Dieser Batterievorsprung könnte Elektrofahrzeuge deutlich billiger machen

Sie sind Nanotechnologien

Seit sieben Jahren arbeitet ein Startup aus dem kalifornischen Alameda im Stillen an einem neuartigen Anodenmaterial, das verspricht, die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu steigern.

Sila Nanotechnologies ist letzten Monat aus dem Stealth-Modus herausgekommen und hat sich mit BMW zusammengetan, um die siliziumbasierten Anodenmaterialien des Unternehmens bis 2023 in mindestens einige der Elektrofahrzeuge des deutschen Autoherstellers zu integrieren. Ein BMW-Sprecher erzählte das Wallstreet Journal Das Unternehmen erwartet, dass der Deal zu einer Steigerung der Energiemenge um 10 bis 15 Prozent führen wird, die Sie in eine Batteriezelle mit einem bestimmten Volumen packen können. Gene Berdichevsky, CEO von Sila, sagt, dass die Materialien letztendlich eine Verbesserung von bis zu 40 Prozent bewirken könnten (siehe 35 Innovators Under 35: Gene Berdichevsky).

Bei Elektrofahrzeugen erhöht eine Erhöhung der sogenannten Energiedichte entweder die mit einer einzigen Ladung mögliche Reichweite erheblich oder senkt die Kosten der Batterien, die zum Erreichen der Standardreichweiten erforderlich sind. Bei Verbrauchergeräten könnte es die Frustration von Mobiltelefonen lindern, die den Tag nicht überstehen, oder es könnte leistungshungrige Funktionen der nächsten Generation wie größere Kameras oder ultraschnelle 5G-Netzwerke ermöglichen.

Forscher haben Jahrzehnte damit verbracht, die Fähigkeiten von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, aber diese Gewinne kommen normalerweise nur um wenige Prozentpunkte auf einmal. Wie hat Sila Nanotechnologies also einen so großen Sprung gemacht?

Berdichevsky, Mitarbeiter Nummer sieben bei Tesla, und CTO Gleb Yushin , Professor für Materialwissenschaften am Georgia Institute of Technology, lieferte kürzlich in einem Interview mit eine tiefere Erklärung der Batterietechnologie MIT Technology Review .

Sila-Mitbegründer (von links nach rechts), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky und Alex Jacobs. Sila Nanotechnologien

Eine Anode ist die negative Elektrode der Batterie, die in diesem Fall Lithium-Ionen speichert, wenn eine Batterie geladen wird. Ingenieure glauben seit langem, dass Silizium aus einem einfachen Grund ein großes Potenzial als Anodenmaterial hat: Es kann 25-mal mehr Lithium-Ionen binden als Graphit, das Hauptmaterial, das heute in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Aber das kommt mit einem großen Haken. Wenn Silizium so viele Lithium-Ionen aufnimmt, dehnt sich sein Volumen aus und belastet das Material so, dass es beim Laden leicht zerbröckelt. Diese Schwellung löst auch elektrochemische Nebenreaktionen aus, die die Batterieleistung reduzieren.

Im Jahr 2010 war Yushin Co-Autor einer wissenschaftlichen Studie Papier die ein Verfahren zur Herstellung starrer Nanopartikel auf Siliziumbasis identifizierten, die innen porös genug sind, um erhebliche Volumenänderungen aufzunehmen. Er tat sich mit Berdichevsky und einem anderen ehemaligen Tesla-Batterieingenieur, Alex Jacobs, zusammen, um im folgenden Jahr Sila zu gründen.

Seitdem arbeitet das Unternehmen an der Kommerzialisierung dieses Grundkonzepts und entwickelt, produziert und testet Zehntausende verschiedener Arten von immer raffinierteren Anoden-Nanopartikeln. Es fand Möglichkeiten, die innere Struktur zu verändern, um zu verhindern, dass der Batterieelektrolyt in die Partikel sickert, und es erzielte Dutzende von inkrementellen Zuwächsen bei der Energiedichte, die sich letztendlich zu einer Verbesserung von etwa 20 Prozent gegenüber der besten bestehenden Technologie summierten.

Letztendlich schuf Sila ein robustes, kugelförmiges Partikel in Mikrometergröße mit einem porösen Kern, der einen Großteil der Schwellung innerhalb der inneren Struktur leitet. Die Außenseite des Partikels ändert während des Ladevorgangs weder Form noch Größe, wodurch ansonsten eine normale Leistung und Lebensdauer gewährleistet ist.

Die resultierenden Verbundanodenpulver dienen als Drop-in-Material für bestehende Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen.

Bei jeder neuen Batterietechnologie dauert es mindestens fünf Jahre, um die Qualitäts- und Sicherheitssicherungsprozesse der Automobilindustrie zu durchlaufen – daher der Zeitplan 2023 mit BMW. Aber Sila ist bei der Unterhaltungselektronik auf einem schnelleren Weg, wo es Anfang nächsten Jahres erwartet, Produkte mit seinen Batteriematerialien in den Regalen zu sehen.

Laut Venkat Viswanathan, Maschinenbauingenieur bei Carnegie Mellon, macht Sila große Fortschritte. Aber er warnt davor, dass Verbesserungen bei einer Batteriemetrik oft auf Kosten anderer gehen – wie Sicherheit, Ladezeit oder Lebensdauer – und dass sich das, was im Labor funktioniert, nicht immer perfekt in Endprodukte umsetzen lässt.

Unternehmen wie Enovix und Enevate entwickeln ebenfalls Silizium-dominierte Anodenmaterialien. Währenddessen verfolgen andere Unternehmen ganz andere Wege zu Speicherkapazitäten mit höherer Kapazität, insbesondere einschließlich Festkörperbatterien. Diese verwenden Materialien wie Glas, Keramik oder Polymere, um flüssige Elektrolyte zu ersetzen, die helfen, Lithiumionen zwischen Kathode und Anode zu transportieren.

BMW hat das auch Partner mit Solid Power, einem Spin-out der University of Colorado Boulder, das behauptet, dass seine Solid-State-Technologie, die auf Lithium-Metall-Anoden basiert, zwei- bis dreimal mehr Energie speichern kann als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Inzwischen Ionic Materials, die vor kurzem erzogen 65 Millionen US-Dollar von Dyson und anderen, hat einen festen Polymerelektrolyten entwickelt, von dem es behauptet, dass er sicherere, billigere Batterien ermöglichen wird, die bei Raumtemperatur betrieben werden können und auch mit Lithiummetall funktionieren.

Einige Batterieexperten glauben, dass die Festkörpertechnologie letztendlich größere Gewinne in der Energiedichte verspricht, wenn die Forscher einige große verbleibende technische Hindernisse überwinden können.

Aber Berdichevsky betont, dass die Materialien von Sila jetzt serienreif sind und im Gegensatz zu Festkörper-Lithium-Metall-Batterien keine teuren Ausrüstungs-Upgrades seitens der Batteriehersteller erfordern.

Da das Unternehmen zusätzliche Möglichkeiten zur Begrenzung der Volumenänderung in den siliziumbasierten Partikeln entwickelt, glauben Berdichevsky und Yushin, dass sie die Energiedichte weiter erhöhen und gleichzeitig die Ladezeiten und die Gesamtlebensdauer verbessern können.

Diese Geschichte wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass Samsung nicht in die letzte Finanzierungsrunde von Ionic Material investiert hat.

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