En elektrifierande startup

Det är den snabbaste elmotorcykeln i världen. På en populär YouTube-video försvinner den svarta dragstercykeln nästan i ett rökmoln när föraren gör en burn-out och snurrar på bakhjulet för att värma upp det. När röken driver iväg sätter sig föraren i sin position och trycker på en strömbrytare, och cykeln strömmar framåt och accelererar till 60 miles per timme på mindre än en sekund. Sju sekunder senare passerar den kvartsmilen i 168 miles per timme – tillräckligt snabbt för att konkurrera med gasdrivna dragsters.

Sidopåverkan: Ett batteri designat av A123 Systems för GM:s elfordon Volt kan överleva ett krossande säkerhetstest. Höghastighetspåverkan kunde ha fått andra litiumjonbatterier att överhettas och fatta eld.

Det som driver Killacycle är ett nytt litiumjonbatteri utvecklat av A123 Systems, en startup i Watertown, MA – ett av en handfull företag som arbetar med liknande teknik. Företagets batterier lagrar mer än dubbelt så mycket energi som nickel-metallhydridbatterier, den typ som används i dagens hybridbilar, samtidigt som de levererar den kraft som krävs för hög prestanda. En radikalt modifierad version av litiumjonbatterierna som används i bärbar elektronik, kan tekniken sätta fart på den långvariga elfordonsmarknaden, som idag representerar en liten bråkdel av 1 procent av fordonsförsäljningen i USA. Speciellt A123:s batterier har väckt intresse hos General Motors, som testar dem som ett sätt att driva Volt, en elbil med en bensingenerator; fordonet förväntas gå i massproduktion redan 2010.

Tidigare har biltillverkare skyllt elfordons dåliga försäljning på deras blysyra- eller nickelmetallhydridbatterier, som var så tunga att de begränsade fordonens räckvidd och så skrymmande att de tog upp bagageutrymmet. Medan konventionella litiumjonbatterier är mycket lättare och mer kompakta, är de inte kostnadseffektiva för elfordon. Det beror delvis på att de använder litiumkoboltoxidelektroder, som kan vara instabila: batterier baserade på dem slits ut efter ett par år och kan brinna i lågor om de punkteras, krossas, överladdas eller överhettas. Vissa biltillverkare har försökt att komma runt dessa problem, men resultaten har varit dyra.

A123s batterier kan äntligen göra litiumjonteknik praktisk för bilindustrin. Istället för koboltoxid använder de ett elektrodmaterial tillverkat av nanopartiklar av litiumjärnfosfat modifierat med spårmetaller. De resulterande batterierna kommer sannolikt inte att fatta eld, även om de krossas i en olycka. De är också mycket hårdare än konventionella litiumjonbatterier: A123 förutspår att de kommer att hålla längre än den typiska livslängden för en bil.

Reporterns anteckningsbok : Kevin Bullis

Batteriets löfte har gjort A123 till en av de bäst finansierade teknikstartuperna i landet, med 148 miljoner dollar i riskkapitalinvesteringar hittills. Med finansieringen har A123 drivit en ambitiös affärsplan som kräver att den ska göra allt från att perfekta materialet till att tillverka batterier och sälja dem till kunder inom bil- och elverktygsindustrin.

A123-batterierna för GM:s Volt lagrar tillräckligt med energi för 40 mils körning, tillräckligt för att täcka dagliga pendlingar. (På längre resor, skulle den lilla bensinmotorn starta för att ladda batteriet, vilket utökar räckvidden till mer än 400 miles.) GM planerar att sälja fordonen för omkring $30.000 till $35.000; företaget tror att det kan sälja hundratusentals till det priset under de första åren, och J. D. Power and Associates uppskattar att GM kommer att sälja nästan 300 000 till 2014.

Multimedia

• Lär dig hur olika typer av hybrider fungerar med denna interaktiva primer.

Material spelar roll
I början av 2001 gick en 26-årig venezuelansk entreprenör vid namn Ric Fulop in på Yet-Ming Chiangs kontor, en professor i materialvetenskap vid MIT, utan någon tid. Han bara dök upp och knackade på dörren, minns Chiang. Fulop, som redan hade grundat tre venture-backed företag, ville ha hjälp med att starta ett batteriföretag, och han visste att Chiang bedrev batteriforskning som involverade nanoteknik. Chiang själv var med och grundade en framgångsrik startup i slutet av 1980-talet, men han tillbringade större delen av sin tid med att forska om nanoteknik och kemin i avancerad keramik.

Till hösten hade Fulop och Chiang tillsammans med Bart Riley, en ingenjör som Chiang kände till från sitt tidigare företag, grundat A123 Systems. Planen var att kommersialisera en av Chiangs mer radikala idéer: material som, när de blandas ihop, spontant skulle samlas för att bilda ett fungerande batteri. Processen lovade att öka energilagringskapaciteten och samtidigt sänka tillverkningskostnaderna.

Chiangs stora idé visade sig vara en hit bland investerare. I slutet av 2001 hade en första finansieringsrunda inbringat 8,3 miljoner dollar från olika riskkapitalföretag. Motorola och Qualcomm, fascinerade av möjligheten till bättre batterier för bärbar elektronik, lade snart till 4 miljoner dollar. Men det stod snabbt klart att ett kommersiellt självmonterande batteri var år borta från verkligheten. Tekniken var fortfarande ganska rudimentär, säger Chiang.

I början av 2002 gjorde dock Chiang en överraskande upptäckt som helt skulle förändra företagets riktning. Han hade börjat arbeta med litiumjärnfosfat, som är ogiftigt, säkert och billigt, till skillnad från de material som används i andra litiumjonbatterier. Men det verkade ha några allvarliga nackdelar. Den lagrar mindre energi än litiumkoboltoxid, elektrodmaterialet i konventionella litiumjonbatterier, så det verkade olämpligt för användning i bärbar elektronik, där energilagring är av största vikt. Dessutom laddas och laddas ur långsamt, vilket utesluter dess användning i högeffektapplikationer som hybridelektriska fordon; även för helt elektriska bilar, som använder många fler battericeller än hybrider, kunde materialet inte leverera tillräckligt med kraft.

Så Chiang började modifiera det genom att lägga till spårmängder av metaller. Snart laddade materialet ur kraft med relativt höga hastigheter. I mitten av 2002 flög han till Monterey, Kalifornien, för att presentera sina resultat på en konferens. Medan han var där fortsatte en doktorand vid MIT att köra tester. När Chiang skulle prata uppträdde materialet fyra gånger så högt som han hade kommit för att tillkännage. Vid det laget visste vi att vi hade något speciellt, säger han.

Så småningom skulle Chiang visa att materialet kunde leverera strömutbrott i 10 gånger den hastighet som används i konventionella litiumjonbatterier. Efter att ha studerat det högpresterande materialet i detalj, bestämde han att det berodde på sin kraft både till storleken på partiklarna han hade använt (mindre än 100 nanometer) och tillsatsen av extra metaller. Kombinationen av dessa faktorer, säger han, orsakar en grundläggande skillnad i hur atomerna som utgör materialet omarrangerar sig när de tar emot och släpper en laddning.

Packade upp: A123:s battericeller (ovan) har integrerats i ett T-format paket konstruerat av det tyska företaget Continental.

I alla litiumjonbatterier genereras elektricitet när litiumjoner pendlar mellan två elektroder medan elektroner färdas genom en extern krets. I Chiangs tidiga experiment med litiumjärnfosfat skulle de delar av materialet som innehöll litium separeras från de som inte gjorde det när litiumjonerna rörde sig in och ut ur en elektrod. Det förändrade materialets kristallina struktur och dess prestanda försämrades. Men, Chiang upptäckte, när partiklarna av litiumjärnfosfat är tillräckligt små - och elektroden har modifierats, eller dopad, genom tillsats av andra metaller - förändras materialets kristallina struktur mycket mindre. Som ett resultat kan litiumjonerna röra sig in och ut snabbare, utan att försämra materialet. Sammantaget fann Chiang att det modifierade materialet laddades och urladdades snabbare än vanligt litiumjärnfosfat, och det höll också längre.

Även om det nya batterimaterialet verkade vara extraordinärt, insåg Chiang direkt att det inte var idealiskt för bärbar elektronik. Det verkade inte finnas en färdig marknad för lätta, kompakta batterier som levererade stora kraftutbrott. Hybridfordon, en naturlig passform, började bara dyka upp på marknaden. Vad Chiang inte visste var att ett stort elverktygsföretag arbetade tyst på en ny generation sladdlösa verktyg, och det hade problem med att hitta ett batteri som skulle möta dess behov.

Kraftfull start
2003 träffade representanter för Black and Decker Fulop och A123:s VD, Dave Vieau, och berättade för dem att de ville göra sladdlösa elverktyg som skulle prestera bättre än verktyg som är anslutna till väggen. A123:s material verkade som en perfekt passform. I korta strömmar kan den leverera mer kraft än en hushållskrets. Och den hade andra funktioner som skulle vara attraktiva på en byggarbetsplats. Den kunde laddas snabbt (till 80 procent av kapaciteten på 12 minuter eller mindre), och till skillnad från batterier gjorda med litiumkoboltoxid, kunde den överleva hård behandling utan att fatta eld.

Det var åtminstone teorin. När Fulop och Vieau först träffade Black and Decker hade de bara en modell av en battericell, ett halvt gram material och en PowerPoint-presentation. Vad Black and Decker behövde var ett företag som kunde producera miljontals batterier. Det var mycket betoning på materialet, men det vi var tvungna att lära oss att göra är att konstruera hela cellen, säger Chiang.

Inom ett år efter undertecknandet av sitt första avtal med Black and Decker hade A123 dock producerat ett kommersiellt möjligt batteri. I november 2005 kom de första produkterna från monteringslinjerna i Asien. På mindre än tre år gick företaget från att bygga ett demonstrationsbatteri i storleken av ett mynt till att bygga 50 meter långa beläggningsmaskiner och 28 000 kvadratmeter stora fabriker som drivs av hundratals anställda. År 2006 köpte kunder dess batterier i en ny serie professionella verktyg som säljs av Black and Decker. Kort sagt, A123 tillverkade batterier i en takt av miljoner per år.

Tysk byggd: Det T-formade paketet (ovan) rymmer A123:s battericeller. GM testar paketet under simulerade körförhållanden innan det skruvas fast det i en elfordonsprototyp.

Laddar upp bilar
Samtidigt tänkte GM om sin teknikstrategi när Toyota började dominera hybridfordonsbranschen. En hybrid använder ett batteri bara en del av tiden och förlitar sig på en bensinmotor för mycket av sin kraft. GM bestämde sig för att utveckla en bil som skulle göra det möjligt för sina kunder att helt sluta använda bensin för de flesta dagliga körningar. Men för att klara det behövde biltillverkaren ett högpresterande, pålitligt batteri. Och för det vände den sig till A123.

GM visste att de ville använda litiumjonbatterier på grund av deras lagringskapacitet, säger Denise Gray, GM:s chef för energilagringssystem. Men den visste också att befintlig teknik inte skulle göra susen. Även om ett litiumjonbatteri för bärbar dator kan överleva 500 kompletta laddnings- och urladdningscykler innan dess kapacitet försvinner, vill ingen bilägare köpa ett nytt batteri var 18:e månad. Enligt A123:s prognoser borde dess batterier dock kunna leverera mer än 15 års dagliga laddningar. Och förutom att vara säkrare än andra litiumjonbatterier, fungerar A123 vid en lägre temperatur, vilket gör det enklare att packa ihop hundratals av dem till ett stort batteripaket, säger Gray.

Där A123:s elverktygsbatterier är cylindriska, är batteriet som den utvecklade för Volt platt, för att spara utrymme och mer effektivt avleda värme. Cellerna har satts samman till kompletta batteripaket, som är T-formade och nästan två meter långa. I vår kommer batterierna att skruvas fast i fordonsprototyper för vägprovning. Och senare i år planerar A123 att öka produktionen av batterierna för att möta förväntad efterfrågan. De första bilarna som drivs av A123-teknik kan komma att rulla av löpande band 2010. (GM testar också batterier från ett annat företag och kan använda batterier från endera eller båda företagen.)

Om Volt är populärt kan elbilar äntligen börja ta fart - och det kan minska utsläppen av växthusgaser och petroleumförbrukning. En nyligen genomförd studie av Electric Power Research Institute och Natural Resources Defense Council tyder på att elfordon som liknar GM:s bil skulle kunna eliminera miljarder ton av utsläpp av växthusgaser mellan 2010 och 2050. En studie av General Electric visar att om hälften av fordonen körs på vägen år 2030 är eldriven, kommer petroleumförbrukningen i USA att krympa med sex miljoner fat om dagen.

Och batterier som A123 kan få återverkningar långt bortom Volt. Även bilar med förbränningsmotorer konstrueras för att förlita sig mer på elektricitet: de enklaste exemplen involverar batterier som laddas upp av soppade generatorer som skulle göra det möjligt för en bil att stänga av motorn när den närmar sig ett stoppljus och starta om när föraren trycker på gaspedalen . I konventionella hybrider kan versioner av A123s batterier leverera lika mycket kraft som nickelmetallhydridbatterier med en femtedel av vikten. De nya batterierna kan också gynna plug-in hybrider, som kan laddas från ett vanligt eluttag. Faktum är att A123:s batterier kan användas i en plug-in version av Saturn Vue hybrid SUV som kommer att släppas 2010.

Oavsett design kommer framtida bilar sannolikt att förlita sig mycket mer på el. Vi är inte där än, säger Chiang. Det finns inte volt överallt. Men potentialen att ha en stor inverkan, både på oljeförsörjningsfrågan och växthusgaser – jag föreställde mig inte att vi skulle kunna göra det. Absolut inte när jag började jobba med batterier.

Kevin Bullis är BARN redaktör för nanoteknik och materialvetenskap.

Dölj