Jauni litija-metāla akumulatori virzīs pāreju uz elektriskajām automašīnām

Jauna veida akumulators beidzot varētu padarīt elektromobiļus tikpat ērtus un lētus kā ar gāzi.

Rentgenstaru difraktometrs tiek izmantots, lai pārbaudītu akumulatora komponentus QuantumScape. Vainīgie ir Vintermeijers

autors

• Džeimsa templis arhīva lapa

2021. gada 24. februāris

• 
  Kāpēc tas ir svarīgi:

  Akumulatoru veiktspējas ierobežojumi ir kavējuši pāreju uz tīrākiem elektriskajiem automobiļiem un elektriskajām lidmašīnām.

• 
  Galvenie spēlētāji:

  • QuantumScape

  
  
  

  • Samsung Advanced Institute of Technology

  • Solid Power

  • 24 milj

  
  
  

• 
  Pieejamība:

  2025. gads

Neskatoties uz ažiotāžu un cerībām par elektriskajiem transportlīdzekļiem, tie joprojām veido tikai aptuveni 2% no jaunu automašīnu pārdošanas apjoma ASV un tikai nedaudz vairāk visā pasaulē.

Daudziem pircējiem tie vienkārši ir pārāk dārgi, to klāsts ir pārāk ierobežots, un to uzlāde nav tik ātra un ērta kā degvielas uzpildīšana pie sūkņa.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2021. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Visi šie ierobežojumi ir saistīti ar litija jonu akumulatoriem, kas darbina transportlīdzekļus. Tie ir dārgi, smagi, un tiem ātri beidzas sula. Vēl ļaunāk ir tas, ka akumulatori paļaujas uz šķidriem elektrolītiem, kas sadursmes laikā var uzliesmot.

Lai elektriskos automobiļus padarītu konkurētspējīgākus ar gāzi darbināmām automašīnām, būs nepieciešams revolucionārs akumulators, kas novērš šos trūkumus. Tā vismaz apgalvo Jagdeep Singh, QuantumScape izpilddirektors, Silīcija ielejas jaunuzņēmums, kurš apgalvo, ka ir attīstījies tikko. tāda tehnoloģija .

Uzņēmums apgalvo, ka tas tika darīts, atrisinot ķīmijas mīklu, kas pētniekus ir mulsinājusi gandrīz pusgadsimtu: kā izmantot litiju, kas ir vieglākais metāls periodiskajā tabulā, lai palielinātu enerģijas daudzumu, ko var iesaiņot akumulatorā, neizraisot problēmas. pastāvīgs ugunsgrēka risks vai kā citādi zaudēta veiktspēja. Uzņēmums saka, ka tas lielā mērā to panāca, izstrādājot uzliesmojošā šķidrā elektrolīta cieto versiju.

VW bija pietiekami pārsteigts, lai investētu simtiem miljonu dolāru QuantumScape. Vācijas autobūves gigants arī piekrita izveidot kopuzņēmumu ar uzņēmumu, lai masveidā ražotu akumulatorus, un saka, ka līdz 2025. gadam tie nonāks tā elektriskajos un kravas automobiļos.

Ātrāka uzlāde un lielāks darbības rādiuss

Parastajā litija jonu akumulatorā viens no diviem elektrodiem, anods, ir izgatavots galvenokārt no grafīta. Šis ir oglekļa veids, kas var viegli uzņemt un atbrīvot uzlādētos litija jonus, kas pārvietojas uz priekšu un atpakaļ starp anodu un katodu caur elektrolītu. Šī uzlādēto daļiņu plūsma rada elektrisko strāvu, kas izplūst no akumulatora, lai darbinātu visu, kam nepieciešama barošana. Taču grafīts ir tikai litija jonu saimnieks, kas atrodas starp oglekļa loksnēm, kas līdzinās plauktiem. Tas ir pašsvars, kas neuzglabā enerģiju un pats nerada strāvu.

Litija-metāla akumulatorā pats anods ir izgatavots no litija. Tas nozīmē, ka gandrīz katrs akumulatora anoda atoms var tikt izmantots, radot strāvu. Teorētiski litija-metāla anoda akumulators varētu uzglabāt par 50% vairāk enerģijas nekā akumulators ar tādu pašu svaru un tilpumu, kas balstījās uz grafītu.

Tomēr, tā kā litija metāls ir tik reaktīvs, pastāvīgs kontakts ar šķidru elektrolītu var izraisīt reakcijas, kas pasliktina akumulatoru vai izraisa tā aizdegšanos, saka Venkats Višvanatans, Kārnegija Melona asociētais profesors, kurš strādā ar litija metāla baterijām un ir konsultants uzņēmumam QuantumScape. Vēl viena problēma ir tāda, ka litija joniem plūstot uz priekšu un atpakaļ, baterijās var veidoties adatai līdzīgas struktūras, kas pazīstamas kā dendriti, kas rada īssavienojumu šūnā vai izraisa tās aizdegšanos.

QuantumScape prototipa šūnai ir parasti šķidrā elektrolīta cietā versija.

VINNIJS VINTEREJERS

QuantumScape, kas tika publiskots novembrī pēc tam, kad desmit gadus darbojās slepenā režīmā, joprojām aiztur dažas kritiskās detaļas par to, kā tās cietā elektrolīta akumulators pārvar šīs problēmas. Bet šķiet, ka tas darbojas ļoti labi.

Tiešsaistes prezentācijā decembrī starta uzņēmums rādīja vairākas diagrammas, kas parāda, ka viena slāņa laboratorijas akumulatora versiju var uzlādēt līdz vairāk nekā 80% no tā jaudas 15 minūtēs, tā darbojas simtiem tūkstošu jūdžu un darbojas. labi sasalšanas temperatūrā. Uzņēmums sagaida, ka akumulatori spēs palielināt elektrisko transportlīdzekļu darbības rādiusu par vairāk nekā 80%: automašīna, kas šodien ar vienu uzlādi var nobraukt 250 jūdzes, tā vietā varētu nobraukt 450 jūdzes.

QuantumScape ir mani atkal uzkāpis uz papēžiem, saka Nensija Dudnija, Oak Ridžas Nacionālās laboratorijas akumulatoru pētniece, kura ir veikusi novatorisku darbu cietvielu elektrolītu jomā. No pirmā acu uzmetiena tas izskatās patiešām labi, viņa saka, lai gan viņa piebilst: mēs esam bijuši šeit iepriekš ar citiem akumulatora uzlabojumiem.

Patiešām, akumulatoru joma ir pilna ar jaunuzņēmumu piemēriem, kas solīja revolucionāras tehnoloģijas, bet galu galā cieta neveiksmi. Un izaicinājumi, kas sagaida QuantumScape, ir biedējoši, jo īpaši, ja runa ir par tā prototipa šūnu pārveidošanu par komerciāliem produktiem, kurus var ražot lēti.

Ja uzņēmumam veiksies, tas varētu pārveidot EV tirgu. Izmaksu samazināšana, diapazona palielināšana un uzlādes padarīšana gandrīz tikpat ērta kā degvielas uzpildīšana degvielas uzpildes stacijā varētu paplašināt pieprasījumu, pārsniedzot cilvēkus, kuri var atļauties iztērēt tūkstošiem dolāru par uzlādes pieslēgvietām mājās, un mazināt raizes tiem, kuri baidās tikt iestrēguši. garāki braucieni.

Papildu enerģijas blīvums un ātrāka uzlāde varētu arī padarīt praktiskāku elektrificēt citus transporta veidus, tostarp tālsatiksmes kravu pārvadājumus un pat īsus lidojumus. (Kā bonuss, tas piegādās arī tālruņus un klēpjdatorus, kas ar vienu uzlādi varētu darboties pāris dienas.)

Akumulatora dzimšana

Stāsts par litija-metāla akumulatoriem aizsākās 1970. gadu sākumā un ir cieši saistīts ar litija jonu akumulatoru attīstību, no kuriem mēs esam atkarīgi šodien.

Laikmeta naftas krīzes kopā ar ļoti agrīnām bailēm no naftas maksimālās slodzes, pirmo reizi kopš autobūves sākuma pēkšņi radīja interesi par elektriskajiem transportlīdzekļiem. Līdz 1972. gadam American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW un citi strādāja pie elektriskajām automašīnām, kā grāmatā apraksta zinātnes rakstnieks Sets Flečers. Pudeļu apgaismojums . Tikmēr lielas rūpnieciskās laboratorijas, tostarp GE, Dow Chemical un Exxon laboratorijas, meklēja labāku akumulatoru ķīmiju.

Toreizējie akumulatori, kas pārsvarā bija svina skābes, nevarēja piegādāt ne tuvu gāzes dzinēju attālumam vai ātrumam. 1969. gadā General Motors eksperimentāls 512 elektroauto lepojas ar maksimālo ātrumu aptuveni 30 jūdzes stundā ar 47 jūdžu diapazonu.

Litija jonu akumulatorā litija joni pārvietojas uz priekšu un atpakaļ starp anodu un katodu, kad akumulators uzlādējas un izlādējas. QuantumScape akumulatorā joni pārvietojas caur separatoru un veido perfekti plakanu slāni starp to un elektrisko kontaktu, radot anodu, kad tas ir uzlādēts. Tam trūkst anoda tā noplicinātā stāvoklī.

1972. gadā Exxon pētniecības nodaļa nolīga jaunu ķīmiķi Stenu Vitingemu, pamatojoties uz viņa pēcdoktorantūras darbu Stenfordā. Konkrēti, viņš izstrādāja kristāliskus materiālus, kas ļāva joniem viegli ieplūst un izplūst. Uzņēmums Exxon Vitingems un viņa kolēģi sāka eksperimentēt ar daudzsološu porainu katoda materiālu: titāna disulfīdu. Viņi to savienoja pārī ar anodu, kas izgatavots no metāliska litija, ļoti reaģējoša materiāla, kas viegli atbrīvo savus elektronus. Tas darbojās pārsteidzoši labi.

Komanda pieteicās patentam 1973. gadā, publicēja orientieri papīrs zinātnē 1976. gadā un demonstrēja lielāku šūnu versiju auto izstādē 1977 .

Līdz 80. gadu sākumam naftas krīze bija pagājusi. Exxon jaunā vadība nolēma atteikties no jebkuras biznesa līnijas bez potenciāla kļūt par 100 miljonu ASV dolāru gada tirgu. Uzņēmums atteicās no saviem elektriskajiem transportlīdzekļiem un akumulatoriem. Viņi teica: 'Tās ir pārāk mazas, lai mēs tajās iesaistītos,' saka Vitingema.

Litija jonu pārņem

Litija-metāla akumulatori bija daudz pārāki par svina-skābes akumulatoriem, taču tiem bija arī raksturīgi trūkumi, ko Exxon komanda nekad nebija atrisinājusi, tostarp ieradums izraisīt ugunsgrēkus laboratorijā.

Citi, kas mēģināja komercializēt litija-metāla baterijas, saskārās ar līdzīgām problēmām. Astoņdesmitajos gados Moli Energy no Britu Kolumbijas izstrādāja 2,2 voltu litija metāla akumulatoru klēpjdatoriem un mobilajiem tālruņiem. Bet 1989. gadā japāņu mobilais tālrunis aizdegās, sadedzinot tā īpašnieku . Pēc tam, kad izmeklēšana vainoja akumulatoru, tika atsaukti tūkstošiem mobilo tālruņu, un uzņēmums nonāca maksātnespējas kārtībā, vēsta Kanādas Electric Autonomy.

Tikmēr citi balstījās uz Vitingemas darbu. Džons Gudenauns, tagad Teksasas Universitātes Ostinas profesors, izmantoja kobalta oksīdu, nevis titāna disulfīdu, lai izstrādātu katodu, kas varētu uzglabāt vairāk enerģijas. Akira Jošino, Meijo universitātes profesors, nomainīja tīro litija anodu pret koksu (citu oglekļa veidu), kas joprojām varēja uzglabāt daudz litija jonu, taču samazināja ugunsbīstamību. Visbeidzot, Sony pētnieki samontēja detaļas, lai 1992. gadā izstrādātu pirmās komerciālās litija jonu baterijas. Vitingema, Gudena un Jošino 201. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā 9 par lomu izrāvienā.

Litija jonu akumulatoru, kas tagad darbina mūsu klēpjdatorus, tālruņus un elektriskos transportlīdzekļus, panākumi apturēja centienus komercializēt litija-metāla tehnoloģiju turpmākajiem gadiem. Taču daži nekad nav pazaudējuši no redzesloka litija metāla potenciālu būt efektīvākam enerģijas uzglabāšanas veidam. Un standarta šķidro elektrolītu, kas ir efektīvi uzliesmojoši šķīdinātāji, aizstāšana ar cietiem materiāliem šķita īpaši daudzsološs izpētes ceļš.

Aptuveni 2000. gadā komanda Oak Ridge National Laboratory demonstrēja plānslāņa akumulatorus — tādus, ko izmanto mazās elektronikās, piemēram, viedkartēs un elektrokardiostimulatoros —, kas izmantoja cietvielu litija-metāla tehnoloģiju. Plānplēves akumulatoru ražošanas process un izmērs un forma pārsvarā ierobežo to izmantošanu, pārsniedzot to, kas ir lielāks par pulksteni, saka Pols Albertuss, akumulatoru eksperts no Merilendas universitātes. Taču šis darbs sniedza būtisku pierādījumu par strādājoša litija-metāla akumulatora koncepciju.

Ceļu nogalināšana

2000. gadu beigās dažādi jaunizveidotie uzņēmumi bija atsākuši šīs tehnoloģijas izmantošanu. Bet tas ir izrādījies nodevīgs ceļš.

Daži jau ir slēgti. 2007. gadā izveidoto uzņēmumu Seeo iegādājās Vācijas uzņēmums Bosch, kas vēlāk izformēja savus akumulatoru izpētes centienus. Francijā bāzētais Bolloré bija pirmais, kas transportlīdzekļos uz ceļiem ievietoja cietvielu litija-metāla akumulatorus, 2011. gadā uzsākot Bluecar automašīnu koplietošanas programmas. Taču tā polimēru elektrolīti darbojas tikai augstākā temperatūrā, ierobežojot to izmantošanu patēriņa transportlīdzekļos. .

QuantumScape akumulatoru katodi ir izgatavoti uz šīs ražošanas līnijas.

VINNIJS VINTEREJERS

Tomēr daži citi uzņēmumi ir guvuši jaunākus panākumus. Vissvarīgākais ir tas, ka divas dienas pēc QuantumScape prezentācijas pagājušā gada decembrī, 2012. gadā dibinātais Kolorādo jaunuzņēmums Solid Power paziņoja, ka tas jau ražo 22 slāņu litija-metāla elementu izmēģinājuma partijas, kas pārspētu mūsdienu elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru klāstu. .

Janvārī Enerģētikas departamenta ARPA-E nodaļa paziņoja, ka ieguldīs 9 miljonus ASV dolāru akumulatoru kompānijas 24M un Kārnegija Melona kompānijas Viswanathan centienos izstrādāt litija-metāla akumulatorus, kas paredzēti elektriskajām lidmašīnām, kur uzkrātā enerģija un piegādātā jauda uz kilogramu ir. izšķiroša nozīme.

QuantumScape palaišana

Jebkura uzņēmuma, kas izstrādā litija-metāla baterijas, triks ir bijis precīzi noteikt elektrolīta materiālus, kas novērš ugunsgrēkus un dendritus, vienlaikus ļaujot joniem viegli iziet cauri un citādi nepasliktinot akumulatora veiktspēju. Un tieši to QuantumScape apgalvo, ka ir izdarījis.

Saistīts stāsts

Šis īpaši enerģijas blīvais akumulators varētu gandrīz dubultot elektrisko transportlīdzekļu diapazonu Taču daži novērotāji nav pārliecināti, ka QuantumScape litija-metāla akumulatori darbinās automašīnas un kravas automašīnas uz ceļa, tiklīdz uzņēmums apgalvo.

Uzņēmuma pirmsākumi meklējami 2009. gadā. Kad Sings gatavojās atkāpties no viņa līdzdibinātā tīkla uzņēmuma Infinera izpilddirektora amata, viņš sāka runāt ar Stenfordas pēcdoktorantūras biedru Timu Holmi un viņa padomnieku Frīdrihu Princu par uzņēmuma izveidi, pamatojoties uz viņu pētījumi par jauniem akumulatoru materiāliem.

Nākamajā gadā trijotne nodibināja QuantumScape, lai izstrādātu enerģijas blīvas baterijas ar lielu jaudu. Viņi vispirms mēģināja to izdarīt, izveidojot pilnīgi jauna veida akumulatoru, kas pazīstams kā visu elektronu akumulators, taču atklāja, ka tas būs grūtāk, nekā sākotnēji šķita.

Līdz tam brīdim uzņēmums bija piesaistījis desmitiem miljonu dolāru no riska kapitāla uzņēmumiem, piemēram, Kleiner Perkins un Khosla Ventures. Tādējādi QuantumScape palika pietiekami daudz naudas, lai klusi mainītu virzienu, īstenojot sapni par litija-metāla tehnoloģiju.

Uzņēmums nākamos piecus gadus pavadīja, meklējot pareizo materiālu cietvielu elektrolīta izstrādei, saka Sings. Pēc tam tas pavadīja vēl piecus, izstrādājot pareizo sastāvu un ražošanas procesu, lai novērstu defektus un dendritus. Viss, ko uzņēmums teiks par savu elektrolītu, ir tas, ka tā ir keramika.

Vai esam jau klāt?

Visi QuantumScape līdz šim publicētie testi tika veikti ar viena slāņa šūnām. (Pēc šī gabala nodošanas presē uzņēmums paziņoja, ka ir ražojis un veicis četrslāņu elementu testus, kas sasnieguši līdzīgus rezultātus.) Lai strādātu ar automašīnām, uzņēmumam būs jāražo akumulatori, kas pildīti ar vairāki desmiti slāņu , efektīvi pārejot no vienas spēles kārts uz klāju. Un tai joprojām būs jāatrod veids, kā ražot šīs šūnas pietiekami lēti, lai konkurētu ar litija jonu, akumulatoru tehnoloģiju, kas dominēja gadu desmitiem.

Tas ir biedējošs inženierijas uzdevums. Viņi ir daļēji tur — pēc 10 gadiem, 300 miljoniem dolāru un 150 cilvēkiem, kas pie tā strādāja, viņiem tagad ir šī mazā spēļu kārts, saka Albertuss no Merilendas universitātes. Tas vēl ir tālu no akumulatoru piegādes tūkstošiem metrisko tonnu mērogā, un tas ir patiešām grūts izaicinājums. Vairāki akumulatoru pētnieki man teica, ka viņi nopietni apšauba, ka QuantumScape var palielināt mērogu un laikus pabeigt pilnīgus drošības testus, lai tikai pēc četriem gadiem ievietotu akumulatorus automašīnās.

Ņemot vērā uzņēmuma rezultātus un iepriecinošos paziņojumus no citiem jaunizveidotiem uzņēmumiem, lielākā daļa cilvēku akumulatoru pasaulē uzskata, ka ir lielāka iespēja, ka problēmas, kas gadu desmitiem ir kavējušas litija metālu, var tikt atrisinātas, tāpēc tas ir iekļauts MIT Technology Review sarakstā. revolucionāras tehnoloģijas šogad. Taču ir arī skaidrs, ka visam progresam, kas panākts kopš Vitingemas darba laika Exxon, priekšā vēl ir gadu ilgs darbs.

Atjauninājums: šis stāsts tika atjaunināts, lai labotu kļūdu par to, cik daudz papildu enerģijas teorētiski var uzglabāt litija-metāla akumulators.

2021. gads

10 izrāvienu tehnoloģijas