Nové lithium-kovové baterie povedou k přechodu na elektromobily

Nový typ baterie by konečně mohl udělat elektromobily stejně pohodlné a levné jako ty na plyn.

Ke kontrole součástí baterie v QuantumScape se používá rentgenový difraktometr. Viní jsou Wintermeyer

podle

• James Temple archivní stránka

24. února 2021

• 
  Proč na tom záleží:

  Omezení výkonu baterií brzdí přechod na čistší elektromobily a téměř vylučují elektrická letadla.

• 
  Klíčoví hráči:

  • QuantumScape

  
  
  

  • Samsung Advanced Institute of Technology

  • Solid Power

  • 24M

  
  
  

• 
  Dostupnost:

  2025

Přes všechen ten humbuk a naděje kolem elektrických vozidel stále tvoří jen asi 2 % prodejů nových aut v USA a jen o něco více globálně.

Pro mnoho kupujících jsou prostě příliš drahé, jejich dojezd je příliš omezený a jejich nabíjení není zdaleka tak rychlé a pohodlné jako tankování u pumpy.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z března 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Všechna tato omezení mají co do činění s lithium-iontovými bateriemi, které pohánějí vozidla. Jsou drahé, těžké a rychle jim dojde šťáva. Aby toho nebylo málo, baterie se spoléhají na tekuté elektrolyty, které mohou při kolizi vzplanout.

Aby byly elektromobily konkurenceschopnější vůči těm na plyn, bude vyžadovat průlomovou baterii, která tyto nedostatky napraví. To je alespoň argument Jagdeepa Singha, generálního ředitele QuantumScape, startupu ze Silicon Valley, který tvrdí, že vyvinul právě takovou technologii .

Společnost tvrdí, že tak učinila vyřešením chemického rébusu, který omráčil výzkumníky již téměř půl století: jak využít lithium, nejlehčí kov v periodické tabulce, ke zvýšení množství energie, které lze vložit do baterie, aniž by bylo nutné předstírat běžné riziko požáru nebo jinak obětování výkonu. Společnost říká, že toho dosáhla z velké části vývojem pevné verze hořlavého kapalného elektrolytu.

VW byl ohromen natolik, že investoval stovky milionů dolarů do QuantumScape. Německý automobilový gigant také souhlasil se založením společného podniku se společností na sériovou výrobu baterií a říká, že budou v jeho elektrických autech a kamionech na silnicích do roku 2025.

Rychlejší nabíjení a delší dojezd

V běžné lithium-iontové baterii je jedna ze dvou elektrod, anoda, vyrobena převážně z grafitu. Jedná se o formu uhlíku, která může snadno absorbovat a uvolňovat nabité ionty lithia, které se pohybují tam a zpět mezi anodou a katodou přes elektrolyt. Tento proud nabitých částic vytváří elektrický proud, který vytéká z baterie, aby napájel vše, co potřebuje napájení. Ale grafit je pouze hostitelem iontů lithia, které se uhnízdí mezi listy uhlíku jako balíčky na policích. Je to mrtvá váha, která neukládá energii ani sama nevytváří proud.

U lithium-kovové baterie je samotná anoda vyrobena z lithia. To znamená, že téměř každý atom v anodě baterie může také pracovat a vytvářet proud. Teoreticky by baterie na bázi lithium-kovové anody mohla uložit o 50 % více energie než baterie stejné hmotnosti a objemu, která spoléhala na grafit.

Protože je však kov lithia tak reaktivní, neustálý kontakt s tekutým elektrolytem může vyvolat reakce, které degradují baterii nebo způsobí její vzplanutí, říká Venkat Viswanathan, docent na Carnegie Mellon, který pracuje na lithiových bateriích a je konzultant pro QuantumScape. Dalším problémem je, že jak ionty lithia proudí tam a zpět, mohou se v bateriích tvořit jehlovité struktury známé jako dendrity a zkratovat článek nebo způsobit jeho vznícení.

Prototyp článku QuantumScape obsahuje pevnou verzi obvykle kapalného elektrolytu.

WINNI WINTERMEYER

QuantumScape, který vstoupil na veřejnost v listopadu poté, co fungoval deset let v utajeném režimu, stále zadržuje některé kritické podrobnosti o tom, jak jeho baterie s pevným elektrolytem překonává tyto problémy. Ale zdá se, že funguje pozoruhodně dobře.

V prosincové online prezentaci startup ukázal řadu grafů, které ukazují, že jednovrstvou laboratorní verzi baterie lze nabít na více než 80 % své kapacity za 15 minut, vydrží stovky tisíc kilometrů a funguje. v pohodě při teplotách pod bodem mrazu. Společnost očekává, že baterie budou schopny zvýšit dojezd elektrických vozidel o více než 80 %: auto, které dnes dokáže ujet 250 mil na jedno nabití, by místo toho mohlo ujet 450 mil.

QuantumScape mě postavil zpět na paty, říká Nancy Dudneyová, výzkumnice baterií v Oak Ridge National Laboratory, která provedla průkopnickou práci na elektrolytech v pevné fázi. Na první pohled to vypadá opravdu dobře, říká, i když dodává: Už jsme tu byli s jinými pokroky v oblasti baterie.

Pole baterií je skutečně poseto příklady startupů, které slibovaly průlomové technologie, ale nakonec selhaly. A výzvy před QuantumScape jsou skličující, zejména pokud jde o přeměnu prototypových článků na komerční produkty, které lze vyrábět levně.

Pokud by společnost uspěla, mohla by transformovat trh EV. Snížení nákladů, zvýšení dojezdu a nabíjení téměř stejně pohodlné jako tankování na čerpací stanici by mohlo rozšířit poptávku nad rámec lidí, kteří si mohou dovolit utratit tisíce dolarů za nabíjení portů doma, a zmírnit obavy těch, kteří se obávají, že uvíznou na delší výlety.

Přidaná energetická hustota a rychlejší nabíjení by také mohly učinit praktičtější elektrifikaci jiných forem dopravy, včetně kamionové dopravy na dlouhé vzdálenosti a dokonce i letů na krátké vzdálenosti. (Jako bonus by to také poskytlo telefony a notebooky, které by mohly vydržet několik dní na jedno nabití.)

Zrození baterie

Příběh lithium-metalových baterií začal počátkem 70. let a je úzce spjat s vývojem lithium-iontových, na kterých jsme dnes závislí.

Ropné krize éry, spojené s tím, co se ukázalo jako velmi brzké obavy z ropného vrcholu, náhle znovu vzbudily zájem o elektrická vozidla, poprvé od počátků automobilového průmyslu. V roce 1972 pracovaly American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW a další na elektrických autech, jak popisuje vědecký spisovatel Seth Fletcher v knize. Osvětlení v lahvích . Mezitím velké průmyslové laboratoře, včetně laboratoří GE, Dow Chemical a Exxon, hledaly lepší chemické složení baterií.

Tehdejší baterie, které byly většinou olověné, nedokázaly doručit na vzdálenost nebo rychlost plynových motorů. V roce 1969 General Motors experimentální elektromobil 512 se pyšnil maximální rychlostí asi 30 mil za hodinu s dojezdem 47 mil.

V lithium-iontové baterii se lithium-ionty pohybují tam a zpět mezi anodou a katodou, jak se baterie nabíjí a vybíjí. V baterii QuantumScape procházejí ionty separátorem a tvoří dokonale plochou vrstvu mezi ním a elektrickým kontaktem, čímž se po nabití vytvoří anoda. Ve vybitém stavu mu chybí anoda.

V roce 1972 výzkumná divize společnosti Exxon najala mladého chemika jménem Stan Whittingham na základě jeho postdoktorandské práce na Stanfordu. Konkrétně vyvíjel krystalické materiály, které umožňovaly iontům snadno proudit dovnitř a ven. V Exxonu začali Whittingham a jeho kolegové experimentovat se slibným porézním materiálem pro katodu: disulfidem titanu. Spárovali to s anodou vyrobenou z kovového lithia, vysoce reaktivního materiálu, který snadno uvolňuje své elektrony. Fungovalo to překvapivě dobře.

Tým požádal o patent v roce 1973, zveřejnil mezník papír ve vědě v roce 1976 a předvedl větší verzi buněk na autosalonu v roce 1977 .

Na začátku 80. let ropná krize pominula. Nové vedení společnosti Exxon se rozhodlo zbavit se jakékoli obchodní linie bez potenciálu stát se ročním trhem s hodnotou 100 milionů dolarů. Společnost upustila od svých elektrických vozidel a baterií. Řekli: ‚To jsou příliš malé na to, abychom se do nich zapojili,‘ říká Whittingham.

Lithium-iont přebírá

Lithium-kovové baterie byly mnohem lepší než olověné baterie, ale měly také vlastní nevýhody, které tým Exxon nikdy nevyřešil, včetně jejich zvyku zapalovat požáry v laboratoři.

Jiní, kteří se pokoušeli komercializovat lithium-kovové baterie, narazili na podobné problémy. V 80. letech vyvinula společnost Moli Energy z Britské Kolumbie 2,2voltovou lithium-kovovou baterii pro notebooky a mobilní telefony. Ale v roce 1989 vzplál japonský mobilní telefon, upálení jeho majitele . Poté, co vyšetřování přiřadilo vinu na baterii, byly staženy tisíce mobilních telefonů a společnost se dostala do nucené správy, uvádí Electric Autonomy Canada.

Mezitím jiní stavěli na Whittinghamově práci. John Goodenough, nyní profesor na Texaské univerzitě v Austinu, použil oxid kobaltu spíše než disulfid titanu k vývoji katody, která by mohla uchovat více energie. Akira Yoshino, profesor na univerzitě Meijo, vyměnil anodu z čistého lithia za koks (jinou formu uhlíku), který stále dokáže uchovat velké množství iontů lithia, ale snižuje nebezpečí požáru. Nakonec výzkumníci ze Sony sestavili díly a vyvinuli první komerční lithium-iontové baterie v roce 1992. Whittingham, Goodenough a Yoshino sdílel Nobelovu cenu za chemii v roce 201 9 za jejich role v průlomu.

Neuvěřitelný úspěch lithium-iontových baterií, které nyní pohánějí naše notebooky, telefony a elektrická vozidla, zmařil úsilí o komercializaci lithium-metalové technologie na nadcházející roky. Někteří však nikdy neztratili ze zřetele potenciál lithium-kovu být účinnější formou skladování energie. A nahrazení standardních kapalných elektrolytů, což jsou účinně hořlavá rozpouštědla, pevnými materiály se zdálo být obzvláště slibnou cestou průzkumu.

Kolem roku 2000 tým z Oak Ridge National Laboratory demonstroval tenkovrstvé baterie – takové, jaké se používají v malé elektronice, jako jsou čipové karty a kardiostimulátory –, které využívají technologii lithium-metal v pevné fázi. Výrobní proces a velikost a tvar tenkovrstvých baterií většinou omezují jejich použití nad rámec čehokoli většího než hodinky, říká Paul Albertus, odborník na baterie z University of Maryland. Ale práce poskytla zásadní důkaz koncepce funkční lithium-kovové baterie.

Silniční zabití

Koncem roku 2000 začaly různé startupy znovu prosazovat technologii. Ale ukázalo se, že je to zrádná cesta.

Některé už byly uzavřeny. Společnost Seeo, která vznikla v roce 2007, koupila německá společnost Bosch, která později své snahy o výzkum baterií rozpustila. Francouzská společnost Bolloré byla první, kdo nasadil lithium-kovové baterie v pevné fázi do vozidel na silnicích a v roce 2011 zahájil své programy sdílení automobilů Bluecar. Ale její elektrolyty na bázi polymerů fungují pouze při vyšších teplotách, což omezuje jejich použití ve spotřebitelských vozidlech. .

Katody pro baterie QuantumScape jsou vyráběny na této výrobní lince.

WINNI WINTERMEYER

Hrstka dalších společností však učinila novější pokroky. Nejpozoruhodnější je, že dva dny po představení QuantumScape loni v prosinci oznámila společnost Solid Power, startup z Colorada, založený v roce 2012, že již vyrábí pilotní série 22vrstvých lithium-metalových článků, které by předčily rozsah dnešních baterií pro elektrická vozidla. .

A v lednu divize ARPA-E ministerstva energetiky oznámila, že investuje 9 milionů dolarů do úsilí společnosti 24M a Viswanathan společnosti Carnegie Mellon vyvinout lithium-kovové baterie určené pro elektrická letadla, kde je uložená energie a dodaná energie na kilogram. rozhodující.

Spuštění QuantumScape

Trik pro každou společnost vyvíjející lithium-metalové baterie spočíval ve vytipování materiálů elektrolytu, které zabraňují požáru a dendritů, přičemž stále umožňují iontům snadno procházet, aniž by jinak zhoršovaly výkon baterie. A to je přesně to, co QuantumScape tvrdí, že to udělal.

Související příběh

Tato super energeticky hustá baterie by mohla téměř zdvojnásobit dojezd elektrických vozidel Někteří pozorovatelé však nejsou přesvědčeni, že lithium-kovové baterie QuantumScape budou pohánět auta a nákladní auta na silnici, jakmile společnost tvrdí.

Počátky společnosti sahají do roku 2009. Když se Singh připravoval na odchod z funkce generálního ředitele Infinera, síťové společnosti, kterou spoluzaložil, začal mluvit s postdoktorandem ze Stanfordu Timem Holmem a jeho poradcem Friedrichem Prinzem o vytvoření společnosti založené na jejich výzkum nových materiálů baterií.

Toto trio spoluzaložilo QuantumScape v následujícím roce s cílem vyvinout energeticky husté baterie s vysokým výkonem. Nejprve se o to pokusili vytvořením zcela nového typu baterie, známého jako celoelektronová baterie, ale zjistili, že to bude těžší, než se zpočátku zdálo.

Do té doby společnost získala desítky milionů dolarů od firem rizikového kapitálu jako Kleiner Perkins a Khosla Ventures. QuantumScape tak zbylo dost peněz na to, aby tiše měnilo směr a sledovalo sen o technologii lithium-metal.

Společnost strávila dalších pět let hledáním správného materiálu pro vývoj pevného elektrolytu, říká Singh. Poté strávil dalších pět vypracováním správného složení a výrobního procesu, aby se zabránilo defektům a dendritů. Vše, co společnost řekne o svém elektrolytu, je, že je to keramika.

už jsme tam?

Všechny dosud publikované testy QuantumScape byly provedeny na jednovrstvých buňkách. (Poté, co se tento kus dostal do tisku, společnost oznámila, že vyrobila a provedla testy na 4-vrstvých článcích, které dosáhly podobných výsledků.) Pro práci v autech bude společnost muset vyrábět baterie plné několik desítek vrstev , efektivně se přesunout z jedné hrací karty do balíčku. A stále bude muset najít způsob, jak vyrobit tyto články dostatečně levně, aby konkurovaly lithium-iontové technologii baterií, která dominuje po celá desetiletí.

Je to náročný inženýrský úkol. Jsou na cestě – po 10 letech a 300 milionech dolarů a 150 lidech, kteří na tom pracují, mají nyní tuto malou hrací kartu, říká Albertus z University of Maryland. To je ještě daleko od dodání baterií v měřítku tisíců metrických tun – a je to opravdu těžká výzva. Několik výzkumníků baterií mi řeklo, že vážně pochybují o tom, že QuantumScape dokáže škálovat a dokončit úplné bezpečnostní testy včas, aby mohly být baterie v autech na silnici za pouhé čtyři roky.

Vzhledem k výsledkům společnosti a povzbudivým oznámením od jiných startupů si většina lidí ve světě baterií myslí, že je pravděpodobnější, že problémy, které držely lithium-metal po celá desetiletí, lze vyřešit – a proto je na seznamu MIT Technology Review. přelomové technologie v tomto roce. Ale je také jasné, že přes všechen pokrok, kterého bylo dosaženo od Whittinghamova působení v Exxonu, jsou před námi ještě roky práce.

Aktualizace: Tento příběh byl aktualizován, aby opravila chybu týkající se toho, kolik dodatečné energie může lithium-kovová baterie teoreticky uložit.

2021

10 Průlomové technologie