Elektrizující spuštění

Je to nejrychlejší elektrický motocykl na světě. Na populárním videu na YouTube černý dragster cyklus téměř zmizí v oblaku kouře, když řidič vyhoří a roztočí zadní kolo, aby se zahřál. Když kouř odchází, řidič se usadí na pozici a stiskne spínač a motorka se rozjede vpřed a zrychlí na 60 mil za hodinu za méně než sekundu. O sedm sekund později překonává hranici čtvrt míle rychlostí 168 mil za hodinu – dost rychle na to, aby konkurovala dragsterům na plynový pohon.

Boční náraz: Baterie navržená společností A123 Systems pro elektrické vozidlo GM Volt může přežít zdrcující bezpečnostní test. Náraz o vysoké rychlosti mohl způsobit přehřátí a vznícení jiných lithium-iontových baterií.

To, co pohání Killacycle, je nová lithium-iontová baterie vyvinutá společností A123 Systems, startupem ve Watertown, MA – jedné z mála společností pracujících na podobné technologii. Baterie této společnosti ukládají více než dvakrát více energie než nikl-metal hydridové baterie, typ používaný v dnešních hybridních automobilech, a zároveň poskytují rázy energie nezbytné pro vysoký výkon. Tato technologie, radikálně upravená verze lithium-iontových baterií používaných v přenosné elektronice, by mohla nastartovat dlouhotrvající trh s elektrickými vozidly, který dnes představuje nepatrný zlomek 1 procenta prodejů vozidel ve Spojených státech. Zejména baterie A123 vzbudily zájem General Motors, který je testuje jako způsob, jak pohánět Volt, elektromobil s benzinovým generátorem; Očekává se, že vozidlo půjde do sériové výroby již v roce 2010.

V minulosti automobilky obviňovaly slabé prodeje elektrických vozidel z jejich olověných nebo nikl-metal hydridových baterií, které byly tak těžké, že omezovaly dojezd vozidel, a tak objemné, že zabíraly zavazadlový prostor. Zatímco konvenční lithium-iontové baterie jsou mnohem lehčí a kompaktnější, nejsou pro elektrická vozidla nákladově efektivní. Je to částečně proto, že používají elektrody z oxidu lithného a kobaltnatého, které mohou být nestabilní: baterie na nich založené se po několika letech opotřebují a mohou vzplanout, pokud jsou propíchnuty, rozdrceny, přebity nebo přehřáty. Někteří výrobci automobilů se pokusili tyto problémy obejít, ale výsledky byly drahé.

Baterie A123 by mohly konečně učinit lithium-iontovou technologii praktickou pro automobilový průmysl. Místo oxidu kobaltu používají elektrodový materiál vyrobený z nanočástic fosforečnanu lithného a železa modifikovaného stopovými kovy. Je nepravděpodobné, že by se výsledné baterie vznítily, i když jsou při nehodě rozdrceny. Jsou také mnohem odolnější než běžné lithium-iontové baterie: A123 předpovídá, že vydrží déle, než je typická životnost automobilu.

Reportérův zápisník : Kevin Bullis

Díky příslibu baterie se A123 stal jedním z nejlépe financovaných technologických startupů v zemi, s investicemi rizikového kapitálu ve výši 148 milionů dolarů. S financováním A123 sleduje ambiciózní obchodní plán, který vyžaduje, aby udělala vše od zdokonalování materiálu po výrobu baterií a jejich prodej zákazníkům v automobilovém průmyslu a průmyslu elektrického nářadí.

Baterie A123 pro GM's Volt uchovávají dostatek energie na 40 mil jízdy, dost na pokrytí každodenního dojíždění. (Na delších cestách by se malý benzínový motor nastartoval, aby dobil baterii a prodloužil dojezd na více než 400 mil.) GM plánuje prodat vozidla za přibližně 30 000 až 35 000 USD; společnost si myslí, že za tuto cenu dokáže prodat stovky tisíc v prvních několika letech, a J. D. Power and Associates odhaduje, že GM prodá do roku 2014 téměř 300 000.

Multimédia

• Naučte se, jak fungují různé druhy hybridů pomocí tohoto interaktivního základu.

Na materiálech záleží
Začátkem roku 2001 vešel 26letý venezuelský podnikatel jménem Ric Fulop do kanceláře Yet-Ming Chianga, profesora materiálové vědy na MIT, bez jmenování. Prostě se objevil a zaklepal na dveře, vzpomíná Chiang. Fulop, který již založil tři společnosti podporované rizikovými podniky, chtěl pomoci se založením společnosti na výrobu baterií a věděl, že Chiang provádí výzkum baterií zahrnující nanotechnologie. Sám Chiang na konci 80. let spoluzaložil úspěšný startup, ale většinu času strávil výzkumem nanotechnologií a chemie pokročilé keramiky.

Na podzim Fulop a Chiang spolu s Bartem Rileym, inženýrem, kterého Chiang znal ze svého předchozího podniku, spoluzaložili A123 Systems. Plánem bylo komercializovat jednu z Chiangových radikálnějších myšlenek: materiály, které se po smíchání spontánně spojí a vytvoří funkční baterii. Tento proces sliboval znásobit kapacitu skladování energie a zároveň snížit výrobní náklady.

Chiangův velký nápad se ukázal být hitem u investorů. Do konce roku 2001 přineslo první kolo financování 8,3 milionu USD od různých firem rizikového kapitálu. Motorola a Qualcomm, které zaujala vyhlídka na lepší baterie pro přenosnou elektroniku, brzy přidaly 4 miliony dolarů. Ale rychle se ukázalo, že komerční samomontážní baterie byla roky daleko od reality. Technologie byla stále docela rudimentární, říká Chiang.

Na začátku roku 2002 však Chiang učinil překvapivý objev, který zcela změnil směřování společnosti. Začal pracovat s fosforečnanem lithno-železitým, který je netoxický, bezpečný a levný, na rozdíl od materiálů používaných v jiných lithium-iontových bateriích. Zdálo se však, že má několik vážných nedostatků. Uchovává méně energie než oxid lithný a kobaltnatý, materiál elektrod v konvenčních lithium-iontových bateriích, takže se zdál nevhodný pro použití v přenosné elektronice, kde je skladování energie prvořadé. Také se nabíjí a vybíjí pomalu, což vylučuje jeho použití ve vysoce výkonných aplikacích, jako jsou hybridní elektrická vozidla; ani u plně elektrických vozů, které využívají mnohem více bateriových článků než hybridy, tento materiál nedokázal dodat dostatek energie.

Chiang ji tedy začal upravovat přidáváním stopových množství kovů. Brzy materiál vybíjel energii relativně vysokou rychlostí. V polovině roku 2002 odletěl do Monterey v Kalifornii, aby na konferenci prezentoval své poznatky. Zatímco tam byl, postgraduální student zpět na MIT pokračoval v testech. V době, kdy měl Chiang promluvit, měl materiál čtyřikrát vyšší výkon, než jaký přišel oznámit. V tu chvíli jsme věděli, že máme něco speciálního, říká.

Nakonec by Chiang demonstroval, že materiál může dodávat výboje elektřiny 10krát rychlejší než ty, které se používají v konvenčních lithium-iontových bateriích. Po podrobném prostudování vysoce výkonného materiálu zjistil, že za svou sílu vděčí jak velikosti částic, které použil (méně než 100 nanometrů), tak přidání dalších kovů. Kombinace těchto faktorů, říká, způsobuje zásadní rozdíl ve způsobu, jakým se atomy, které tvoří materiál, přeskupují, když přijímají a uvolňují náboj.

Sbaleno: Bateriové články A123 (výše) byly integrovány do balíčku ve tvaru T navrženého německou firmou Continental.

Ve všech lithium-iontových bateriích se elektřina generuje, když se ionty lithia pohybují mezi dvěma elektrodami, zatímco elektrony procházejí vnějším obvodem. V Chiangových raných experimentech s fosforečnanem lithným a železem se části materiálu, které obsahovaly lithium, oddělily od těch, které ne, když se ionty lithia pohybovaly dovnitř a ven z elektrody. To změnilo krystalickou strukturu materiálu a jeho výkon se zhoršil. Chiang však zjistil, že když jsou částice fosforečnanu lithného a železnatého dostatečně malé – a elektroda byla upravena nebo dotována přidáním jiných kovů – krystalická struktura materiálu se mění mnohem méně. V důsledku toho se ionty lithia mohou pohybovat dovnitř a ven rychleji, aniž by došlo k degradaci materiálu. Celkově Chiang zjistil, že upravený materiál se nabíjí a vybíjí rychleji než běžný fosforečnan lithný a vydržel déle.

Přestože se nový materiál baterie zdál být výjimečný, Chiang si okamžitě uvědomil, že není ideální pro přenosnou elektroniku. Nezdálo se, že by existoval připravený trh pro lehké, kompaktní baterie, které by poskytovaly velké dávky energie. Hybridní vozidla, která se přirozeně hodí, se na trhu teprve začínala objevovat. To, co Chiang nevěděl, bylo, že velká společnost vyrábějící elektrické nářadí tiše pracovala na nové generaci akumulátorového nářadí a měla problém najít baterii, která by vyhovovala jejím potřebám.

Výkonný start
V roce 2003 se zástupci Black and Decker setkali s Fulopem a generálním ředitelem A123, Davem Vieauem, a řekli jim, že chtějí vyrobit bezdrátové elektrické nářadí, které bude fungovat lépe než nářadí zapojené do zdi. Materiál A123 vypadal perfektně. V krátkých dávkách může dodat více energie než domácí okruh. A měl i další vlastnosti, které by byly na stavbě atraktivní. Dalo by se rychle dobít (na 80 procent kapacity za 12 minut nebo méně) a na rozdíl od baterií vyrobených z oxidu lithného a kobaltnatého by mohl přežít drsné zacházení, aniž by se vznítil.

Taková byla alespoň teorie. Když se Fulop a Vieau poprvé setkali s Black and Decker, měli k dispozici pouze model bateriového článku, půl gramu materiálu a powerpointovou prezentaci. Black and Decker potřebovali společnost, která by mohla vyrábět miliony baterií. Velký důraz byl kladen na materiál, ale to, co jsme se museli naučit, bylo zkonstruovat celou buňku, říká Chiang.

Během jednoho roku od podepsání původní smlouvy s Black and Decker však A123 vyrobila komerčně použitelnou baterii. V listopadu 2005 sjížděly její první produkty z montážních linek v Asii. Za necelé tři roky přešla společnost od stavby demonstrační baterie o velikosti mince k výstavbě 50 metrů dlouhých lakovacích strojů a továren o rozloze 28 000 metrů čtverečních, které provozují stovky zaměstnanců. Do roku 2006 zákazníci kupovali její baterie v nové řadě profesionálního nářadí prodávaného společností Black and Decker. V krátké době společnost A123 vyráběla baterie rychlostí milionů ročně.

Německá konstrukce: Balíček ve tvaru T (výše) obsahuje bateriové články A123. GM testuje sadu za simulovaných jízdních podmínek, než ji přišroubuje do prototypu elektrického vozidla.

Nabíjení aut
Mezitím GM přehodnotilo svou technologickou strategii, protože Toyota začala dominovat obchodu s hybridními vozidly. Hybrid využívá baterii pouze část času a spoléhá se na benzinový motor pro většinu svého výkonu. GM se rozhodlo vyvinout vůz, který by svým zákazníkům umožnil zcela přestat používat benzín pro většinu každodenních jízd. K tomu ale potřebovala automobilka vysoce výkonnou a spolehlivou baterii. A k tomu se obrátil na A123.

GM věděl, že chce používat lithium-iontové baterie kvůli jejich skladovací kapacitě, říká Denise Gray, ředitelka systémů skladování energie GM. Ale také vědělo, že stávající technologie by nestačila. Přestože lithium-iontová baterie notebooku může přežít 500 úplných cyklů nabití a vybití, než její kapacita vymizí, žádný majitel auta nechce každých 18 měsíců kupovat novou baterii. Podle projekcí A123 by však jeho baterie měly být schopny poskytovat více než 15 let denního nabíjení. A kromě toho, že jsou bezpečnější než jiné lithium-iontové baterie, A123 fungují při nižší teplotě, což usnadňuje jejich zabalení do velké sady baterií, říká Gray.

Tam, kde jsou baterie elektrického nářadí A123 válcové, baterie vyvinutá pro Volt je plochá, aby šetřila místo a účinněji odváděla teplo. Články byly sestaveny do kompletních bateriových sad, které mají tvar T a jsou téměř dva metry dlouhé. Letos na jaře budou baterie zašroubovány do prototypů vozidel pro silniční testování. A později v tomto roce plánuje A123 zvýšit výrobu baterií, aby pokryla očekávanou poptávku. První vozy poháněné technologií A123 by mohly sjet z montážních linek v roce 2010. (GM také testuje baterie od jiné společnosti a může používat baterie od jedné nebo obou společností.)

Pokud bude Volt populární, elektromobily by mohly konečně začít startovat – a to by mohlo snížit emise skleníkových plynů a spotřebu ropy. Nedávná studie Electric Power Research Institute a Natural Resources Defense Council naznačuje, že elektrická vozidla podobná autům GM by mohla v letech 2010 až 2050 eliminovat miliardy tun emisí skleníkových plynů. Studie společnosti General Electric naznačuje, že pokud polovina vozidel na silnice v roce 2030 jsou na elektrický pohon, spotřeba ropy ve Spojených státech se sníží o šest milionů barelů denně.

A baterie jako A123 by mohly mít následky daleko za napětím. Dokonce i vozy se spalovacími motory jsou konstruovány tak, aby se více spoléhaly na elektřinu: nejjednodušší příklady zahrnují baterie dobíjené převařenými alternátory, které by vozu umožnily vypnout motor, když se přiblíží k semaforu, a znovu nastartovat, když řidič sešlápne plynový pedál. . V konvenčních hybridech mohou verze baterií A123 dodávat stejný výkon jako nikl-metal hydridové baterie při pětinové hmotnosti. Z nových baterií by mohly těžit i plug-in hybridy, které lze dobíjet z běžné elektrické zásuvky. Baterie A123 mohou být skutečně použity v plug-in verzi hybridního SUV Saturn Vue, které má vyjít v roce 2010.

Bez ohledu na jejich konstrukci budou budoucí auta pravděpodobně mnohem více spoléhat na elektřinu. Ještě tam nejsme, říká Chiang. Volty nejsou všude. Ale potenciál mít velký dopad, jak na problém dodávek ropy, tak na skleníkové plyny – nepředpokládal jsem, že bychom toho byli schopni. Určitě ne, když jsem začal pracovat na bateriích.

Kevin Bullis je DĚTI Editor nanotechnologií a věd o materiálech.

skrýt