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Diese superenergiedichte Batterie könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen nahezu verdoppeln
Die einschichtige Festkörper-Lithium-Metall-Batteriezelle von QuantumScape. Mit freundlicher Genehmigung: QuantumScape
Wissenschaftler betrachten Lithium-Metall-Batterien seit langem als ideale Technologie zur Energiespeicherung, die das leichteste Metall im Periodensystem nutzt, um Zellen voller Energie zu liefern.
Aber Forscher und Unternehmen haben jahrzehntelang versucht und sind gescheitert, erschwingliche, wiederaufladbare Versionen herzustellen, die nicht die unangenehme Angewohnheit haben, Feuer zu fangen.
Dann, Anfang dieses Jahres, behauptete Jagdeep Singh, der Geschäftsführer von QuantumScape in einem Interview mit The Mobilist dass das stark finanzierte, heimliche Unternehmen aus dem Silicon Valley die wichtigsten technischen Herausforderungen gemeistert hatte. Er fügte hinzu, dass VW erwarte, die Batterien bis 2025 in seinen Autos und Lastwagen zu haben, und verspreche, die Kosten zu senken und die Reichweite seiner Elektrofahrzeuge zu erhöhen.
Nach dem Börsengang im November wird QuantumScape nun mit rund 20 Milliarden US-Dollar bewertet, obwohl es noch kein Produkt oder Umsatz gibt (und keine Erwartung, dass es bis 2024 sein wird ). VW hat mehr als 300 Millionen US-Dollar in das Unternehmen investiert und mit QuantumScape ein Joint Venture zur Herstellung der Batterien gegründet. Das Unternehmen hat auch Hunderte von Millionen von anderen Großinvestoren eingesammelt.
Dennoch hatte Singh bisher nur wenige Details über die Batterie preisgegeben, was Forscher, Konkurrenten und Journalisten dazu veranlasste, Patentanmeldungen, Investorendokumente und andere Quellen nach Hinweisen darauf zu durchsuchen, was genau das Unternehmen erreicht hatte – und wie.
In einer Pressemitteilung vom Dienstag, dem 8. Dezember, hat QuantumScape endlich technische Ergebnisse aus Labortests vorgelegt. Seine Technologie ist eine teilweise Festkörperbatterie, was bedeutet, dass anstelle der Flüssigkeit, auf die die meisten Batterien angewiesen sind, ein fester Elektrolyt verwendet wird, um die Bewegung geladener Atome durch das Gerät zu fördern.
Zahlreiche Forscher und Unternehmen erforschen die Festkörpertechnologie für eine Vielzahl von Batteriechemien, da dieser Ansatz das Potenzial hat, die Sicherheit und Energiedichte zu verbessern, obwohl sich die Entwicklung einer praktischen Version als schwierig erwiesen hat.
Das Unternehmen mit Sitz in San Jose, Kalifornien, hält immer noch bestimmte Details über seine Batterie zurück, einschließlich einiger der wichtigsten Materialien und Prozesse, die es verwendet, damit es funktioniert. Und Einige Experten bleiben skeptisch dass QuantumScape wirklich die kniffligen technischen Herausforderungen angegangen ist, die in den nächsten fünf Jahren eine Lithium-Metall-Batterie in Nutzfahrzeugen möglich machen würden.
Testergebnisse
In einem Interview mit MIT Technology Review sagt Singh, das Unternehmen habe gezeigt, dass seine Batterien effektiv fünf wichtige Verbraucherbedürfnisse erfüllen, die Elektrofahrzeuge bisher daran gehindert haben, diese zu übertreffen 2 % der Neuwagenverkäufe in den USA : geringere Kosten, größere Reichweite, kürzere Ladezeiten, längere Gesamtlebensdauer auf der Straße und verbesserte Sicherheit.
Jede Batterie, die diese Anforderungen erfüllen kann, kann wirklich die 98 % des Marktes auf eine Weise erschließen, wie es heute nicht möglich ist, sagt er.
Jagdeep Singh, CEO von QuantumScape
Tatsächlich sind die Leistungsergebnisse von QuantumScape bemerkenswert.
Die Akkus können in weniger als 15 Minuten auf 80 % ihrer Kapazität aufgeladen werden. (Motor Trend gefunden dass der V3 Supercharger von Tesla bei einem Test im vergangenen Jahr ein Model 3 in 37 Minuten von 5 % auf 90 % aufgeladen hat.) Und sie behalten mehr als 80 % ihrer Kapazität über 800 Ladezyklen, was ungefähr einer Fahrt von 240.000 Meilen entspricht. Tatsächlich zeigt die Batterie eine geringe Verschlechterung, selbst wenn sie aggressiven Lade- und Entladezyklen ausgesetzt wird.
Schließlich sagt das Unternehmen, dass die Batterie darauf ausgelegt ist, Reichweiten zu erreichen, die die von Elektrofahrzeugen mit Standard-Lithium-Ionen-Batterien um mehr als 80 % übertreffen könnten – obwohl dies noch nicht direkt getestet wurde.
Die Daten von QuantumScape sind ziemlich beeindruckend, sagt Paul Albertus, Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Maryland und zuvor Programmdirektor des auf Festkörper fokussierten IONICS-Programms von ARPA-E, der in keiner Verbindung oder finanziellen Beziehung steht das Unternehmen.
Das Unternehmen ist viel weiter gegangen als andere Dinge, die ich bei Lithium-Metall-Batterien gesehen habe, fügt er hinzu: Sie sind einen Marathon gelaufen, während alle anderen einen 5-km-Lauf absolviert haben.
Wie es funktioniert
Wie haben sie das alles erreicht?
Bei einer Standard-Lithium-Ionen-Batterie in einem heutigen Elektroauto besteht eine der beiden Elektroden (die Anode) meist aus Graphit, das die Lithium-Ionen, die durch die Batterie hin und her pendeln, leicht speichert. In einer Lithium-Metall-Batterie besteht diese Anode aus Lithium selbst. Das bedeutet, dass fast jedes Elektron als Energiespeicher eingesetzt werden kann, was das größere Energiedichtepotenzial ausmacht.
Aber es schafft ein paar große Herausforderungen. Das erste ist, dass das Metall hochreaktiv ist. Wenn es also mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt, einschließlich des Elektrolyten, der die Bewegung dieser Ionen in den meisten Batterien unterstützt, kann es Nebenreaktionen auslösen, die die Batterie beeinträchtigen oder sie zum Verbrennen bringen. Zweitens kann der Strom von Lithium-Ionen nadelartige Gebilde bilden, sogenannte Dendriten, die den Separator in der Mitte der Batterie durchstechen und die Zelle kurzschließen können.
Im Laufe der Jahre haben diese Probleme Forscher dazu veranlasst, Festkörperelektrolyte zu entwickeln, die nicht mit Lithiummetall reagieren, indem sie Keramik, Polymere und andere Materialien verwenden.
Eine der wichtigsten Innovationen von QuantumScape war die Entwicklung eines keramischen Festkörperelektrolyten, der auch als Separator dient. Es ist nur wenige zehn Mikrometer dick und unterdrückt die Bildung von Dendriten, während es Lithium-Ionen dennoch leicht hin und her passieren lässt. (Der Elektrolyt am anderen Ende der Batterie, der Kathodenseite, ist in irgendeiner Form ein Gel, also keine vollständige Festkörperbatterie.)
Singh lehnt es ab, das verwendete Material anzugeben, und sagt, es sei eines ihrer am besten gehüteten Geschäftsgeheimnisse. (Manche Batterieexperten vermuten , auf der Grundlage von Patentanmeldungen, dass es sich um ein Oxid handelt, das als LLZO bekannt ist.) Es dauerte fünf Jahre, es zu finden; Die Entwicklung der richtigen Zusammensetzung und des Herstellungsprozesses zur Vermeidung von Defekten und Dendriten dauerte weitere fünf.
Das Unternehmen glaubt, dass die Umstellung auf Festkörpertechnologie die Batterien sicherer machen wird als die heute auf dem Markt erhältliche Lithium-Ionen-Variante fangen trotzdem gelegentlich Feuer selbst unter extremen Umständen.
Der andere große Fortschritt besteht darin, dass die Batterie ohne ausgeprägte Anode hergestellt wird. (Siehe QuantumScapes Videos hier um ein besseres Gefühl für das anodenfreie Design zu bekommen.)
Während die Batterie aufgeladen wird, wandern die Lithium-Ionen auf der Kathodenseite durch den Separator und bilden eine perfekt flache Schicht zwischen ihm und dem elektrischen Kontakt am Ende der Batterie. Fast das gesamte Lithium kehrt dann während des Entladezyklus zur Kathode zurück. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für jegliches Wirtsanodenmaterial, das nicht direkt zur Energiespeicherung oder Stromführung beiträgt, wodurch das erforderliche Gewicht und Volumen weiter reduziert werden. Es sollte auch die Herstellungskosten senken, sagt das Unternehmen.
Restrisiken
Es gibt jedoch einen Haken: Die Ergebnisse von QuantumScape stammen aus Labortests, die an einschichtigen Zellen durchgeführt wurden. Eine echte Autobatterie müsste Dutzende von Schichten haben, die alle zusammenarbeiten. Der Weg von der Pilotlinie zur kommerziellen Fertigung ist eine große Herausforderung bei der Energiespeicherung und der Punkt, an dem viele einst vielversprechende Batterie-Startups gescheitert sind.
Albertus merkt an, dass es eine lange Geschichte von voreiligen Behauptungen über Batteriedurchbrüche gibt, so dass alle neuen mit Skepsis aufgenommen werden. Er möchte, dass QuantumScape die Zellen des Unternehmens unter standardisierten Bedingungen den unabhängigen Tests unterzieht, die nationale Labore durchführen.
Andere Branchenbeobachter haben Zweifel geäußert, dass das Unternehmen die Scale-up- und Sicherheitstests erreichen könnte, die erforderlich sind, um Batterien in Fahrzeugen bis 2025 auf die Straße zu bringen, wenn das Unternehmen bisher nur Einschichtzellen streng getestet hat.
Sila Nanotechnologies, ein konkurrierendes Batterie-Startup, das sich entwickelt eine andere Art von energiedichten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, freigegeben a weißes Papier einen Tag vor der Mobilist-Geschichte, die eine Litanei technischer Herausforderungen für Festkörper-Lithium-Metall-Batterien hervorhebt. Es stellt fest, dass sich viele der theoretischen Vorteile von Lithium-Metall verengen, wenn Unternehmen auf kommerzielle Batterien hinarbeiten, angesichts all der zusätzlichen Maßnahmen, die erforderlich sind, damit sie funktionieren.
Das Papier betont jedoch, dass der schwierigste Teil darin bestehen wird, die Herausforderung des Marktes zu meistern: den Wettbewerb mit der massiven globalen Infrastruktur, die bereits vorhanden ist, um Lithium-Ionen-Batterien zu beschaffen, zu produzieren, zu versenden und zu installieren.
Massive Wetten
Andere Beobachter sagen jedoch, dass die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet sowohl darauf hindeuten, dass Lithium-Metall-Batterien die Energiedichte der Lithium-Ionen-Technologie deutlich übertreffen werden, als auch, dass die Probleme, die das Feld aufhalten, gelöst werden können.
Früher ging es darum, ob wir Lithium-Metall-Batterien haben werden; Jetzt ist die Frage, wann wir sie haben werden, sagt Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor an der Carnegie Mellon, der Lithium-Metall-Batterien erforscht hat (und Beratungsarbeit für QuantumScape geleistet hat).
Singh räumte ein, dass das Unternehmen immer noch vor Herausforderungen stehe, aber er besteht darauf, dass sie sich auf das Engineering und die Skalierung der Produktion beziehen. Er glaubt nicht, dass weitere Durchbrüche in der Chemie erforderlich sind.
Er stellte auch fest, dass das Unternehmen jetzt über mehr als 1 Milliarde US-Dollar verfügt, was ihm eine beträchtliche Startbahn bietet, um zur kommerziellen Produktion zu gelangen.
Auf die Frage, warum Journalisten Vertrauen in die Ergebnisse des Unternehmens haben sollten, ohne von unabhängigen Erkenntnissen zu profitieren, betonte Singh, dass er so viele Daten wie möglich teile, um transparent zu sein. Aber er fügt hinzu, dass QuantumScape nicht im Geschäft der akademischen Forschung ist.
Nichts für ungut, aber uns ist es egal, was du denkst, sagt er. Die Menschen, die uns am Herzen liegen, sind unsere Kunden. Sie haben die Daten gesehen, sie haben die Tests in ihrem eigenen Labor durchgeführt, sie haben gesehen, dass es funktioniert, und infolgedessen setzen sie massiv auf dieses Unternehmen. VW ist aufs Ganze gegangen.
Mit anderen Worten, der eigentliche Test, ob QuantumScape die Probleme so vollständig gelöst hat, wie es behauptet, ist, ob der deutsche Autoriese bis 2025 Autos mit den Batterien auf die Straße bringt.