211service.com
Varför vi inte har batterigenombrott
Ett lovande framsteg som inte blev något tyder på vad som krävs för att tillverka billiga batterier för elbilar. 10 februari 2015
Elbilar är snabba och tysta, med en räckvidd som är mer än tillräckligt lång för de flesta pendlar. Vill du ha en bil med extremt snabb acceleration är Tesla Model S svårslagen. Och självklart undviker elfordon de föroreningar som är förknippade med konventionella bilar, inklusive utsläpp av koldioxid från förbränning av bensin. Ändå står de för en liten bråkdel av bilförsäljningen, främst för att batterierna som driver dem är dyra och behöver laddas ofta.
Ett bättre batteri kan förändra allt. Men även om otaliga genombrott har tillkännagivits under det senaste decenniet, har dessa framsteg gång på gång misslyckats med att omvandlas till kommersiella batterier med något liknande de utlovade förbättringarna i kostnads- och energilagring. Vissa välfinansierade startups, framför allt A123 Systems, började med djärva påståenden men lyckades inte leverera (se Vad hände med A123? ).
Den här historien var en del av vårt marsnummer 2015
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Krafthuset, en ny bok av journalisten Steve LeVine, krönika historien bakom ett av de senaste årens mest dramatiska batterimeddelanden och förklarar hur det blev till ingenting (se Den sorgliga historien om batterigenombrottet som visade sig vara för bra för att vara sant ). Tillkännagivandet gjordes i februari 2012, vid en konferens i Washington, DC, där en skara forskare, entreprenörer och investerare hade kommit för att höra sådana som Bill Gates och Bill Clinton förklara vikten av ny energiteknik – och även för att utnyttja en av de senaste finansieringskällorna i Washington, Advanced Research Projects Agency for Energy eller ARPA-E. ARPA-E grundades 2009 och hade i uppdrag att identifiera potentiell transformationsforskning. Chefen för den byrån, Arun Majumdar, var redo att avslöja en av sina första stora framgångar: en battericell, utvecklad av startupen Envia, som kunde lagra dubbelt så mycket energi som en konventionell. Kostnaden för ett batteri som skulle kunna ta en bil från Washington till New York utan att laddas om, sa Majumdar, skulle falla från 30 000 dollar till 15 000 dollar. Elbilar skulle bli mycket mer överkomliga och praktiska (se Ett stort hopp i batterikapacitet ).
Inom några månader licensierade GM tekniken och undertecknade ett avtal för att stödja dess utveckling, och fick rätten att använda eventuella batterier. Affären var potentiellt värd hundratals miljoner dollar för Envia, skriver LeVine. Men snart fick Envia frustrerade meddelanden från GM-ingenjörer som inte kunde återskapa uppstartens resultat. Året efter tillkännagivandet bröts affären. Envias imponerande batteri hade varit en lyckträff.
Saker granskade
Krafthuset
Av Steve LeVine
Viking, 2015
LeVines redogörelse för Envias arbete visar varför stora framsteg inom batterier är så svåra att uppnå och varför startups som lovar världsomvälvande genombrott har kämpat. Under det senaste decenniet har vi sett anmärkningsvärda förbättringar i den här branschen, men de har till stor del kommit från etablerade företag som stadigt gör små framsteg.
Envias cell var en ny typ av litiumjonbatteri. Uppfanns i slutet av 1970-talet och början av 1980-talet och kommersialiserades på 1990-talet, dessa batterier genererar elektrisk ström när litiumjoner pendlar mellan två elektroder. Lätt men kraftfull, de har förvandlat bärbar elektronik. Deras användning i elbilar är dock nyligen. På 1990-talet använde GM billigare blybatterier för sin elektriska EV-1; varje batteri vägde skrymmande 600 kilogram och levererade bara 55 till 95 miles innan det behövde laddas. När Tesla Motors introducerade en av de första litiumjondrivna elbilarna 2008 kunde den gå 250 mil på en laddning, ungefär tre gånger längre än EV-1. Men fordonet kostade över 100 000 dollar, till stor del för att batterierna var så dyra. För att sänka kostnaderna använder de litiumjondrivna elbilarna som tillverkas idag av företag som Nissan och GM små batteripaket med en räckvidd på mindre än 100 mil.
Även om otaliga genombrott har tillkännages under det senaste decenniet, lyckades dessa framsteg gång på gång inte översättas till kommersiella batterier.
En svår sak med att utveckla bättre batterier är att tekniken fortfarande är dåligt förstådd. Att byta en del av ett batteri – till exempel genom att introducera en ny elektrod – kan orsaka oförutsedda problem, av vilka några inte kan upptäckas utan år av tester. För att uppnå den typ av framsteg som riskkapitalister och ARPA-E letar efter, inkorporerade Envia inte bara ett utan två experimentella elektrodmaterial.
LeVine beskriver vad som gick fel. 2006 hade Envia licensierat ett lovande material utvecklat av forskare vid Argonne National Laboratory. Därefter upptäcktes ett stort problem. Problemet – som en chef för batteriföretaget kallade en undergångsfaktor – var att spänningen som batteriet fungerade med förändrades med tiden på ett sätt som gjorde det oanvändbart. Argonne-forskare undersökte problemet och hittade inget klart svar. De förstod inte materialets grundläggande kemi och fysik tillräckligt bra för att förstå exakt vad som gick fel, än mindre fixa det, skriver LeVine.
En titt inuti en Tesla Model S visar batteriet, en grå platta som tar upp det mesta av utrymmet mellan fram- och bakhjulen.
Med sitt experimentella material för den motsatta elektroden, denna baserad på kisel, stod Envia inför en annan utmaning. Forskare hade till synes löst det stora problemet med kiselelektroder - deras tendens att falla isär. Men lösningen krävde opraktiska tillverkningstekniker.
När Envia gjorde sitt tillkännagivande 2012 verkade det ha kommit på hur man skulle få båda dessa experimentella material att fungera. Man utvecklade en version av kiselelektroden som kunde tillverkas billigare. Och genom försök och misstag hade den snubblat på en kombination av beläggningar som stabiliserade spänningen i Argonne-materialet. Envias medgrundare Sujeet Kumar förstod att svaret var en sammansättning av beläggningar, skriver LeVine. Men han visste fortfarande inte vad kompositen arresterade eller varför den lyckades göra det. Eftersom Envia var en startup med begränsade medel hade han inte de instrument som kunde ta reda på det. Men när det väl blev uppenbart att resultaten Envia hade rapporterat för sitt batteri inte kunde reproduceras, blev det avgörande att förstå problemet. Även små förändringar av sammansättningen av ett material kan ha en betydande inverkan på prestandan, så för vad Envia visste, fungerade dess rekordbatteri på grund av en förorening i ett parti material från en av dess leverantörer.
Historien om Envia står i skarp kontrast till vad som har visat sig vara det mest framgångsrika senaste försöket att sänka priset på batterier och förbättra deras prestanda. Denna framgång har inte kommit från ett genombrott utan från det nära samarbetet mellan Tesla Motors och den stora battericellsleverantören Panasonic. Sedan 2008 har kostnaden för Teslas batteripaket halverats, samtidigt som lagringskapaciteten har ökat med cirka 60 procent. Tesla försökte inte radikalt förändra kemin eller materialen i litiumjonbatterier; snarare gjorde den stegvisa ingenjörs- och tillverkningsförbättringar. Det arbetade också nära Panasonic för att justera kemin hos befintliga batterimaterial enligt de exakta behoven hos dess bilar.
Sedan 2008 har kostnaden för Teslas batteripaket halverats, samtidigt som lagringskapaciteten har ökat med cirka 60 procent.
Tesla hävdar att det är på väg att producera en elbil på 35 000 dollar med en räckvidd på ungefär 200 mil till 2017 – en bedrift som motsvarar vad GM hoppades uppnå med Envias nya batteri. Företaget räknar med att sälja hundratusentals av dessa elbilar om året, vilket skulle vara ett stort steg från de tiotusentals som det säljer nu. Men för att elbilar ska stå för en betydande del av de cirka 60 miljoner bilar som säljs varje år runt om i världen, kommer batterierna förmodligen att behöva bli betydligt bättre. När allt kommer omkring är 200 mil långt under de 350 mil som folk är vana vid att köra på en bensintank, och 35 000 dollar är fortfarande en hel del mer än 15 000 dollars priset för många små bensindrivna bilar.
Hur ska vi täppa till klyftan? Det finns förmodligen fortfarande gott om utrymme att förbättra litiumjonbatterier, även om det är svårt att föreställa sig att Teslas framgång med mindre förändringar av batterikemin kommer att fortsätta på obestämd tid. Vid något tillfälle kan radikala förändringar som de Envia tänkt sig behövas. Men lärdomen från Envia-fiaskot är att sådana förändringar måste integreras nära med tillverknings- och ingenjörsexpertis.
Det tillvägagångssättet ger redan lovande resultat med Argonne-materialet som Envia licensierat. Envias batteri drivs med höga spänningar för att uppnå höga nivåer av energilagring. Nu upptäcker batteritillverkare att användning av mer blygsamma spänningsnivåer kan öka energilagringen avsevärt utan de problem som bekymrade Envia. Samtidigt publicerar batteriforskare artiklar som visar hur spårmängder av tillsatser förändrar materialens beteende, vilket gör det möjligt att öka spänningen och energilagringen. Nyckeln är att kombinera forskning som belyser detaljer om batteriers kemi och fysik med den expertis som batteritillverkarna har fått i att tillverka praktiska produkter.
Det är en bransch där det är väldigt svårt för en startup, hur lockande dess teknik än är, att klara sig själv. Andy Chu, en tidigare chef på A123 Systems, som gick i konkurs 2012, berättade nyligen för mig varför stora företag dominerar batteriindustrin. Energilagring är ett spel som spelas av stora aktörer eftersom det finns så många saker som kan gå fel i ett batteri, sa han. Jag hoppas att startups är framgångsrika. Men du kan titta på historien under de senaste åren, och den har inte varit bra.