Detta batteriförskott kan göra elfordon mycket billigare

De är nanotekniker

Under de senaste sju åren har en startup baserad i Alameda, Kalifornien, i tysthet arbetat på ett nytt anodmaterial som lovar att avsevärt öka prestandan hos litiumjonbatterier.

Sila Nanotechnologies kom ur smygläge förra månaden och samarbetade med BMW för att placera företagets kiselbaserade anodmaterial i åtminstone några av den tyska biltillverkarens elfordon senast 2023. En talesman för BMW berättade de Wall Street Journal företaget förväntar sig att affären kommer att leda till en ökning med 10 till 15 procent av mängden energi du kan packa in i en battericell av en given volym. Silas VD Gene Berdichevsky säger att materialen så småningom skulle kunna ge så mycket som 40 procent förbättring (se 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).

För elbilar förlänger en ökning av den så kallade energitätheten antingen det körsträcka som är möjligt på en enda laddning avsevärt eller minskar kostnaden för de batterier som behövs för att nå standardintervallen. För konsumentprylar kan det lindra frustrationen hos mobiltelefoner som inte kan ta sig igenom dagen, eller så kan det möjliggöra kraftkrävande nästa generations funktioner som större kameror eller ultrasnabba 5G-nätverk.

Forskare har ägnat decennier åt att arbeta för att förbättra kapaciteten hos litiumjonbatterier, men dessa vinster kommer vanligtvis bara några procentenheter åt gången. Så hur gjorde Sila Nanotechnologies ett så stort steg?

Berdichevsky, som var anställd nummer sju på Tesla, och CTO Gleb Yushin , professor i materialvetenskap vid Georgia Institute of Technology, gav nyligen en djupare förklaring av batteriteknologin i en intervju med MIT Technology Review .

Sila medgrundare (från vänster till höger), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky och Alex Jacobs. Sila Nanotechnologies

En anod är batteriets negativa elektrod, som i detta fall lagrar litiumjoner när ett batteri laddas. Ingenjörer har länge trott att kisel har stor potential som anodmaterial av en enkel anledning: det kan binda till 25 gånger fler litiumjoner än grafit, det huvudsakliga materialet som används i litiumjonbatterier idag.

Men detta kommer med en stor hake. När kisel rymmer så många litiumjoner, expanderar dess volym, vilket belastar materialet på ett sätt som tenderar att få det att smula sönder under laddning. Den svullnaden utlöser också elektrokemiska bireaktioner som minskar batteriets prestanda.

År 2010 var Yushin medförfattare till en vetenskaplig papper som identifierade en metod för att producera stela kiselbaserade nanopartiklar som är internt porösa nog att rymma betydande volymförändringar. Han slog sig ihop med Berdichevsky och en annan tidigare Tesla-batteriingenjör, Alex Jacobs, för att bilda Sila året därpå.

Företaget har arbetat med att kommersialisera det grundläggande konceptet sedan dess, utvecklat, producerat och testat tiotusentals olika varianter av allt mer sofistikerade anodnanopartiklar. Den kom på sätt att ändra den interna strukturen för att förhindra att batterielektrolyten sipprar in i partiklarna, och den uppnådde dussintals stegvisa vinster i energitäthet som i slutändan ökade till en förbättring på cirka 20 procent jämfört med den bästa befintliga tekniken.

I slutändan skapade Sila en robust, mikrometerstor sfärisk partikel med en porös kärna, som leder mycket av svullnaden in i den inre strukturen. Utsidan av partikeln ändrar inte form eller storlek under laddning, vilket säkerställer i övrigt normal prestanda och livslängd.

De resulterande kompositanodpulvret fungerar som ett drop-in material för befintliga tillverkare av litiumjonceller.

Med all ny batteriteknik tar det minst fem år att arbeta igenom bilindustrins kvalitets- och säkerhetssäkringsprocesser – därav 2023 års tidslinje med BMW. Men Sila är på ett snabbare spår med hemelektronik, där man förväntar sig att se produkter som bär dess batterimaterial på hyllorna i början av nästa år.

Venkat Viswanathan, en maskiningenjör på Carnegie Mellon, säger att Sila gör stora framsteg. Men han varnar för att vinster i ett batterimått ofta kommer på bekostnad av andra – som säkerhet, laddningstid eller cykellivslängd – och att det som fungerar i labbet inte alltid översätts perfekt till slutprodukter.

Företag inklusive Enovix och Enevate utvecklar också kiseldominerande anodmaterial. Samtidigt följer andra företag helt andra vägar till lagring med högre kapacitet, särskilt inklusive solid-state-batterier. Dessa använder material som glas, keramik eller polymerer för att ersätta flytande elektrolyter, som hjälper till att transportera litiumjoner mellan katoden och anoden.

BMW har också samarbetade med Solid Power, en spinout från University of Colorado Boulder, som hävdar att dess solid-state-teknologi som bygger på litium-metallanoder kan lagra två till tre gånger mer energi än traditionella litiumjonbatterier. Samtidigt har Ionic Materials, som nyligen Uppfostrad 65 miljoner dollar från Dyson och andra, har utvecklat en solid polymerelektrolyt som den hävdar kommer att möjliggöra säkrare, billigare batterier som kan fungera i rumstemperatur och som även fungerar med litiummetall.

Vissa batteriexperter tror att solid-state-teknologi i slutändan lovar större vinster i energitäthet, om forskare kan övervinna några stora återstående tekniska hinder.

Men Berdichevsky betonar att Silas material är redo för produkter nu och, till skillnad från solid-state litium-metallbatterier, inte kräver några dyra utrustningsuppgraderingar från batteritillverkarnas sida.

När företaget utvecklar ytterligare sätt att begränsa volymförändringar i de kiselbaserade partiklarna, tror Berdichevsky och Yushin att de kommer att kunna utöka energitätheten ytterligare, samtidigt som de förbättrar laddningstider och total livslängd.

Den här historien uppdaterades för att klargöra att Samsung inte investerade i Ionic Materials senaste finansieringsrunda.

Dölj