpināja veikt testus. Brīdī, kad Chiang bija paredzēts runāt, materiāls darbojās četras reizes ātrāk nekā viņš bija ieradies paziņot. Tajā brīdī mēs zinājām, ka mums ir kaut kas īpašs, viņš saka.

Galu galā Chiang demonstrēs, ka materiāls var nodrošināt elektroenerģijas pārrāvumus, kas ir 10 reizes ātrāki nekā parastajās litija jonu baterijās. Detalizēti izpētījis augstas veiktspējas materiālu, viņš konstatēja, ka tā spēks ir saistīts gan ar izmantoto daļiņu izmēru (mazāk nekā 100 nanometri), gan no papildu metālu pievienošanas. Viņš saka, ka šo faktoru kombinācija rada būtiskas atšķirības tajā, kā atomi, kas veido materiālu, pārkārtojas, kad tie saņem un atbrīvo lādiņu.

Iepakots: A123 akumulatora elementi (iepriekš) ir integrēti Vācijas uzņēmuma Continental izstrādātajā T veida komplektā.

Visās litija jonu baterijās elektrība tiek ģenerēta, kad litija joni pārvietojas starp diviem elektrodiem, kamēr elektroni pārvietojas pa ārēju ķēdi. Pirmajos Chiang eksperimentos ar litija dzelzs fosfātu materiāla daļas, kas saturēja litiju, atdalījās no tām, kuras nesaturēja, litija joniem pārvietojoties elektrodā un no tā. Tas mainīja materiāla kristālisko struktūru, un tā darbība pasliktinājās. Bet, Chiang atklāja, kad litija dzelzs fosfāta daļiņas ir pietiekami mazas — un elektrods ir modificēts vai leģēts, pievienojot citus metālus —, materiāla kristāliskā struktūra mainās daudz mazāk. Rezultātā litija joni var ātrāk pārvietoties iekšā un ārā, nesabojājot materiālu. Kopumā Chiang atklāja, ka modificētais materiāls uzlādējās un izlādējās ātrāk nekā parasts litija dzelzs fosfāts, un tas arī kalpoja ilgāk.

Lai arī jaunais akumulatora materiāls šķita neparasts, Chiang uzreiz saprata, ka tas nav ideāli piemērots pārnēsājamai elektronikai. Šķiet, ka nebija gatavs tirgus vieglām, kompaktām akumulatoriem, kas nodrošinātu lielus jaudas pārrāvumus. Hibrīdautomobiļi, kas ir dabiski piemēroti, tikai sāka parādīties tirgū. Chiang nezināja, ka liels elektroinstrumentu uzņēmums klusi strādāja pie jaunas paaudzes bezvadu instrumentiem, un tam bija problēmas atrast akumulatoru, kas atbilstu tā vajadzībām.

Spēcīgs sākums
2003. gadā Black and Decker pārstāvji tikās ar Fulop un A123 izpilddirektoru Deivu Vieau un teica viņiem, ka vēlas izgatavot bezvada elektroinstrumentus, kas darbotos labāk nekā instrumenti, kas pieslēgti pie sienas. A123 materiāls šķita ideāli piemērots. Īsās sērijās tas var nodrošināt vairāk enerģijas nekā sadzīves ķēde. Un tam bija arī citas funkcijas, kas būtu pievilcīgas būvlaukumā. To var ātri uzlādēt (līdz 80 procentiem no jaudas 12 minūtēs vai mazāk), un atšķirībā no akumulatoriem, kas izgatavoti no litija kobalta oksīda, tas var izturēt bargu apstrādi, neaizdedzoties.

Tā vismaz bija teorija. Kad Fulops un Vieau pirmo reizi tikās ar Bleku un Dekeru, viņiem bija tikai akumulatora elementa modelis, pusgrams materiāla un PowerPoint prezentācija. Blekam un Dekeram bija vajadzīgs uzņēmums, kas varētu ražot miljoniem akumulatoru. Liels uzsvars tika likts uz materiālu, bet tas, kas mums bija jāiemācās, ir izveidot visu šūnu, saka Čiangs.

Tomēr gada laikā pēc sākotnējā līguma parakstīšanas ar Black and Decker A123 bija ražojis komerciāli izdevīgu akumulatoru. Līdz 2005. gada novembrim Āzijā no montāžas līnijām tika izlaisti pirmie produkti. Nepilnu trīs gadu laikā uzņēmums pārgāja no monētas izmēra demonstrācijas akumulatora izveides līdz 50 metrus garu pārklāšanas iekārtu un 28 000 kvadrātmetru rūpnīcu celtniecībai, ko vada simtiem darbinieku. Līdz 2006. gadam klienti iegādājās tā akumulatorus no jaunas profesionālu instrumentu līnijas, ko pārdeva Black and Decker. Īsi sakot, A123 ražoja akumulatorus ar ātrumu miljoniem gadā.

Vācu celtniecība: T-veida iepakojumā (augšpusē) ir A123 akumulatora elementi. GM testē komplektu simulētos braukšanas apstākļos, pirms to pieskrūvē elektriskā transportlīdzekļa prototipā.

Automašīnu uzlāde
Tikmēr GM pārdomāja savu tehnoloģiju stratēģiju, jo Toyota sāka dominēt hibrīdautomobiļu biznesā. Hibrīds tikai daļu laika izmanto akumulatoru, lielāko daļu jaudas paļaujoties uz benzīna dzinēju. GM nolēma izstrādāt automašīnu, kas ļautu saviem klientiem pilnībā pārtraukt benzīna lietošanu ikdienas braukšanai. Bet, lai to izvilktu, autoražotājam bija nepieciešams augstas veiktspējas, uzticams akumulators. Un par to tas pagriezās uz A123.

GM zināja, ka vēlas izmantot litija jonu akumulatorus to uzglabāšanas jaudas dēļ, saka Denīze Greja, GM enerģijas uzglabāšanas sistēmu direktore. Taču tā arī zināja, ka esošā tehnoloģija to nedarīs. Lai gan litija jonu klēpjdatora akumulators var izturēt 500 pilnus uzlādes un izlādes ciklus, pirms tā jauda samazinās, neviens automašīnas īpašnieks nevēlas iegādāties jaunu akumulatoru ik pēc 18 mēnešiem. Tomēr saskaņā ar A123 prognozēm tā akumulatoriem vajadzētu nodrošināt ikdienas uzlādi vairāk nekā 15 gadus. Papildus tam, ka A123 ir drošāki par citiem litija jonu akumulatoriem, tie darbojas arī zemākā temperatūrā, kas atvieglo simtiem to iesaiņošanu lielā akumulatoru komplektā, saka Grejs.

Ja A123 elektroinstrumentu akumulatori ir cilindriski, akumulators, kas tika izstrādāts Voltam, ir tukšs, lai ietaupītu vietu un efektīvāk izkliedētu siltumu. Šūnas ir saliktas pilnos akumulatoru komplektos, kas ir T formas un gandrīz divus metrus gari. Šopavasar akumulatori tiks pieskrūvēti transportlīdzekļu prototipos testēšanai uz ceļa. Un vēlāk šogad A123 plāno palielināt akumulatoru ražošanu, lai apmierinātu paredzamo pieprasījumu. Pirmās automašīnas, kuras darbina A123 tehnoloģija, varētu nobraukt no montāžas līnijām 2010. gadā. (GM testē arī cita uzņēmuma akumulatorus un var izmantot viena vai abu uzņēmumu akumulatorus.)

Ja Volts ir populārs, elektriskie automobiļi beidzot varētu sākt pacelties, un tas varētu samazināt siltumnīcefekta gāzu emisijas un naftas patēriņu. Nesenais Elektroenerģijas pētniecības institūta un Dabas resursu aizsardzības padomes pētījums liecina, ka GM automašīnām līdzīgi elektriskie transportlīdzekļi laika posmā no 2010. līdz 2050. gadam varētu novērst miljardiem tonnu siltumnīcefekta gāzu emisiju. General Electric pētījums liecina, ka puse transportlīdzekļu ceļi 2030. gadā ir elektriski darbināmi, naftas patēriņš ASV saruks par sešiem miljoniem barelu dienā.

Un akumulatoriem, piemēram, A123, var būt sekas, kas pārsniedz voltu. Pat automašīnas ar iekšdedzes dzinējiem tiek konstruētas tā, lai tās vairāk izmantotu elektrību: vienkāršākie piemēri ietver akumulatorus, kas tiek uzlādēti ar ģeneratoriem, kas ļautu automašīnai izslēgt dzinēju, kad tā tuvojas bremžu signālam, un atkal iedarbināt, kad vadītājs nospiež gāzes pedāli. . Parastos hibrīdos A123 akumulatoru versijas var nodrošināt tikpat daudz jaudas kā niķeļa-metāla hidrīda akumulatori ar vienu piekto daļu svara. Jaunie akumulatori varētu būt noderīgi arī spraudņa hibrīdiem, kurus var uzlādēt no standarta elektrības kontaktligzdas. Patiešām, A123 akumulatorus var izmantot Saturn Vue hibrīda SUV versijā, kas tiks izlaista 2010. gadā.

Neatkarīgi no to dizaina nākotnes automašīnas, visticamāk, daudz vairāk paļausies uz elektrību. Mēs vēl neesam tur, saka Čiangs. Visur nav voltu. Bet potenciālajam lielam iespaidam gan uz naftas piegādes jautājumu, gan siltumnīcefekta gāzēm — es nebiju iedomājies, ka mēs to spēsim. Noteikti ne tad, kad sāku strādāt ar akumulatoriem.

Kevins Bulliss ir BĒRNI Nanotehnoloģiju un materiālu zinātnes redaktors.

paslēpties