Ett bilbatteri till halva priset

Förra året startade batteristarten A123 Systems ut ett annat företag, kallat 24M, för att utveckla en ny typ av batteri som är avsett att få elfordon att gå längre och kosta mindre. Nu en forskningsartikel publicerad i Avancerade energimaterial avslöjar de första detaljerna om hur det batteriet skulle fungera. Den tar också upp utmaningarna med att få ut batteriet på marknaden.

Batteri prototyp: Två slamliknande elektrodmaterial matas in i enheten som visas här. Anodmaterialet strömmar in i den övre halvan och katoden strömmar in i botten. Litiumjoner passerar från ett material till ett annat, och elektroner strömmar genom de svarta och röda ledningarna.

Ett stort problem med litiumjonbatterier som används i elfordon och laddhybrider är att endast cirka 25 procent av batteriets volym tas upp av material som lagrar energi. Resten består av inaktiva material, såsom förpackningar, ledande folier och lim, som gör batterierna skrymmande och står för en betydande del av kostnaden.

24M har för avsikt att kraftigt minska det inaktiva materialet i ett batteri. Enligt uppskattningar i den nya tidningen kan dess batterier uppnå nästan dubbelt så stor energitäthet som dagens fordonsbatterier. Batterier med högre energitäthet skulle vara mindre och billigare, vilket innebär att el- och hybridbilar blir billigare. Tidningen uppskattar att batterierna kan kosta så lite som 250 dollar per kilowattimme - mindre än hälften av vad de kostar nu.

Ett konventionellt batteripaket består av hundratals celler. Varje cell innehåller en stapel av många tunna, solida elektroder. Dessa elektroder är parade med metallfolieströmavtagare och separerade från varandra av plastfilmer. Att öka energilagringen kräver att man lägger till fler lager av elektrodmaterial – vilket i sin tur kräver fler lager av metallfolie och plastfilm.

24M:s design gör det möjligt att öka energilagringen utan extra metallfolie och plastfilm. Den viktigaste skillnaden är att elektroderna inte är solida filmer staplade i en cell, utan slamliknande material som lagras i tankar - en för det positiva elektrodmaterialet och en annan för den negativa elektroden.

Materialet pumpas från tankarna till en liten anordning, där de rör sig genom kanaler utskurna i metallblock. När detta händer rör sig joner från en elektrod till den andra genom samma typ av separatormaterial som används i ett konventionellt batteri. Elektroner tar sig ut ur materialet till en extern krets. I denna design är ökad energilagring lika enkelt som att öka storleken på lagringstanken – enheten som låter elektroderna interagera förblir samma storlek. Designen eliminerar också behovet av att koppla ihop hundratals celler för att uppnå tillräcklig energilagring.

Det nya batteriet liknar något som kallas ett flödesbatteri, där två elektrolyter pumpas förbi varandra. Men konventionella flödesbatterier är cirka 10 gånger större än den nya designen eftersom de använder utspädda energilagringslösningar, vilket gör dem opraktiska för användning i bilar.

Forskarna, med ledning av Ändå-Ming Chiang , en professor i materialvetenskap vid MIT, och en grundare av både A123 Systems och 24M, testade olika material för elektroderna, inklusive litiumkoboltoxid, som vanligtvis används i batterier för bärbara datorer. De visade att enheten kan laddas och laddas ur med de hastigheter som behövs i elfordon, säger Chiang.

Uppsatsen beskriver också hur forskarna tar sig an en av de största utmaningarna med designen: att dra ut den elektriska laddningen ur slammet. I en vanlig litiumjoncell tar sig elektronerna fram genom att hoppa genom de anslutna ledande partiklarna i den fasta elektroden tills de når en strömavtagare. I det nya batteriet kommer elektronerna inte att flöda genom elektrolyten. Så Chiang och kollegor blandade kolpartiklar i nanoskala i slammet; partiklarna bildar spontant sammankopplade nätverk i vätskan för att tillhandahålla vägar för elektronerna att fly.

Utmaningar kvarstår innan batteriet kan kommersialiseras. Den elektriska ledningsförmågan är fortfarande cirka 100 gånger mindre än vad den borde vara i ett praktiskt system, säger Chiang. Han arbetar också med att öka koncentrationen av aktiva material i slammet.

Jeff Dahn , en professor i fysik och kemi vid Dalhousie University, noterar att för att uppnå de effektnivåer som krävs för att driva en bil, skulle den elektrokemiska cellen fortfarande behöva vara stor: separatormaterialet skulle behöva täcka en yta på cirka tre meter gånger fyra meter . Det kunde skäras i hanterbara bitar och staplas upp, men det kan göra systemet komplicerat, och även med detta tillvägagångssätt kan cellen vara skrymmande, säger han.

Vi gör goda framsteg med tekniken, säger 24M:s vd Throop Wilder. Godkännandet av uppsatsen är en stark validering av de grundläggande principerna som driver vår utveckling. 24M består av cirka 20 anställda och har samlat in cirka 16 miljoner dollar.

Det är en väldigt smart apparat, säger Dahn. Jag vet inte om det någonsin kommer att bli mer än en idé i en tidning, men Chiang har överraskat folk tidigare.

Dölj