Verdopplungsbatterieleistung von Consumer Electronics
| Jerry Huang
Neue Lithium-Metall-Batterien könnten Smartphones, Drohnen und Elektroautos letzten doppelt so lang.
Ein MIT spinout bereitet sich auf eine neue wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie zu kommerzialisieren, dass Angebote, die Energiekapazität der Lithium-Ionen-Akkus, viele der heutigen Unterhaltungselektronik verdoppeln.
Gegründet im Jahr 2012 von MIT-Alumnus und ehemaligen Postdoc Qichao Hu '07 hat SolidEnergy System eine „Anode frei“ Lithium-Metall-Batterie mit mehreren Materialien Fortschritten entwickelt, die es doppelt so energiedichter machen, aber genauso sicher und langlebig wie die Batterien Lithium-Ionen, die in Smartphones, Elektroautos, Wearables, Drohnen und anderen Geräten.
„Mit zweifachen der Energiedichte können wir eine Batterie halb so groß, machen aber das dauert noch die gleiche Menge an Zeit, wie ein Lithium-Ionen-Akku. Oder wir können eine Batterie die gleiche Größe wie eine Lithium-Ionen-Akku, aber jetzt wird es doppelt so lange dauern“, sagt Hu, der Miterfinder der Batterie am MIT und ist jetzt CEO von SolidEnergy.
Die Batterie Wesentliches auslagert ein gemeinsames Batterieanodenmaterial, Graphit, für sehr dünne, Hochenergie-Lithium-Metallfolie, die mehr Ionen aufnehmen kann - und deshalb mehr Energie Kapazität bereitzustellen. Chemische Modifikationen an den Elektrolyten machen auch die typischerweise kurzlebig und flüchtige Lithium-Metall-Batterien wiederaufladbar und sicherer. Darüber hinaus sind die Batterien in einem der vorhandenen Lithium-Ionen-Fertigungsanlagen hergestellt, die sie skalierbar macht.
Im Oktober 2015 zeigte SolidEnergy erstmals ein funktionierender Prototyp einen wiederaufladbaren Lithium-Metall-Smartphone-Akku mit doppelter Energiedichte, die sie verdienten mehr als $ 12 Millionen von Investoren. Bei der Hälfte der Größe der Lithium-Ionen-Batterie in einem iPhone 6 verwendet wird, bietet es 2,0 Amperestunden, verglichen mit dem Lithium 1,8 Amperestunden des Ionen-Akkus.
SolidEnergy Pläne, die Batterien auf Smartphones zu bringen und Wearables Anfang 2017 und Elektroautos im Jahr 2018 aber die erste Anwendung wird Drohnen sein, im November dieses Jahr kommen. „Einige Kunden nutzen Drohnen und Ballons frei Internet in die Entwicklungsländer zur Verfügung zu stellen, und Umfrage für die Katastrophenhilfe“, sagt Hu. „Es ist eine sehr spannende und edel-Anwendung.“
Putting darstellen könnte diese neuen Batterien in Elektrofahrzeugen als auch „eine große gesellschaftliche Bedeutung“, sagt Hu: „Industriestandard ist, dass Elektrofahrzeuge mindestens 200 Meilen mit einer einzigen Ladung gehen müssen. Wir können die Batterie halb machen die Größe und die Hälfte des Gewichts, und es wird die gleiche Strecke fahren, oder wir können es die gleiche Größe und das gleiche Gewicht machen, und jetzt wird es 400 Meilen mit einer einzigen Ladung gehen.“
Zwicken den „heiligen Gral“ der Batterien
Forscher haben seit Jahrzehnten gesucht wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien, aufgrund ihrer größeren Energiekapazität, aber ohne Erfolg zu machen. „Es ist eine Art der heilige Gral für Batterien“, sagt Hu.
Lithiummetall, für ein, reagiert schlecht mit dem Elektrolyten der Batterie - eine Flüssigkeit, die Ionen leitet, die zwischen der Kathode (positive Elektrode) und die Anode (negative Elektrode) - und bildet Verbindungen, die Erhöhung Widerstand in der Batterie und der Zyklus-Lebensdauer reduzieren. Diese Reaktion erzeugt auch mossy Lithium-Metall-Bumps, genannt Dendriten auf der Anode, was zu Kurzschlüssen führen, hohe Wärme erzeugt, die die brennbaren Elektrolyten zündet und die Herstellung der Batterien in der Regel nicht wiederaufladbare.
Maßnahmen, um die Batterien sicherer kommen zu den Kosten der Batterie-Energieleistung zu machen, wie beispielsweise die flüssigen Elektrolyten mit einem schlecht leitenden festen Polymerelektrolyten-Schalt heraus, dass bei hohen Temperaturen zu arbeiten oder mit einem anorganischen Elektrolyten erwärmt werden muß, die schwierig zu vergrößern.
Während seiner Tätigkeit als Postdoc arbeitet in der Gruppe von MIT-Professor Donald Sadoway, einem bekannten Batterie Forscher, der mehrere geschmolzene Salz und Flüssigmetall-Batterien entwickelt hat, half Hu mehrere wichtige Design- und Materialentwicklungen in Lithium-Metall-Batterien zu machen, die die Grundlage wurde von SolidEnergy Technologie.
Eine Neuerung wurde unter Verwendung einer ultradünnen Lithiummetallfolie für die Anode, die etwa ein Fünftel der Dicke einer herkömmlichen Lithiummetallanode, und mehrere Male dünner und leichter als herkömmliches Graphit, Kohlenstoff, Silizium oder Anoden. Das schrumpfte die Batteriegröße um die Hälfte.
Aber es war immer noch ein schwerer Rückschlag: Die Batterie nur bei 80 Grad Celsius oder höher gearbeitet. „Das war ein Hemmschuh“, sagt Hu. „Wenn die Batterie bei Raumtemperatur nicht funktioniert, dann werden die kommerziellen Anwendungen beschränkt.“
So Hu entwickelte eine feste und flüssige Hybridelektrolytlösung. Er beschichtet, um die Lithiummetallfolie mit einem dünnen Festelektrolyten, das nicht auf Funktion erhitzt werden muss. Er erzeugt auch eine neue quasi-ionischen flüssigen Elektrolyten, der nicht entflammbar ist, und weist zusätzliche chemische Modifikationen an dem Separator und Zelldesign aus negativ mit dem Lithiummetall reagieren zu stoppen.
Das Endergebnis war eine Batterie, mit Energie-Kapazität Vorteilen von Lithium-Metall-Batterien, wobei jedoch die Sicherheit und Langlebigkeit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien, die bei Raumtemperatur arbeiten können. „Die Kombination der festen Beschichtung und neue hocheffiziente ionische flüssige Materialien die Grundlage für SolidEnergy auf der Technologieseite war“, sagt Hu.
Glück im Unglück
Auf der Unternehmensseite, frequentierte Hu den Martin Trust Center für MIT Entrepreneurship wertvolle Einblicke von Mentoren und Investoren zu gewinnen. Er schrieb ich auch in Course 15,366 (Energy Ventures), wo er ein Team gebildet, um einen Business-Plan rund um die neue Batterie zu entwickeln.
Mit ihrem Geschäftsplan, gewann das Team den ersten Preis am MIT $ 100K Entrepreneurship Competition Accelerator-Wettbewerb und war ein Finalist in dem MIT-Clean Energy-Preis. Danach stellte die Team-Wettbewerb MIT auf nationaler Clean Energy-Preis im Weißen Haus statt, wo sie den zweiten Platz. Ende 2012 wurde rüstet Hu bis SolidEnergy zu starten, wenn A123 System, das bekannten MIT modernen Lithium-Ionen-Batterien Spinout Entwicklung, Konkurs angemeldet. Die Landschaft sah nicht gut aus für die Batterie Unternehmen. „Ich glaube nicht, mein Unternehmen zum Scheitern verurteilt war, dachte ich nur meine Firma würde nie selbst loszulegen“, sagt Hu.
Aber das war so etwas wie ein Segen in Verkleidung: Durch Hu MIT Verbindungen, SolidEnergy konnte die A123 verwenden ist dann Leerlauf-Einrichtungen in Waltham - die trocken aufgenommen und saubere Zimmer und Fertigungsanlagen - zum Prototyp. Wenn A123 von Wanxiang-Gruppe im Jahr 2013 erworben wurde, unterzeichnet SolidEnergy ein Abkommen zur Zusammenarbeit mit A123 Ressourcen fortzusetzen.
Bei A123 wurde SolidEnergy zu Prototyp mit bestehenden Lithium-Ionen-Herstellungsanlagen gezwungen - die letzten Endes den Start Design neuartiger geführt, aber kommerziell praktisch, Batterien. Batterie Unternehmen mit neuen Materialinnovationen oft neue Herstellungsverfahren um neue Materialien entwickeln, die nicht praktikabel sind und manchmal nicht skalierbar, sagt Hu. „Aber wir waren gezwungen, Materialien zu verwenden, die in die bestehenden Fertigungslinie implementiert werden können“, sagt er. „Durch die Zusammenarbeit mit dieser realen Welt Start-Herstellung Perspektive und den Aufbau der realen Welt-Batterien, konnten wir verstehen, welche Materialien in diesen Prozessen gearbeitet, und die Arbeit nach hinten dann neuen Materialien zu entwickeln.“
Nach drei Jahren in Waltham A123 den mitnutzen, SolidEnergy in diesem Monat seinen Hauptsitz nach einem brandneuen bewegt, state-of-the-art-Pilotanlage in Woburn, die 10-mal größer ist - und „die Flügel einer Boeing aufnehmen kann 747“ Hu sagt - Ziele verfolgen Hochlauf der Fertigung für ihre Einführung November.
Original-Artikel geschrieben von Rob Matheson von MIT News Office am 16. August 2016.