Батареи выпускают миллионами для сокрушения Tesla

Для питания вашего смартфона или Tesla Model 3 в настоящее время нет ничего лучше, чем литий-ионный аккумулятор. С момента своего появления в 1991 году литиевая аккумуляторная батарея стала стандартом для повседневных технических устройств и питания электромобилей. Многие из более чем 3 миллионов электромобилей в мире работают на литий-ионных батареях. Но поскольку мир движется к электрическому будущему, ему нужно что-то лучшее, чем литий-ионная батарея, чтобы идти в ногу.

«Литий прямо сейчас бьет по стене. Если вы действительно хотите увеличить плотность энергии, вам нужно перейти к совершенно иной парадигме », — сказал Ифэй Мо, профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Мэриленд. Большая плотность энергии означает более дешевые, более легкие батареи, которые работают дольше от одной зарядки.

К счастью, есть стартапы, пытающиеся создать более качественные аккумуляторы, с более низкими затратами, повышенной плотностью энергии и лучшими характеристиками для промышленных продуктов с наддувом и потребительских технологий, а также электромобилей, которые будут заряжаться быстрее и преодолевать большие расстояния. Начиная с этого года, несколько стартапов с батареями, которые, по их мнению, являются большими усовершенствованиями по сравнению с существующей литий-ионной технологией, представят свои элементы на коммерческом рынке.

«Нам потребовалось восемь лет и, возможно, 35 000 итераций нашего синтеза материала, чтобы получить что-то коммерчески готовое», — сказал Джин Бердичевский, генеральный директор Sila Nanotechnologies.

Sila является лишь одним из нескольких стартапов, которые недавно получили серьезное финансирование, чтобы продолжить совершенствование технологии аккумуляторов. В прошлом году расположенная в Калифорнии компания Alameda взяла на себя финансирование в рамках серии D от нескольких инвесторов, в том числе всемирной венчурной компании Siemens, на сумму 70 млн. Долл. США на строительство своей первой коммерческой производственной линии для изготовления кремниевых анодных батарей. Это ровно через десять лет после того, как Бердичевский был соучредителем, инженером-механиком и энергетиком и седьмым сотрудником Tesla Элона Маск, который руководил разработкой аккумуляторной системы в родстере Tesla (автомобиль, который запустил SpaceX, также основанный Маском). на орбиту в 2018 году).

Новые вариации нынешней литий-ионной батареи заняли около 10 лет исследований. Только сейчас стартапы готовятся к коммерческому освещению, развертывание которого займет как минимум несколько лет, а возможно, и еще целое десятилетие.

«Материал, необходимый для одного автомобиля, эквивалентен 10000 смартфонам или 100000 умных часов», — сказал Бердичевский. «Мы начнем с потребительских устройств. В течение следующих пяти лет мы будем расширять сотрудничество с автомобильными партнерами ». Одним из нынешних автомобильных партнеров Sila является BMW.

Нынешние литий-ионные аккумуляторы ограничены по своим материальным частям и плотности физической энергии. Новая аккумуляторная технология направлена на повышение как безопасности, так и энергоэффективности литий-ионных аккумуляторов, где нет риска возгорания в случае перегрева или повреждения аккумулятора.

Каждая литий-ионная батарея состоит из четырех основных частей: анода и катода — электродов, которые подпирают каждый литий-ионный элемент — жидкого электролита и сепаратора. Положительные и отрицательные токи создаются, когда электролит переносит ионы лития через сепаратор к аноду и катоду и от него. Именно этот процесс генерирует заряд, который хранится в батарее.

Если химикаты, составляющие анод и катод — соответственно, графит и некоторый тип оксида металла — нагреваются слишком сильно, это может привести к поломке физического сепаратора, в результате чего остается легко воспламеняющийся электролит. Вспомните телефоны Samsung Galaxy Note 7, взрывающиеся, и вы видите, буквально, проблему. И максимальная плотность энергии ионов лития сегодня составляет около 260 ватт-часов на килограмм; для сравнения, большинство современных электромобилей вмещает от 220 до 250 ватт-часов на килограмм.

Одной из новых технологий батарей является твердотельный, который заменяет не только графитовый анод на анод из металлического лития, но также жидкий электролит и сепаратор с одним твердым элементом, обычно керамическим, стеклянным или огнестойким полимером. Этот подход использует Solid Power, производитель твердотельных батарей в Колорадо, который получил финансирование в размере 20 миллионов долларов США в 2018 году. По словам руководителей компании, разрабатываемая ими батарея приводит к увеличению как минимум на 50 процентов плотности энергии.

Секретное отделение Стэнфордского университета QuantumScape также разрабатывает твердотельный аккумулятор в сотрудничестве с Volkswagen. В прошлом году Volkswagen увеличил свою долю, вложив 100 миллионов долларов. По данным PitchBook, стартап в Сан-Хосе оценивается в 1,75 миллиарда долларов. Согласно пресс-релизу, объявляющему о сделке, батарея QuantumScape позволит Volkswagen E-Golf проехать 466 миль — его текущий диапазон составляет 186 миль — без подзарядки, что делает его сопоставимым с диапазонами, достигнутыми обычными автомобилями, работающими на газе. Согласно Volkswagen, батарея QuantumScape должна заряжаться быстрее и намного легче, чем современные литий-ионные батареи.

Однако твердотельные батареи, вероятно, не будут доступны в массовом порядке до следующего десятилетия, как сказал в прошлом году один вице-президент Nissan. Даже в пресс-релизе QuantumScape указана цель коммерческого производства на 2025 год.

Более длительный срок использования твердотельных технологий является признаком того, как создаются современные аккумуляторные заводы. Они созданы для обработки ионно-литиевого производства жидкими электролитами, и переход на твердые материалы — это больше, чем просто замена процессов на заводском цехе.

«Это новейшая технология на самых ранних этапах коммерциализации», — сказал Дин Франкель, глава отдела развития бизнеса Solid Power. «Это просто занимает время с точки зрения расширения».

В то время как некоторые стартапы работают над совершенствованием и расширением твердотельной батареи, другие, такие как Sila Nanotechnologies, надеются воспользоваться преимуществами современных процессов производства литий-ионных батарей, чтобы быстро вывести батареи на рынок. Вместо создания твердотельной батареи Sila просто заменяет графитовый анод на кремниевый, который поглощает ионы лития быстрее, чем графит.

Более того, большинство литий-ионных аккумуляторов с графитовыми анодами имеют скорость зарядки, или C, менее 1 процента. Начинающие компании, разрабатывающие новые элементы с кремниевыми анодами, говорят, что показатели C их аккумуляторов намного лучше, что является ключевым отличием для будущего электромобиля, так как большинство людей не хотят ждать больше часа, чтобы зарядить автомобиль. при накачке газа это занимает всего несколько минут.

«Мы можем выдерживать заряд в 10 раз быстрее, чем обычная графитовая батарея», — сказал Роберт А. Ранго, генеральный директор Enevate.

Калифорнийская компания Irvine, занимающаяся созданием литий-ионных аккумуляторов следующего поколения с кремниевыми анодами, финансируется на сумму 111 миллионов долларов, включая инвестиции, сделанные в прошлом году южнокорейской компанией LG Chem по производству аккумуляторов. Ранго сказал, что Enevate, аккумуляторы которого находятся в работе в течение 10 лет, находится примерно в полутора годах от первого коммерческого внедрения ее технологии, скорее всего, в электрических мотоциклах и скутерах.

Тем не менее, у кремниевых анодных батарей есть один потенциальный недостаток: кремниевый материал набухает, что означает, что каждый заряд приводит к износу батареи. По словам Бердичевского и Ранго, эту проблему решили их компании.

«Кремний действительно расширяется, и это было одной из задач отрасли», — сказал Ранго. «В наших камерах мы смогли сдержать расширение. Наши камеры имеют технические характеристики, которые соответствуют требованиям электромобилей ». Эти требования? Что батарея способна заряжаться до 80 процентов после того, как она была заряжена и разряжена 1000 раз.

Длительные сроки разработки для этих стартапов являются признаком того, насколько сложной может быть технология проталкивания батарей. И хотя улучшение ассортимента электромобилей, безусловно, является одним из основных последствий более качественного аккумулятора, преемники нынешнего литий-ионного аккумулятора, скорее всего, будут первоначально обнаружены в гораздо меньших размерах.

«Вы говорите о технологическом сдвиге поколений, который должен произойти», — сказал Бердичевский. «За 150 лет существования батарей на рынке появилось четыре коммерчески значимых химиката. И каждый раз, когда вы идете в эти новые химии, им становится все труднее ».