Verdubbeling batterij van de Consumer Electronics
| Jerry Huang
Nieuwe lithium metaal batterijen kunnen smartphones, drones en elektrische auto's de laatste twee keer zo lang te maken.
Een MIT spin-off is bezig om een nieuwe oplaadbare lithium metal batterij commercialiseren dat biedt het dubbele van de energiecapaciteit van de lithium-ion batterijen die veel van de hedendaagse consumenten elektronica.
Opgericht in 2012 door MIT alumnus en voormalig postdoc Qichao Hu '07, heeft SolidEnergy Systems een “anode-free” lithium metal batterij ontwikkeld met verschillende materiaal vooruitgang die het twee keer zo energierijk, maar toch net zo veilig en duurzaam als de lithiumionbatterijen gebruikt in smartphones, elektrische voertuigen, wearables, hommels, en andere apparaten.
“Met twee maal de energiedichtheid, kunnen we een batterij half zo groot te maken, maar dat duurt nog steeds dezelfde hoeveelheid tijd als lithiumionbatterij. Of we kunnen een batterij van hetzelfde formaat als een lithium-ion batterij te maken, maar nu zal het twee keer zo lang duren “, zegt Hu, die mede-uitvinder van de batterij aan het MIT en is nu CEO van SolidEnergy.
De batterij wezen swap een gemeenschappelijke batterij anodemateriaal, grafiet, voor zeer dunne, hoge-energie-lithium metaalfolie, die meer ionen kan vasthouden - en dus zorgen voor meer energiecapaciteit. Chemische modificaties aan de elektrolyt ook de typisch kortstondige en vluchtige lithium-metaal-batterijen oplaadbaar en veiliger om gebruik te maken. Bovendien zijn de batterijen gemaakt Bestaande lithiumion productieapparatuur, waardoor ze schaalbaar maakt.
In oktober 2015 SolidEnergy aangetoond dat de allereerste werkend prototype van een oplaadbare lithium-metaal smartphone batterij met dubbele energiedichtheid, waardoor ze verdiende meer dan $ 12 miljoen van beleggers. Bij de helft van de grootte van de lithium-ion batterij die wordt gebruikt in een iPhone 6, biedt 2,0 amp uur, in vergelijking met de lithium-ion accu's 1,8 ampère uur.
SolidEnergy plannen om de batterijen om smartphones te brengen en wearables in het begin van 2017, en om elektrische auto's in 2018. Maar de eerste toepassing zal drones zijn, komen in november. “Verschillende klanten gebruiken drones en ballonnen om gratis internet te bieden aan de ontwikkelingslanden, en onderzoek naar de ramp noodhulp”, aldus Hu. “Het is een zeer spannende en edel-toepassing.”
Brengen van deze nieuwe batterijen in elektrische voertuigen en kunnen vertegenwoordigen “een enorme maatschappelijke impact,” Hu zegt: “Industrie standaard is dat elektrische voertuigen moeten minstens 200 mijl te gaan op een enkele lading. We kunnen de batterij helft van de grootte en de helft van het gewicht te maken, en het zal op dezelfde afstand afleggen, of we kunnen het dezelfde grootte en hetzelfde gewicht te maken, en nu zal gaan 400 mijl op een enkele lading.”
Het instellen van het “heilige graal” van de batterijen
Onderzoekers hebben al willen oplaadbare lithium metaal batterijen te maken, vanwege hun grotere energiecapaciteit decennia, maar het mocht niet baten. “Het is een beetje de heilige graal voor batterijen,” aldus Hu.
Lithiummetaal, één, slecht reageert met elektrolyt van de batterij - een vloeistof die ionen geleidt tussen de kathode (positieve elektrode) en de anode (negatieve elektrode) - en vormen verbindingen die verhoging weerstand in de batterij levensduur verminderen. Deze reactie leidt ook verweerde lithiummetaal bobbels, zogenaamde dendrieten, op de anode, die leiden tot kortsluitingen, waardoor er hoge warmte die de brandbare elektrolyt ontsteekt en waardoor de batterijen oplaadbare algemeen.
Maatregelen om de accu veiliger te maken ten koste van de energieprestatie van de batterij, zoals het veranderen van het vloeibare elektrolyt met een slecht geleidend vast polymeer elektrolyt dat bij hoge temperaturen te werk moet worden verwarmd, of een anorganische elektrolyt dat moeilijk te vergroot.
Tijdens het werken als postdoc in de groep van MIT professor Donald Sadoway, een bekende batterij onderzoeker die verschillende gesmolten zout en vloeibaar metaal batterijen heeft ontwikkeld, Hu heeft geholpen om een aantal belangrijke design en materiële vooruitgang in de lithium-metaal batterijen, die het fundament van geworden SolidEnergy technologie.
Een innovatie is met ultra-dun lithium- metaalfolie voor de anode, die ongeveer een vijfde van de dikte van een traditionele lithiummetaal anode en meerdere malen dunner en lichter dan traditionele grafiet, koolstof of silicium anodes. Dat gekrompen de batterij grootte door helft.
Maar er was nog steeds een grote tegenslag: de batterij alleen werkte bij 80 graden Celsius of hoger. “Dat was een showstopper”, aldus Hu. “Als de batterij niet werkt bij kamertemperatuur, dan is de commerciële toepassingen zijn beperkt.”
Dus Hu ontwikkelde een vaste en vloeibare hybride elektrolytoplossing. Hij bedekt het lithiummetaal film met een dunne vaste elektrolyt die niet hoeft te worden verwarmd functie. Hij creëerde een nieuwe quasi-ionische vloeibare elektrolyt die niet brandbaar en heeft extra chemische modificaties aan de separator en celontwerp zodat deze niet negatief reageren met het lithiummetaal.
Het eindresultaat was een batterij energie-capaciteit voordelen lithiummetaal batterijen, maar de veiligheid en levensduur kenmerken lithiumionbatterijen die kan werken bij kamertemperatuur. “De combinatie van de vaste bekleding en nieuwe hoogrendement ionische vloeibare materialen ligt ten grondslag aan SolidEnergy aan de technologiekant”, aldus Hu.
Zegen in vermomming
Aan de zakelijke kant, Hu bezocht de Martin Trust Centre for MIT Entrepreneurship om waardevolle inzichten van mentoren en investeerders te winnen. Hij schreef ook in Course 15,366 (Energy Ventures), waar hij een team gevormd om een business plan rond de nieuwe batterij te ontwikkelen.
Met hun business plan, het team won de eerste prijs op het MIT $ 100K Entrepreneurship Competition Accelerator Contest, en was een finalist in de MIT Clean Energy Prize. Daarna is het team vertegenwoordigd MIT op nationaal Clean Energy Prize wedstrijd gehouden in het Witte Huis, waar ze tweede geplaatst. In het najaar van 2012, Hu werd gearing tot SolidEnergy, gestart als A123 Systems, de bekende MIT Spinout het ontwikkelen van geavanceerde lithium-ion batterijen, faillissement aangevraagd. Het landschap zag er niet goed voor de accu bedrijven. “Ik had niet gedacht dat mijn bedrijf was gedoemd, ik dacht dat mijn bedrijf zou zelfs nooit de slag te gaan”, aldus Hu.
Maar dit was iets van een geluk bij een ongeluk: Door middel van Hu's MIT verbindingen, SolidEnergy was in staat om de A123 te gebruiken is dan-inactief faciliteiten in Waltham - to prototype - die droge en schone kamers, en de productie van apparatuur inbegrepen. Wanneer A123 door Wanxiang Group in 2013 werd overgenomen, SolidEnergy een samenwerkingsovereenkomst ondertekend om te blijven gebruiken middelen A123's.
Bij A123, werd SolidEnergy gedwongen om prototype met de bestaande lithium-ion productieapparatuur - die uiteindelijk leidde het opstarten om het ontwerp roman, maar de handel praktisch, batterijen. Batterij bedrijven met nieuw materiaal innovaties vaak nieuwe productieprocessen rond nieuwe materialen, die niet praktisch en soms niet schaalbaar te ontwikkelen, aldus Hu. “Maar we werden gedwongen om materialen die in de bestaande productielijn kan worden geïmplementeerd gebruiken,” zegt hij. “Door te beginnen met deze real-world het vervaardigen van perspectief en het opbouwen van real-world batterijen, waren we in staat om te begrijpen welke materialen werkte in die processen, en vervolgens terug te werken om nieuwe materialen te ontwerpen.”
Na drie jaar van het delen van de ruimte A123's in Waltham, SolidEnergy deze maand verhuisde het hoofdkantoor naar een nieuwe, state-of-the-art proeffaciliteit in Woburn dat is 10 keer groter - en “kan de vleugels van een Boeing 747 in het huis” Hu zegt - met doeleinden van ramping up productie voor hun november te lanceren.
Het originele artikel geschreven door Rob Matheson van MIT News Office op 16 augustus 2016.