211service.com
Detta superenergitäta batteri kan nästan fördubbla räckvidden för elfordon
QuantumScapes enskiktiga, solid-state litiummetallbattericell. Med tillstånd: QuantumScape
Forskare har länge sett litium-metallbatterier som en idealisk teknik för energilagring, som utnyttjar den lättaste metallen i det periodiska systemet för att leverera celler fullproppade med energi.
Men forskare och företag har försökt och misslyckats i årtionden att producera prisvärda, uppladdningsbara versioner som inte hade en otäck vana att fatta eld.
Sedan tidigare i år hävdade Jagdeep Singh, VD för QuantumScape i en intervju med The Mobilist att det tungt finansierade, smygande Silicon Valley-företaget hade knäckt de viktigaste tekniska utmaningarna. Han tillade att VW förväntar sig att ha batterierna i sina bilar och lastbilar till 2025, och lovar att minska kostnaderna och öka räckvidden för sina elfordon.
Efter att ha blivit börsnoterad i november värderas QuantumScape nu till cirka 20 miljarder dollar, trots att det ännu inte har någon produkt eller intäkter (och ingen förväntan att det kommer att göra förrän 2024 ). VW har investerat mer än 300 miljoner dollar i företaget och har skapat ett joint venture med QuantumScape för att tillverka batterierna. Bolaget har också samlat in hundratals miljoner från andra stora investerare.
Ändå hade Singh fram tills nu avslöjat få detaljer om batteriet, vilket fick forskare, rivaler och journalister att leta igenom patentansökningar, investerardokument och andra källor efter ledtrådar om exakt vad företaget hade uppnått – och hur.
I ett pressmeddelande tisdagen den 8 december tillhandahöll QuantumScape äntligen tekniska resultat från labbtester. Dess teknologi är ett delvis solid-state-batteri, vilket innebär att det använder en fast elektrolyt istället för den vätska som de flesta batterier förlitar sig på för att främja rörelsen av laddade atomer genom enheten.
Många forskare och företag undersöker solid-state-teknik för en mängd olika batterikemi eftersom detta tillvägagångssätt har potential att förbättra säkerheten och energitätheten, även om det har visat sig vara svårt att utveckla en praktisk version.
Företaget, baserat i San Jose, Kalifornien, undanhåller fortfarande vissa detaljer om sitt batteri, inklusive några av de viktigaste materialen och processerna som det använder för att få det att fungera. Och vissa experter är fortfarande skeptiska att QuantumScape verkligen har tagit itu med de knepiga tekniska utmaningarna som skulle göra ett litium-metallbatteri möjligt i kommersiella fordon under de kommande fem åren.
Testresultat
I en intervju med MIT Technology Review säger Singh att företaget har visat att dess batterier effektivt kommer att uppfylla fem viktiga konsumentbehov som hittills har hindrat elfordon från att överträffa 2 % av försäljningen av nya bilar i USA : lägre kostnader, större räckvidd, kortare laddningstider, längre total livslängd på vägen och förbättrad säkerhet.
Alla batterier som kan uppfylla dessa krav kan verkligen öppna upp 98 % av marknaden på ett sätt som du inte kan göra idag, säger han.
Jagdeep Singh, VD för QuantumScape
Faktum är att QuantumScapes prestandaresultat är anmärkningsvärda.
Batterierna kan laddas till 80 % kapacitet på mindre än 15 minuter. (MotorTrend hittades att Teslas V3 Supercharger tog en Model 3 från 5 % till 90 % på 37 minuter, i ett test förra året.) Och de behåller mer än 80 % av sin kapacitet över 800 laddningscykler, vilket ungefär motsvarar att köra 240 000 miles. Faktum är att batteriet försämras lite även när det utsätts för aggressiva laddnings- och urladdningscykler.
Slutligen säger företaget att batteriet är designat för att uppnå körräckvidder som kan överstiga elfordon med vanliga litiumjonbatterier med mer än 80 % - även om detta inte har testats direkt ännu.
Uppgifterna från QuantumScape är ganska imponerande, säger Paul Albertus, biträdande professor i kemisk och biomolekylär ingenjörsteknik vid University of Maryland och tidigare programchef för ARPA-E:s solid-state-fokuserade IONICS-program, som inte har någon anknytning eller ekonomisk relation till företaget.
Företaget har gått mycket längre än andra saker jag har sett i litium-metallbatterier, tillägger han: De har sprungit ett maraton medan alla andra har gjort en 5K.
Hur det fungerar
Så hur uppnådde de allt detta?
I ett vanligt litiumjonbatteri i en elbil idag är en av de två elektroderna (anoden) till största delen gjord av grafit, som enkelt lagrar litiumjonerna som pendlar fram och tillbaka genom batteriet. I ett litium-metallbatteri är den anoden gjord av själva litium. Det betyder att nästan varje elektron kan sättas i arbete för att lagra energi, vilket är det som står för den större energitäthetspotentialen.
Men det skapar ett par stora utmaningar. Den första är att metallen är mycket reaktiv, så om den kommer i kontakt med en vätska, inklusive elektrolyten som stöder rörelsen av dessa joner i de flesta batterier, kan den utlösa sidoreaktioner som bryter ned batteriet eller får det att förbrännas. Den andra är att flödet av litiumjoner kan bilda nålliknande formationer som kallas dendriter, som kan punktera separatorn i mitten av batteriet och kortsluta cellen.
Under åren har dessa problem fått forskare att försöka utveckla fasta elektrolyter som inte är reaktiva med litiummetall, med hjälp av keramik, polymerer och andra material.
En av QuantumScapes nyckelinnovationer var att utveckla en solid-state keramisk elektrolyt som också fungerar som separator. Bara några tiotals mikrometer tjock, undertrycker den bildningen av dendriter samtidigt som litiumjoner kan passera lätt fram och tillbaka. (Elektrolyten på den andra änden av batteriet, katodsidan, är en gel av någon form, så det är inte ett helt solid state-batteri.)
Singh vägrar att specificera materialet de använder och säger att det är en av deras mest bevakade affärshemligheter. (Några batteriexperter misstänker , på basis av patentansökningar, att det är en oxid som kallas LLZO.) Att hitta det tog fem år; att utveckla rätt sammansättning och tillverkningsprocess för att förhindra defekter och dendriter tog ytterligare fem.
Företaget tror att övergången till solid state-teknologi kommer att göra batterierna säkrare än litiumjonvarianten på marknaden idag, vilket fortfarande brinner ibland sig själva under extrema omständigheter.
Det andra stora framsteg är att batteriet är tillverkat utan en distinkt anod. (Se QuantumScapes video här för att få en bättre känsla av dess anodfria design.)
När batteriet laddas färdas litiumjonerna på katodsidan genom separatorn och bildar ett perfekt plant lager mellan den och den elektriska kontakten på batteriets ände. Nästan allt detta litium återgår sedan till katoden under urladdningscykeln. Detta eliminerar behovet av värdanodmaterial som inte direkt bidrar till jobbet att lagra energi eller bära ström, vilket ytterligare minskar den nödvändiga vikten och volymen. Det borde också minska tillverkningskostnaderna, säger företaget.
Återstående risker
Det finns dock en hake: QuantumScapes resultat är från labbtester utförda på enskiktsceller. Ett verkligt bilbatteri skulle behöva ha dussintals lager som alla arbetar tillsammans. Att ta sig från pilotlinjen till kommersiell tillverkning är en betydande utmaning inom energilagring, och den punkt då många en gång lovande batteristarter har misslyckats.
Albertus noterar att det finns en rik historia av förtida påståenden om batterigenombrott, så alla nya möts med skepsis. Han skulle vilja se QuantumScape skicka företagets celler till de typer av oberoende tester som nationella labb utför, under standardiserade förhållanden.
Andra branschobservatörer har uttryckt tvivel om att företaget skulle kunna uppnå de uppskalnings- och säkerhetstester som krävs för att sätta batterier i fordon på vägen till 2025, om företaget hittills bara har testat enskiktsceller noggrant.
Sila Nanotechnologies, en rivaliserande batteristartup under utveckling en annan sorts energitäta anodmaterial för litiumjonbatterier, släppt en vitt papper en dag före Mobilist-berättelsen som belyser en mängd tekniska utmaningar för solid-state litium-metallbatterier. Den noterar att många av de teoretiska fördelarna med litiummetall minskar när företag arbetar mot kommersiella batterier, med tanke på alla ytterligare åtgärder som krävs för att få dem att fungera.
Men tidningen betonar att den svåraste delen kommer att vara att möta marknadens utmaning: att konkurrera med den massiva globala infrastrukturen som redan finns på plats för att köpa, producera, skicka och installera litiumjonbatterier.
Massiva satsningar
Andra observatörer menar dock att de senaste framstegen på området indikerar både att litium-metallbatterier avsevärt kommer att överträffa energitätheten för litiumjonteknologi och att problemen som håller fältet kan lösas.
Det brukade vara om vi kommer att ha litium-metallbatterier; nu är det en fråga om när vi ska ha dem, säger Venkat Viswanathan, docent vid Carnegie Mellon som har forskat om litium-metallbatterier (och har gjort konsultarbete för QuantumScape).
Singh erkände att företaget fortfarande står inför utmaningar, men han insisterar på att de relaterar till ingenjörskonst och uppskalning av tillverkning. Han tror inte att det krävs några ytterligare genombrott inom kemin.
Han noterade också att företaget nu har mer 1 miljard dollar, vilket ger det en betydande landningsbana för att komma till kommersiell produktion.
På frågan varför journalister borde ha förtroende för företagets resultat utan att dra nytta av oberoende resultat, betonade Singh att han delar så mycket av informationen som han kan för att vara transparent. Men han tillägger att QuantumScape inte handlar om akademisk forskning.
No offense, men vi bryr oss inte riktigt vad du tycker, säger han. De människor vi bryr oss om är våra kunder. De har sett data, de har kört testerna i sitt eget labb, de har sett att det fungerar, och som ett resultat lägger de stora satsningar på det här företaget. VW har gått all in.
Med andra ord, det verkliga testet på om QuantumScape har löst problemen så fullständigt som det påstår är om den tyska biljätten sätter bilar utrustade med batterier på vägen till 2025.