211service.com
Tato super energeticky hustá baterie by mohla téměř zdvojnásobit dojezd elektrických vozidel
Jednovrstvý, solid-state lithium-kovový bateriový článek QuantumScape. S laskavým svolením: QuantumScape
Vědci již dlouho viděli lithium-metalové baterie jako ideální technologii pro skladování energie, využívající nejlehčí kov v periodické tabulce k dodání článků nabitých energií.
Ale výzkumníci a společnosti se po desetiletí pokoušeli a selhali ve výrobě cenově dostupných dobíjecích verzí, které neměly ošklivý zvyk hořet.
Začátkem tohoto roku Jagdeep Singh, výkonný ředitel QuantumScape, tvrdil v rozhovoru pro The Mobilist že těžce financovaná tajná společnost ze Silicon Valley překonala klíčové technické výzvy. Dodal, že VW očekává, že bude mít baterie ve svých autech a kamionech do roku 2025, čímž slíbil, že sníží náklady a zvýší dojezd svých elektrických vozidel.
Po uvedení na burzu v listopadu má nyní QuantumScape hodnotu kolem 20 miliard USD, přestože dosud nemá žádný produkt ani příjmy (a neočekává se, že to bude až do roku 2024 ). VW do společnosti investoval více než 300 milionů dolarů a vytvořil společný podnik s QuantumScape na výrobu baterií. Společnost také získala stovky milionů od dalších velkých investorů.
Přesto až dosud Singh prozradil jen málo podrobností o baterii, což přimělo výzkumníky, soupeře a novináře, aby prohledali patentová přihlášky, investorské dokumenty a další zdroje, aby našli vodítka k tomu, čeho přesně společnost dosáhla – a jak.
V tiskovém oznámení v úterý 8. prosince QuantumScape konečně poskytlo technické výsledky z laboratorních testů. Jeho technologie je částečně polovodičová baterie, což znamená, že používá pevný elektrolyt namísto kapaliny, na kterou se většina baterií spoléhá, aby podpořila pohyb nabitých atomů zařízením.
Řada výzkumných pracovníků a společností zkoumá polovodičové technologie pro různé chemické složení baterií, protože tento přístup má potenciál zlepšit bezpečnost a hustotu energie, ačkoli vývoj praktické verze se ukázal jako obtížný.
Společnost se sídlem v San Jose v Kalifornii stále zatajuje určité podrobnosti o své baterii, včetně některých klíčových materiálů a procesů, které používá, aby fungovala. A někteří odborníci zůstávají skeptičtí že QuantumScape se skutečně vypořádal se složitými technickými výzvami, které by umožnily použití lithium-kovových baterií v užitkových vozidlech v příštích pěti letech.
Výsledky testů
V rozhovoru pro MIT Technology Review Singh říká, že společnost prokázala, že její baterie účinně uspokojí pět klíčových potřeb spotřebitelů, které dosud bránily elektromobilům překonat. 2 % prodeje nových aut v USA : nižší náklady, větší dojezd, kratší doba nabíjení, delší celková životnost na silnici a vyšší bezpečnost.
Jakákoli baterie, která splní tyto požadavky, může skutečně otevřít 98 % trhu způsobem, který dnes nemůžete udělat, říká.
Jagdeep Singh, generální ředitel společnosti QuantumScape
Výkonnostní výsledky QuantumScape jsou skutečně pozoruhodné.
Baterie se dokážou nabít na 80 % kapacity za méně než 15 minut. (MotorTrend nalezeno že nabíječ V3 Supercharger od Tesly loni v testu zrychlil model 3 z 5 % na 90 % za 37 minut.) A udrží si více než 80 % své kapacity po 800 nabíjecích cyklech, což je hrubý ekvivalent ujetí 240 000 mil. Ve skutečnosti baterie vykazuje malou degradaci, i když je vystavena agresivním cyklům nabíjení a vybíjení.
Nakonec společnost říká, že baterie je navržena tak, aby dosahovala dojezdů, které by mohly překročit dosahy elektrických vozidel se standardními lithium-iontovými bateriemi o více než 80 % – ačkoli to ještě nebylo přímo testováno.
Údaje z QuantumScape jsou docela působivé, říká Paul Albertus, odborný asistent chemického a biomolekulárního inženýrství na University of Maryland a dříve programový ředitel programu IONICS zaměřeného na pevné látky ARPA-E, který nemá žádné přidružení ani finanční vztah s společnost.
Společnost zašla mnohem dále než jiné věci, které jsem viděl u lithium-metalových baterií, dodává: Uběhli maraton, zatímco všichni ostatní zaběhli 5K.
Jak to funguje
Jak toho všeho tedy dosáhli?
Ve standardní lithium-iontové baterii v dnešním elektromobilu je jedna ze dvou elektrod (anoda) většinou vyrobena z grafitu, který snadno ukládá ionty lithia, které se přes baterii pohybují tam a zpět. V lithium-kovové baterii je tato anoda vyrobena ze samotného lithia. To znamená, že téměř každý elektron může být uveden do činnosti a ukládat energii, což je to, co odpovídá za větší potenciál hustoty energie.
Ale přináší to několik velkých výzev. První je, že kov je vysoce reaktivní, takže pokud se dostane do kontaktu s kapalinou, včetně elektrolytu, který podporuje pohyb těchto iontů ve většině baterií, může spustit vedlejší reakce, které baterii znehodnotí nebo způsobí její vznícení. Druhým je to, že proud iontů lithia může tvořit jehlicovité útvary známé jako dendrity, které mohou prorazit separátor uprostřed baterie a zkratovat článek.
V průběhu let tyto problémy vedly výzkumníky k pokusu vyvinout elektrolyty v pevném stavu, které nereagují s kovem lithia, pomocí keramiky, polymerů a dalších materiálů.
Jednou z klíčových inovací QuantumScape byl vývoj keramického elektrolytu v pevné fázi, který také slouží jako separátor. Tloušťka pouhých několika desítek mikrometrů potlačuje tvorbu dendritů a zároveň umožňuje iontům lithia snadno procházet tam a zpět. (Elektrolyt na druhém konci baterie, na katodové straně, je gel určité formy, takže se nejedná o plně polovodičovou baterii.)
Singh odmítá specifikovat materiál, který používají, s tím, že je to jedno z jejich nejpřísněji střežených obchodních tajemství. (Nějaký odborníci na baterie mají podezření , na základě patentových přihlášek, že je to oxid známý jako LLZO.) Nalezení trvalo pět let; vývoj správného složení a výrobního procesu k prevenci defektů a dendritů trvalo dalších pět.
Společnost věří, že přechod na polovodičovou technologii učiní baterie bezpečnějšími než lithium-iontová řada na současném trhu, která ještě občas zahoří sami za extrémních okolností.
Dalším velkým pokrokem je, že baterie je vyráběna bez výrazné anody. (Viz QuantumScape's video zde abyste získali lepší představu o jeho bezanodovém designu.)
Jak se baterie nabíjí, lithiové ionty na katodové straně procházejí separátorem a tvoří dokonale plochou vrstvu mezi ním a elektrickým kontaktem na konci baterie. Téměř všechno lithium se pak během vybíjecího cyklu vrací na katodu. To eliminuje potřebu jakéhokoli materiálu hostitelské anody, který přímo nepřispívá k ukládání energie nebo přenášení proudu, což dále snižuje potřebnou hmotnost a objem. Také by to mělo snížit výrobní náklady, říká společnost.
Zbývající rizika
Má to však háček: výsledky QuantumScape pocházejí z laboratorních testů provedených na jednovrstvých buňkách. Skutečná automobilová baterie by musela mít desítky vrstev, které by všechny spolupracovaly. Dostat se z pilotní linky ke komerční výrobě je významnou výzvou v oblasti skladování energie a bodem, ve kterém spousta kdysi slibných bateriových startupů selhala.
Albertus poznamenává, že existuje bohatá historie předčasných tvrzení o průlomových objevech baterií, takže jakékoli nové se setkávají se skepticismem. Rád by viděl, jak QuantumScape podrobuje buňky společnosti nezávislým testům, které provádějí národní laboratoře, za standardizovaných podmínek.
Jiní průmysloví pozorovatelé vyjádřili pochybnosti o tom, že by společnost mohla do roku 2025 dosáhnout škálovatelných a bezpečnostních testů potřebných k nasazení baterií do vozidel na silnicích, pokud společnost dosud přísně testovala pouze jednovrstvé články.
Sila Nanotechnologies, konkurenční bateriový startup vyvíjející se jiný druh energeticky hustých anodových materiálů pro lithium-iontové baterie, uvolněno a bílý papír den před příběhem Mobilist, který zdůrazňuje řadu technických výzev pro polovodičové lithium-kovové baterie. Poznamenává, že mnohé z teoretických výhod lithium-metalu se zužují, protože společnosti pracují na komerčních bateriích, vzhledem ke všem dodatečným opatřením potřebným k jejich fungování.
Dokument však zdůrazňuje, že nejtěžší částí bude čelit výzvě trhu: soutěžit s již zavedenou masivní globální infrastrukturou pro zdroje, výrobu, přepravu a instalaci lithium-iontových baterií.
Masivní sázky
Jiní pozorovatelé však říkají, že nedávný pokrok v této oblasti naznačuje, že lithium-kovové baterie výrazně překonají energetickou hustotu lithium-iontové technologie a že problémy, které pole drží, lze vyřešit.
Bývalo to, zda budeme mít lithium-kovové baterie; teď je otázkou, kdy je budeme mít, říká Venkat Viswanathan, docent na Carnegie Mellon, který zkoumal lithium-metalové baterie (a dělal konzultační práci pro QuantumScape).
Singh uznal, že společnost stále čelí výzvám, ale trvá na tom, že se týkají inženýrství a rozšiřování výroby. Nemyslí si, že jsou potřeba nějaké další průlomy v chemii.
Poznamenal také, že společnost má nyní více než 1 miliardu dolarů, což jí poskytuje značnou dráhu pro komerční produkci.
Na otázku, proč by měli mít novináři důvěru ve výsledky společnosti bez výhod nezávislých zjištění, Singh zdůraznil, že sdílí tolik dat, kolik jen může, aby byl transparentní. Ale dodává, že QuantumScape se nezabývá akademickým výzkumem.
Bez urážky, ale opravdu nás nezajímá, co si myslíte, říká. Lidé, na kterých nám záleží, jsou naši zákazníci. Viděli data, provedli testy ve své vlastní laboratoři, viděli, že to funguje, a v důsledku toho uzavírají masivní sázky na tuto společnost. VW do toho dal všechno.
Jinými slovy, skutečným testem toho, zda QuantumScape vyřešilo problémy tak plně, jak tvrdí, je to, zda německý automobilový gigant postaví vozy vybavené bateriemi na silnice do roku 2025.