211service.com
Neuartige Lithium-Metall-Batterien werden den Umstieg auf Elektroautos vorantreiben
Ein neuartiger Batterietyp könnte Elektroautos endlich so bequem und günstig machen wie Benziner.
Bei QuantumScape werden Batteriekomponenten mit einem Röntgendiffraktometer überprüft. Die Schuldigen sind Wintermeyer
24. Februar 2021
Warum es wichtig ist:Die Leistungsbeschränkungen von Batterien haben den Wechsel zu saubereren Elektroautos zurückgehalten und Elektroflugzeuge so gut wie ausgeschlossen.
Schlüsselfiguren:• QuantumScape
• Samsung Advanced Institute of Technology
• Solide Leistung
• 24M
Verfügbarkeit:2025
Bei allem Hype und Hoffnung rund um Elektrofahrzeuge machen sie immer noch nur etwa 2 % der Neuwagenverkäufe in den USA und nur ein wenig mehr weltweit aus.
Vielen Käufern sind sie einfach zu teuer, die Reichweite zu gering und das Aufladen bei weitem nicht so schnell und bequem wie das Tanken an der Zapfsäule.
Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2021
- Siehe den Rest des Problems
- Abonnieren
All diese Einschränkungen haben mit den Lithium-Ionen-Batterien zu tun, die die Fahrzeuge antreiben. Sie sind teuer, schwer und haben schnell keinen Saft mehr. Erschwerend kommt hinzu, dass die Batterien auf flüssige Elektrolyte angewiesen sind, die bei Kollisionen in Flammen aufgehen können.
Um Elektroautos gegenüber gasbetriebenen wettbewerbsfähiger zu machen, bedarf es einer bahnbrechenden Batterie, die diese Mängel behebt. Das ist zumindest das Argument von Jagdeep Singh, Geschäftsführer von QuantumScape, einem Silicon-Valley-Startup, das behauptet, sich gerade entwickelt zu haben eine solche Technologie .
Das Unternehmen behauptet, dass es dies getan hat, indem es ein Chemie-Puzzle gelöst hat, das Forscher seit fast einem halben Jahrhundert verblüfft: Wie kann man Lithium, das leichteste Metall im Periodensystem, verwenden, um die Energiemenge zu erhöhen, die in eine Batterie gepackt werden kann, ohne eine routinemäßige Brandgefahr oder anderweitige Leistungseinbußen. Das Unternehmen sagt, dass es dies zum großen Teil durch die Entwicklung einer festen Version des brennbaren flüssigen Elektrolyten erreicht hat.
VW war beeindruckt genug, Hunderte von Millionen Dollar in QuantumScape zu investieren. Der deutsche Autoriese stimmte auch der Gründung eines Joint Ventures mit dem Unternehmen zu, um die Batterien in Massenproduktion herzustellen, und sagt, dass sie bis 2025 in seinen Elektroautos und -lastwagen auf der Straße sein werden.
Schnelleres Laden und größere Reichweite
Bei einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie besteht eine der beiden Elektroden, die Anode, größtenteils aus Graphit. Dies ist eine Form von Kohlenstoff, die die geladenen Lithium-Ionen, die zwischen Anode und Kathode durch den Elektrolyten hin und her pendeln, leicht aufnehmen und abgeben kann. Dieser Strom geladener Teilchen erzeugt einen elektrischen Strom, der aus der Batterie fließt, um alles mit Strom zu versorgen, was mit Strom versorgt werden muss. Doch das Graphit ist nur ein Wirt für die Lithium-Ionen, die sich wie Verpackungen in Regalen zwischen Kohlenstoffschichten einnisten. Es ist Eigengewicht, das keine Energie speichert oder selbst Strom erzeugt.
Bei einer Lithium-Metall-Batterie besteht die Anode selbst aus Lithium. Das bedeutet, dass fast jedes Atom in der Anode der Batterie auch zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Theoretisch könnte eine Batterie auf Lithium-Metall-Anodenbasis 50 % mehr Energie speichern als eine Batterie mit demselben Gewicht und Volumen, die auf Graphit basiert.
Da Lithiummetall jedoch so reaktiv ist, kann der ständige Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyten Reaktionen auslösen, die die Batterie beeinträchtigen oder zum Verbrennen führen, sagt Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor an der Carnegie Mellon, der an Lithium-Metall-Batterien arbeitet und a Berater für QuantumScape. Ein weiteres Problem ist, dass sich beim Hin- und Herfließen der Lithium-Ionen nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, in den Batterien bilden und die Zelle kurzschließen oder in Brand setzen können.
Die Prototypzelle von QuantumScape verfügt über eine feste Version des normalerweise flüssigen Elektrolyten.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, das im November an die Börse ging, nachdem es ein Jahrzehnt lang im Stealth-Modus gearbeitet hatte, hält immer noch einige der kritischen Details zurück, wie seine Festelektrolytbatterie diese Probleme überwindet. Aber es scheint bemerkenswert gut zu funktionieren.
In einer Online-Präsentation im Dezember zeigte das Startup eine Reihe von Diagrammen, die zeigen, dass eine einschichtige Laborversion des Akkus in 15 Minuten auf mehr als 80 % seiner Kapazität aufgeladen werden kann, Hunderttausende von Kilometern hält und funktioniert gut bei Minustemperaturen. Das Unternehmen erwartet, dass die Batterien die Reichweite von Elektrofahrzeugen um mehr als 80 % steigern können: Ein Auto, das heute mit einer einzigen Ladung 250 Meilen fahren kann, könnte stattdessen 450 Meilen fahren.
QuantumScape hat mich zurückgeworfen, sagt Nancy Dudney, eine Batterieforscherin am Oak Ridge National Laboratory, die Pionierarbeit zu Festkörperelektrolyten geleistet hat. Auf den ersten Blick sieht es wirklich gut aus, sagt sie, obwohl sie hinzufügt: Wir waren schon einmal mit anderen Fortschritten bei der Batterie hier.
Tatsächlich ist die Batteriebranche mit Beispielen von Startups übersät, die bahnbrechende Technologien versprachen, aber letztendlich scheiterten. Und die Herausforderungen vor QuantumScape sind entmutigend, insbesondere wenn es darum geht, seine Prototypzellen in kommerzielle Produkte umzuwandeln, die billig hergestellt werden können.
Wenn das Unternehmen erfolgreich ist, könnte es den Markt für Elektrofahrzeuge verändern. Kosten senken, die Reichweite erhöhen und das Aufladen fast so bequem machen wie das Tanken an einer Tankstelle, könnte die Nachfrage über Menschen hinaus steigern, die es sich leisten können, Tausende von Dollar für Ladeanschlüsse zu Hause auszugeben, und die Ängste derjenigen lindern, die befürchten, festzusitzen längere Reisen.
Die zusätzliche Energiedichte und das schnellere Aufladen könnten es auch praktischer machen, andere Transportmittel zu elektrifizieren, einschließlich Langstrecken-Lkw und sogar Kurzstreckenflüge. (Als Bonus würde es auch Telefone und Laptops liefern, die mit einer Ladung ein paar Tage halten könnten.)
Geburt einer Batterie
Die Geschichte der Lithium-Metall-Batterien begann in den frühen 1970er Jahren und ist eng mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien verflochten, auf die wir uns heute verlassen.
Die Ölkrisen der Ära, gepaart mit der, wie sich herausstellte, sehr frühen Befürchtung, dass der Erdölvorrat zu hoch sein würde, ließen zum ersten Mal seit den Anfängen der Autoindustrie plötzlich das Interesse an Elektrofahrzeugen wieder aufleben. Bis 1972 arbeiteten American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW und andere an Elektroautos, wie der Wissenschaftsautor Seth Fletcher in dem Buch beschreibt Flaschenbeleuchtung . In der Zwischenzeit suchten große Industrielabore, darunter die von GE, Dow Chemical und Exxon, nach besseren Batteriechemien.
Die damaligen Batterien, die hauptsächlich aus Blei-Säure bestanden, konnten nicht annähernd die Entfernungen oder Geschwindigkeiten von Gasmotoren liefern. 1969, General Motors’ experimentelles Elektroauto 512 rühmte sich einer Höchstgeschwindigkeit von etwa 30 Meilen pro Stunde, mit einer Reichweite von 47 Meilen.
In einer Lithium-Ionen-Batterie pendeln Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her, wenn die Batterie geladen und entladen wird. In der Batterie von QuantumScape wandern die Ionen durch einen Separator und bilden zwischen ihm und dem elektrischen Kontakt eine perfekt flache Schicht, die beim Laden die Anode bildet. Im erschöpften Zustand fehlt ihm eine Anode.
1972 stellte die Forschungsabteilung von Exxon einen jungen Chemiker namens Stan Whittingham aufgrund seiner Postdoc-Arbeit in Stanford ein. Insbesondere entwickelte er kristalline Materialien, die es Ionen ermöglichten, leicht ein- und auszuströmen. Bei Exxon begannen Whittingham und seine Kollegen, mit einem vielversprechenden porösen Material für eine Kathode zu experimentieren: Titandisulfid. Sie kombinierten es mit einer Anode aus metallischem Lithium, einem hochreaktiven Material, das seine Elektronen leicht freisetzt. Es funktionierte überraschend gut.
Das Team meldete 1973 ein Patent an und veröffentlichte einen Meilenstein Papier in Wissenschaft im Jahr 1976 und zeigte eine größere Version der Zellen 1977 auf einer Automesse .
In den frühen 1980er Jahren war die Ölkrise vorbei. Das neue Management von Exxon beschloss, alle Geschäftsbereiche ohne das Potenzial, ein 100-Millionen-Dollar-Jahresmarkt zu werden, abzustoßen. Das Unternehmen stellte seine Bemühungen um Elektrofahrzeuge und Batterien ein. Sie sagten: „Diese sind zu klein, als dass wir uns daran beteiligen könnten“, sagt Whittingham.
Lithium-Ionen übernimmt
Lithium-Metall-Batterien waren Blei-Säure-Batterien weit überlegen, aber sie hatten auch inhärente Nachteile, die das Exxon-Team nie gelöst hatte, einschließlich ihrer Angewohnheit, Feuer im Labor zu entfachen.
Andere, die versuchten, Lithium-Metall-Batterien zu kommerzialisieren, stießen auf ähnliche Probleme. In den 1980er Jahren entwickelte Moli Energy aus British Columbia einen 2,2-Volt-Lithium-Metall-Akku für Laptops und Mobiltelefone. Aber 1989 fing ein japanisches Handy Feuer, seinen Besitzer verbrennen . Nachdem eine Untersuchung die Schuld dem Akku zugeschrieben hatte, wurden laut Electric Autonomy Canada Tausende von Mobiltelefonen zurückgerufen und das Unternehmen unter Konkursverwaltung gestellt.
In der Zwischenzeit bauten andere auf Whittinghams Arbeit auf. John Goodenough, jetzt Professor an der University of Texas in Austin, verwendete Kobaltoxid anstelle von Titandisulfid, um eine Kathode zu entwickeln, die mehr Energie speichern kann. Akira Yoshino, Professor an der Meijo-Universität, tauschte die Anode aus reinem Lithium gegen Koks (eine andere Form von Kohlenstoff) aus, das immer noch viele Lithium-Ionen speichern konnte, aber die Brandgefahr verringerte. Schließlich setzten Forscher bei Sony die Teile zusammen, um 1992 die ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Whittingham, Goodenough und Yoshino 201 den Nobelpreis für Chemie geteilt 9 für ihre Rolle beim Durchbruch.
Der durchschlagende Erfolg von Lithium-Ionen-Batterien, die heute unsere Laptops, Telefone und Elektrofahrzeuge mit Strom versorgen, hat die Bemühungen um eine Kommerzialisierung der Lithium-Metall-Technologie für die kommenden Jahre zunichte gemacht. Aber einige haben nie das Potenzial von Lithium-Metall aus den Augen verloren, eine effizientere Form der Energiespeicherung zu sein. Und der Ersatz der standardmäßigen flüssigen Elektrolyte, die effektiv brennbare Lösungsmittel sind, durch feste Materialien schien ein besonders vielversprechender Weg der Erforschung zu sein.
Um das Jahr 2000 demonstrierte ein Team des Oak Ridge National Laboratory Dünnschichtbatterien – die Art, die in kleinen elektronischen Geräten wie Smartcards und Herzschrittmachern eingesetzt wird – die Festkörper-Lithium-Metall-Technologie verwendeten. Der Produktionsprozess sowie die Größe und Form von Dünnschichtbatterien schränken ihre Verwendung jenseits von allem, was größer als eine Uhr ist, ein, sagt Paul Albertus, Batterieexperte an der University of Maryland. Aber die Arbeit lieferte einen entscheidenden Machbarkeitsnachweis für eine funktionierende Lithium-Metall-Batterie.
Töten auf der Straße
Ende der 2000er Jahre hatten verschiedene Startups begonnen, die Technologie wieder zu verfolgen. Aber es hat sich als tückischer Weg erwiesen.
Einige haben bereits geschlossen. Seeo wurde 2007 gegründet und von der deutschen Firma Bosch aufgekauft, die später ihre Bemühungen in der Batterieforschung einstellte. Das in Frankreich ansässige Unternehmen Bolloré war das erste Unternehmen, das Festkörper-Lithium-Metall-Batterien in Fahrzeuge auf der Straße einbaute, und startete 2011 seine Bluecar-Carsharing-Programme. Seine Elektrolyte auf Polymerbasis funktionieren jedoch nur bei höheren Temperaturen, was ihre Verwendung in Verbraucherfahrzeugen einschränkt .
Auf dieser Fertigungslinie werden Kathoden für die Batterien von QuantumScape hergestellt.
WINNI WINTERMEYEREine Handvoll anderer Unternehmen hat jedoch neuere Fortschritte gemacht. Vor allem zwei Tage nach der Präsentation von QuantumScape im vergangenen Dezember gab Solid Power, ein 2012 gegründetes Startup aus Colorado, bekannt, dass es bereits Chargen von 22-lagigen Lithium-Metall-Zellen im Pilotmaßstab herstellt, die die Reichweite heutiger Elektrofahrzeugbatterien übertreffen würden .
Und im Januar kündigte die ARPA-E-Abteilung des Energieministeriums an, dass sie 9 Millionen US-Dollar in die Bemühungen des Batterieunternehmens 24M und von Viswanathan von Carnegie Mellon investieren werde, um Lithium-Metall-Batterien für Elektroflugzeuge zu entwickeln, bei denen die gespeicherte Energie und die abgegebene Leistung pro Kilogramm sind zentral.
Starten von QuantumScape
Der Trick für jedes Unternehmen, das Lithium-Metall-Batterien entwickelt, bestand darin, Elektrolytmaterialien zu finden, die Brände und Dendriten verhindern und gleichzeitig Ionen leicht passieren lassen, ohne die Leistung der Batterie anderweitig zu beeinträchtigen. Und genau das behauptet QuantumScape getan zu haben.
Verwandte Geschichte
Diese superenergiedichte Batterie könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen nahezu verdoppeln Einige Beobachter sind jedoch nicht davon überzeugt, dass die Lithium-Metall-Batterien von QuantumScape Autos und Lastwagen auf der Straße antreiben werden, sobald das Unternehmen behauptet.Die Ursprünge des Unternehmens reichen bis ins Jahr 2009 zurück. Als Singh sich darauf vorbereitete, als CEO von Infinera, einem von ihm mitbegründeten Netzwerkunternehmen, zurückzutreten, begann er mit Stanford-Postdoktorand Tim Holme und seinem Berater Friedrich Prinz über die Gründung eines Unternehmens auf Basis von ihre Forschung an neuartigen Batteriematerialien.
Das Trio gründete im folgenden Jahr QuantumScape mit dem Ziel, energiedichte Batterien mit hoher Ausgangsleistung zu entwickeln. Sie versuchten dies zunächst, indem sie einen völlig neuen Batterietyp entwickelten, der als All-Elektronen-Batterie bekannt ist, stellten jedoch fest, dass dies schwieriger sein würde, als es zunächst schien.
Bis dahin hatte das Unternehmen zig Millionen Dollar von Risikokapitalfirmen wie Kleiner Perkins und Khosla Ventures aufgebracht. Damit blieb QuantumScape genug Geld, um stillschweigend die Richtung zu ändern und den Traum der Lithium-Metall-Technologie zu verfolgen.
Das Unternehmen verbrachte die nächsten fünf Jahre damit, genau das richtige Material für die Entwicklung eines Festkörperelektrolyten zu suchen, sagt Singh. Dann verbrachte es weitere fünf damit, die richtige Zusammensetzung und den Herstellungsprozess auszuarbeiten, um Defekte und Dendriten zu vermeiden. Alles, was das Unternehmen über seinen Elektrolyten sagen wird, ist, dass es sich um eine Keramik handelt.
Sind wir schon da?
Alle bisher von QuantumScape veröffentlichten Tests wurden an einschichtigen Zellen durchgeführt. (Nachdem dieser Artikel in Druck ging, gab das Unternehmen bekannt, dass es 4-Schicht-Zellen hergestellt und Tests durchgeführt hat, die ähnliche Ergebnisse erzielten.) Um in Autos zu arbeiten, muss das Unternehmen Batterien herstellen, die mit verpackt sind mehrere Dutzend Schichten , effektiv von einer einzelnen Spielkarte zu einem Deck wechseln. Und es muss noch einen Weg finden, diese Zellen so billig herzustellen, dass sie mit der seit Jahrzehnten dominierenden Lithium-Ionen-Batterietechnologie konkurrieren können.
Es ist eine entmutigende Ingenieursaufgabe. Sie sind halbwegs da – nach 10 Jahren und 300 Millionen Dollar und 150 Leuten, die daran arbeiten, haben sie jetzt diese kleine Spielkarte, sagt Albertus von der University of Maryland. Das ist noch ein langer Weg von der Lieferung von Batterien im Tausend-Tonnen-Maßstab – und es ist eine wirklich schwierige Herausforderung. Mehrere Batterieforscher sagten mir, dass sie ernsthaft bezweifeln, dass QuantumScape skalieren und vollständige Sicherheitstests rechtzeitig abschließen kann, um Batterien in Autos in nur vier Jahren auf die Straße zu bringen.
Angesichts der Ergebnisse des Unternehmens und der ermutigenden Ankündigungen anderer Startups glauben die meisten Menschen in der Batteriewelt, dass es wahrscheinlicher aussieht, dass die Probleme, die Lithium-Metall seit Jahrzehnten aufhalten, gelöst werden können – weshalb es auf der Liste der MIT Technology Review steht bahnbrechende Technologien in diesem Jahr. Aber es ist auch klar, dass trotz all der Fortschritte, die seit Whittinghams Zeit bei Exxon gemacht wurden, noch Jahre der Arbeit vor uns liegen.
Update: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um einen Fehler zu korrigieren, der betraf, wie viel zusätzliche Energie eine Lithium-Metall-Batterie theoretisch speichern kann.
2021