Nya litium-metallbatterier kommer att driva övergången till elbilar

En ny typ av batteri skulle äntligen kunna göra elbilar lika bekväma och billiga som gasbilar.

En röntgendiffraktometer används för att kontrollera batterikomponenter på QuantumScape. De skyldiga är Wintermeyer

förbi

• James Temple arkivsida

24 februari 2021

• 
  Varför det är viktigt:

  Batteriernas prestandabegränsningar har hållit tillbaka bytet till renare elbilar och nästan uteslutit elektriska flygplan.

• 
  Nyckelspelare:

  • QuantumScape

  
  
  

  • Samsung Advanced Institute of Technology

  • Fast kraft

  • 24 miljoner

  
  
  

• 
  Tillgänglighet:

  2025

Trots all hype och hopp kring elfordon utgör de fortfarande bara cirka 2 % av försäljningen av nya bilar i USA och bara lite mer globalt.

För många köpare är de helt enkelt för dyra, deras utbud är för begränsat och att ladda dem är inte alls lika snabbt och bekvämt som att tanka vid pumpen.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Alla dessa begränsningar har att göra med litiumjonbatterierna som driver fordonen. De är dyra, tunga och snabba att få slut på juice. För att göra saken värre är batterierna beroende av flytande elektrolyter som kan brinna i lågor vid kollisioner.

Att göra elbilar mer konkurrenskraftiga med gasdrivna kommer att kräva ett banbrytande batteri som åtgärdar dessa brister. Det är åtminstone argumentet från Jagdeep Singh, vd för QuantumScape, en startup i Silicon Valley som påstår sig ha utvecklats just en sådan teknik .

Företaget hävdar att det gjorde det genom att lösa ett kemipussel som har stört forskare i nästan ett halvt sekel: hur man använder litium, den lättaste metallen i det periodiska systemet, för att öka mängden energi som kan packas in i ett batteri utan att utgöra en rutinmässig risk för brand eller på annat sätt offra prestanda. Företaget säger att det uppnådde detta, till stor del, genom att utveckla en solid version av den brandfarliga flytande elektrolyten.

VW var tillräckligt imponerad för att investera hundratals miljoner dollar i QuantumScape. Den tyska biljätten gick också med på att starta ett joint venture med företaget för att masstillverka batterierna och säger att de kommer att vara i sina elbilar och lastbilar på vägen 2025.

Snabbare laddning och längre räckvidd

I ett konventionellt litiumjonbatteri är en av de två elektroderna, anoden, till största delen gjord av grafit. Detta är en form av kol som lätt kan ta upp och frigöra de laddade litiumjonerna som pendlar fram och tillbaka mellan anoden och katoden genom elektrolyten. Den strömmen av laddade partiklar producerar en elektrisk ström som rinner ut ur batteriet för att driva allt som behöver drivas. Men grafiten är bara en värd för litiumjonerna, som ligger inbäddat mellan ark av kol som paket på hyllorna. Det är dödvikt som inte lagrar energi eller producerar en ström själv.

I ett litium-metallbatteri är själva anoden gjord av litium. Detta innebär att nästan varje atom i batteriets anod också kan sättas i arbete med att skapa ström. Teoretiskt sett kunde ett anodbaserat litium-metallbatteri lagra 50 % mer energi än ett med samma vikt och volym som förlitade sig på grafit.

Men eftersom litiummetall är så reaktivt kan det att vara i konstant kontakt med en flytande elektrolyt utlösa reaktioner som bryter ned batteriet eller får det att förbrännas, säger Venkat Viswanathan, docent vid Carnegie Mellon som arbetar med litiummetallbatterier och är en konsult för QuantumScape. En annan fråga är att när litiumjonerna flödar fram och tillbaka kan nålliknande strukturer som kallas dendriter bildas i batterierna och kortsluta cellen eller få den att fatta eld.

QuantumScapes prototypcell har en solid version av den vanligtvis flytande elektrolyten.

WINNI WINTERMEYER

QuantumScape, som offentliggjordes i november efter att ha arbetat i stealth-läge i ett decennium, håller fortfarande tillbaka några av de kritiska detaljerna om hur dess solid-elektrolytbatteri övervinner dessa problem. Men det verkar fungera anmärkningsvärt bra.

I en onlinepresentation i december visade startupen en serie diagram som visar att en labbversion med ett lager av batteriet kan laddas till mer än 80 % av sin kapacitet på 15 minuter, räcker i hundratusentals mil och fungerar fint vid minusgrader. Företaget förväntar sig att batterierna ska kunna öka elfordons räckvidd med mer än 80 %: en bil som kan köra 450 mil på en enda laddning idag skulle kunna köra 450 mil istället.

QuantumScape har ställt mig i hälarna igen, säger Nancy Dudney, en batteriforskare vid Oak Ridge National Laboratory, som har gjort banbrytande arbete med fasta elektrolyter. Vid första anblicken ser det riktigt bra ut, säger hon, även om hon tillägger: Vi har varit här förut med andra batteriutvecklingar.

Faktum är att batteriområdet är full av exempel på startups som lovade banbrytande teknologier men som till slut misslyckades. Och utmaningarna inför QuantumScape är skrämmande, särskilt när det gäller att konvertera sina prototypceller till kommersiella produkter som kan tillverkas billigt.

Om företaget lyckas kan det förändra elbilsmarknaden. Att sänka kostnaderna, öka räckvidden och göra laddningen nästan lika bekväm som att tanka på en bensinstation kan bredda efterfrågan bortom människor som har råd att betala ut tusentals dollar för laddningsportar hemma, och lindra oro för dem som fruktar att bli strandsatta på längre resor.

Den ökade energitätheten och snabbare laddning kan också göra det mer praktiskt att elektrifiera andra former av transporter, inklusive långdistanstransporter och till och med kortdistansflyg. (Som en bonus skulle det också leverera telefoner och bärbara datorer som kan hålla ett par dagar på en laddning.)

Födelse av ett batteri

Historien om litium-metallbatterier började i början av 1970-talet och är tätt sammanflätad med utvecklingen av de litiumjonbatterier vi är beroende av idag.

Erans oljekriser, i kombination med vad som skulle visa sig vara mycket tidiga rädslor för petroleumtoppar, väckte plötsligt ett intresse för elfordon för första gången sedan bilindustrins barndom. År 1972 arbetade American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW och andra med elbilar, som vetenskapsskribenten Seth Fletcher beskriver i boken Belysning på flaska . Samtidigt letade stora industriella laboratorier, inklusive de på GE, Dow Chemical och Exxon, efter bättre batterikemi.

Batterier på den tiden, som mestadels var blysyra, kunde inte leverera i närheten av avstånden eller hastigheterna för gasmotorer. 1969, General Motors experimentell 512 elbil hade en topphastighet på cirka 30 miles i timmen, med en räckvidd på 47 miles.

I ett litiumjonbatteri pendlar litiumjoner fram och tillbaka mellan anoden och katoden när batteriet laddas och laddas ur. I QuantumScapes batteri går jonerna genom en separator och bildar ett perfekt plant lager mellan den och den elektriska kontakten, vilket skapar anoden när den laddas. Den saknar en anod i utarmat tillstånd.

1972 anställde Exxons forskningsavdelning en ung kemist vid namn Stan Whittingham på grund av hans postdoktorala arbete vid Stanford. Specifikt utvecklade han kristallina material som gjorde att joner lätt kunde flöda in och ut. Vid Exxon började Whittingham och hans kollegor experimentera med ett lovande poröst material för en katod: titandisulfid. De parade ihop den med en anod gjord av metalliskt litium, ett mycket reaktivt material som lätt släpper ut sina elektroner. Det fungerade förvånansvärt bra.

Teamet ansökte om ett patent 1973, publicerade ett landmärke uppsats i vetenskap 1976, och visade upp en större version av cellerna på en bilmässa 1977 .

I början av 1980-talet hade oljekrisen passerat. Exxons nya ledning beslutade att avskaffa vilken affärslinje som helst utan potential att bli en årlig marknad på 100 miljoner dollar. Företaget lade ner sina ansträngningar för elfordon och batterier. De sa: 'De här är för små för att vi ska kunna vara inblandade i', säger Whittingham.

Litiumjon tar över

Litium-metallbatterier var vida överlägsna blybatterier, men de hade också inneboende nackdelar som Exxon-teamet aldrig hade löst, inklusive deras vana att utlösa bränder i labbet.

Andra som försökte kommersialisera litium-metallbatterier stötte på liknande problem. På 1980-talet utvecklade Moli Energy i British Columbia ett 2,2-volts litiummetallbatteri för bärbara datorer och mobiltelefoner. Men 1989 fattade en japansk mobiltelefon eld, bränner sin ägare . Efter att en undersökning fäst skulden på batteriet, återkallades tusentals mobiltelefoner och företaget gick i konkurs, enligt Electric Autonomy Canada.

Under tiden byggde andra på Whittinghams arbete. John Goodenough, nu professor vid University of Texas i Austin, använde koboltoxid snarare än titandisulfid för att utveckla en katod som kunde lagra mer energi. Akira Yoshino, professor vid Meijo University, bytte ut den rena litiumanoden mot koks (en annan form av kol), som fortfarande kunde lagra mycket litiumjoner men minskade brandriskerna. Slutligen samlade forskare vid Sony delarna för att utveckla de första kommersiella litiumjonbatterierna 1992. Whittingham, Goodenough och Yoshino delade Nobelpriset i kemi 201 9 för sina roller i genombrottet.

Den skenande framgången för litiumjonbatterier, som nu driver våra bärbara datorer, telefoner och elfordon, stoppade ansträngningarna att kommersialisera litiummetallteknik i många år framöver. Men vissa förlorade aldrig litiummetallens potential att bli en mer effektiv form av energilagring. Och att ersätta de vanliga flytande elektrolyterna, som är effektivt brännbara lösningsmedel, med fasta material verkade vara en särskilt lovande väg för utforskning.

Omkring 2000 demonstrerade ett team vid Oak Ridge National Laboratory tunnfilmsbatterier – den typ som används i små elektronik som smarta kort och pacemakers – som använde solid-state litium-metall-teknik. Produktionsprocessen och storleken och formen på tunnfilmsbatterier begränsar för det mesta deras användning utöver allt som är större än en klocka, säger Paul Albertus, batteriexpert vid University of Maryland. Men arbetet gav ett avgörande bevis på konceptet för ett fungerande litium-metallbatteri.

Vägdöd

Olika startups hade börjat driva tekniken igen i slutet av 2000-talet. Men det har visat sig vara en förrädisk väg.

Vissa har redan lagt ner. Seeo, som bildades 2007, köptes av det tyska företaget Bosch, som senare upplöste sina batteriforskningssatsningar. Frankrike-baserade Bolloré var först med att sätta solid-state litium-metallbatterier i fordon på vägen, och lanserade sina Bluecar bildelningsprogram 2011. Men dess polymerbaserade elektrolyter fungerar bara vid högre temperaturer, vilket begränsar deras användning i konsumentfordon .

Katoder för QuantumScapes batterier görs på denna tillverkningslinje.

WINNI WINTERMEYER

En handfull andra företag har dock gjort nya framsteg. Mest anmärkningsvärt, två dagar efter QuantumScapes presentation i december förra året, meddelade Solid Power, en startup i Colorado som grundades 2012, att den redan producerar partier i pilotskala av 22-lagers litiummetallceller som skulle överträffa räckvidden för dagens elfordonsbatterier .

Och i januari meddelade Department of Energys ARPA-E-division att de skulle investera 9 miljoner dollar i ett försök från batteriföretaget 24M och Carnegie Mellons Viswanathan för att utveckla litiummetallbatterier designade för elektriska flygplan, där energin som lagras och levereras per kilogram är avgörande.

Startar upp QuantumScape

Tricket för alla företag som utvecklar litium-metallbatterier har varit att lokalisera elektrolytmaterial som förhindrar bränder och dendriter samtidigt som joner lätt kan passera igenom, och utan att på annat sätt försämra batteriets prestanda. Och det är precis vad QuantumScape hävdar att det har gjort.

Relaterad berättelse

Detta superenergitäta batteri kan nästan fördubbla räckvidden för elfordon Men vissa observatörer är inte övertygade om att QuantumScapes litiummetallbatterier kommer att driva bilar och lastbilar på vägen så snart företaget hävdar.

Företagets ursprung går tillbaka till 2009. När Singh förberedde sig för att avgå som vd för Infinera, ett nätverksföretag som han var med och grundade, började han prata med Stanford postdoktor Tim Holme och hans rådgivare, Friedrich Prinz, om att bilda ett företag baserat på deras forskning om nya batterimaterial.

Trion grundade QuantumScape året därpå, med målet att utveckla energitäta batterier med hög effekt. De försökte först göra det genom att skapa en helt ny typ av batteri, känd som ett helelektronbatteri, men fann att det skulle vara svårare än det från början verkade.

Då hade företaget samlat in tiotals miljoner dollar från riskkapitalföretag som Kleiner Perkins och Khosla Ventures. Det lämnade QuantumScape med tillräckligt med pengar för att tyst ändra riktning, för att fullfölja drömmen om litium-metallteknologi.

Företaget tillbringade de kommande fem åren på att leta efter precis rätt material för att utveckla en elektrolyt i fast tillstånd, säger Singh. Det ägnade sedan ytterligare fem åt att utarbeta rätt sammansättning och tillverkningsprocess för att förhindra defekter och dendriter. Allt företaget kommer att säga om sin elektrolyt är att det är en keramik.

Är vi där än?

Alla QuantumScapes publicerade tester hittills utfördes på enskiktsceller. (Efter att den här artikeln gick i tryck meddelade företaget att de har producerat och genomfört tester på 4-lagers celler som har uppnått liknande resultat.) För att arbeta i bilar måste företaget tillverka batterier packade med flera dussin lager , effektivt flytta från ett enda spelkort till en kortlek. Och det kommer fortfarande att behöva hitta ett sätt att tillverka dessa celler tillräckligt billigt för att konkurrera med litiumjon, en batteriteknik som har dominerat i årtionden.

Det är en skrämmande ingenjörsuppgift. De är halvvägs där – efter 10 år och 300 miljoner dollar och 150 personer som arbetat med det här, har de det här lilla spelkortet nu, säger Albertus, från University of Maryland. Det är fortfarande långt ifrån att leverera batterier på en skala med tusentals ton – och det är en riktigt svår utmaning. Flera batteriforskare sa till mig att de allvarligt tvivlar på att QuantumScape kan skala upp och genomföra fullständiga säkerhetstester i tid för att sätta batterier i bilar på vägen bara fyra år från nu.

Med tanke på företagets resultat och de uppmuntrande tillkännagivandena från andra nystartade företag, tror de flesta människor i batterivärlden att det ser mer sannolikt ut att problemen som har hållit kvar litiummetall i decennier kan lösas – vilket är anledningen till att det finns på MIT Technology Reviews lista över banbrytande teknik i år. Men det är också tydligt att trots alla framsteg som har gjorts sedan Whittinghams tid på Exxon, så ligger det fortfarande år av arbete framför oss.

Uppdatering: Den här historien uppdaterades för att rätta till ett fel angående hur mycket extra energi ett litium-metallbatteri teoretiskt kan lagra.

2021

10 banbrytande teknologier