Fördubbla batterikraften hos konsumentelektronik
Nya litiummetallbatterier kan få smartphones, drönare och elbilar att hålla dubbelt så länge.
En MIT -spinout förbereder sig för att kommersialisera ett nytt uppladdningsbart litiummetallbatteri som erbjuder dubbelt så mycket energikapacitet som litiumjonbatterierna som driver många av dagens konsumentelektronik.
SolidEnergy Systems grundades 2012 av MIT-alumnen och tidigare postdoc Qichao Hu '07 och har utvecklat ett "anodfritt" litiummetallbatteri med flera materialframsteg som gör det dubbelt så energitätt, men lika säkert och långvarigt som litiumjonbatterier som används i smartphones, elbilar, wearables, drönare och andra enheter.
”Med två gånger energitätheten kan vi göra ett batteri halva storleken, men det håller fortfarande lika länge som ett litiumjonbatteri. Eller så kan vi göra ett batteri i samma storlek som ett litiumjonbatteri, men nu kommer det att hålla dubbelt så länge, säger Hu, som var med och uppfann batteriet på MIT och nu är VD för SolidEnergy.
Batteriet byter i huvudsak ut ett vanligt batteri-anodmaterial, grafit, för mycket tunn litiummetallfolie med hög energi, som kan rymma fler joner-och därför ge mer energikapacitet. Kemiska ändringar av elektrolyten gör också de typiskt kortlivade och flyktiga litiummetallbatterierna laddningsbara och säkrare att använda. Dessutom tillverkas batterierna med befintlig litiumjonstillverkningsutrustning, vilket gör dem skalbara.
I oktober 2015 demonstrerade SolidEnergy den första prototypen av ett laddningsbart litiummetallbatteri med dubbla energitäthet, vilket gav dem mer än 12 miljoner dollar från investerare. Med halva storleken på litiumjonbatteriet som används i en iPhone 6 erbjuder det 2,0 ampertimmar, jämfört med litiumjonbatteriet 1,8 ampertimmar.
SolidEnergy planerar att ta med batterierna till smartphones och bärbara enheter i början av 2017, och till elbilar 2018. Men den första applikationen kommer att vara drönare, som kommer i november. "Flera kunder använder drönare och ballonger för att tillhandahålla gratis internet till utvecklingsländerna och för att undersöka katastrofhjälp", säger Hu. "Det är en mycket spännande och ädel applikation."
Att sätta in dessa nya batterier också i elfordon kan representera "en enorm samhällspåverkan", säger Hu: "Branschstandard är att elfordon måste gå minst 200 mil på en enda laddning. Vi kan göra batteriet halva storleken och halva vikten, och det kommer att resa samma sträcka, eller så kan vi göra det i samma storlek och samma vikt, och nu kommer det att gå 400 miles på en enda laddning. ”
Justera batteriernas "heliga gral"
Forskare har i årtionden försökt tillverka laddningsbara litiummetallbatterier på grund av deras större energikapacitet, men utan resultat. "Det är en slags helig gral för batterier", säger Hu.
Litiummetall reagerar dåligt med batteriets elektrolyt - en vätska som leder joner mellan katoden (positiv elektrod) och anoden (negativ elektrod) - och bildar föreningar som ökar motståndet i batteriet och minskar livscykeln. Denna reaktion skapar också mossiga litiummetallstötar, kallade dendriter, på anoden, vilket leder till kortslutning, genererar hög värme som tänder den brandfarliga elektrolyten och gör att batterierna i allmänhet är uppladdningsbara.
Åtgärder som vidtas för att göra batterierna säkrare kostar kostnaden för batteriets energiprestanda, till exempel att stänga av vätskeelektrolyten med en dåligt ledande fast polymerelektrolyt som måste värmas vid höga temperaturer för att fungera, eller med en oorganisk elektrolyt som är svår att skala upp.
Medan han arbetade som postdoc i gruppen av MIT-professor Donald Sadoway, en välkänd batteriforskare som har utvecklat flera smälta salt- och flytande metallbatterier, hjälpte Hu till att göra flera viktiga design- och materialframsteg inom litiummetallbatterier, som blev grunden för SolidEnergys teknik.
En nyhet var att använda en ultratunn litiummetallfolie för anoden, som är ungefär en femtedel tjockleken på en traditionell litiummetallanod, och flera gånger tunnare och lättare än traditionella grafit-, kol- eller kiselanoder. Det minskade batteristorleken till hälften.
Men det var fortfarande ett stort bakslag: Batteriet fungerade bara vid 80 grader Celsius eller högre. "Det var en showstopper", säger Hu. "Om batteriet inte fungerar vid rumstemperatur är de kommersiella tillämpningarna begränsade."
Så Hu utvecklade en fast och flytande hybridelektrolytlösning. Han täckte litiummetallfolien med en tunn fast elektrolyt som inte behöver värmas för att fungera. Han skapade också en ny kvasi-jonisk flytande elektrolyt som inte är brandfarlig och som har ytterligare kemiska modifieringar av separator och celldesign för att hindra den från att reagera negativt med litiummetallen.
Slutresultatet var ett batteri med energikapacitet för litiummetallbatterier, men med säkerhets- och livslängdsfunktioner hos litiumjonbatterier som kan fungera vid rumstemperatur. "Att kombinera den fasta beläggningen och nya högeffektiva joniska flytande material var grunden för SolidEnergy på tekniksidan", säger Hu.
Välsignelse i förklädnad
På affärssidan besökte Hu Martin Trust Center för MIT Entrepreneurship för att få värdefull insikt från mentorer och investerare. Han skrev också in kurs 15.366 (Energy Ventures), där han bildade ett team för att utveckla en affärsplan kring det nya batteriet.
Med sin affärsplan vann laget förstapriset vid MIT $ 100K Entrepreneurship Competition's Accelerator Contest, och var finalist i MIT Clean Energy Prize. Efter det representerade laget MIT vid den nationella Clean Energy Prize -tävlingen som hölls i Vita huset, där de blev tvåa. I slutet av 2012 var Hu redo för att lansera SolidEnergy, då A123 Systems, den välkända MIT-spinnutvecklingen som utvecklade avancerade litiumjonbatterier, begärde konkurs. Landskapet såg inte bra ut för batteriföretag. "Jag trodde inte att mitt företag var dömt, jag trodde bara att mitt företag aldrig skulle komma igång", säger Hu.
Men detta var något av en välsignelse i förklädnad: Genom Hu's MIT-anslutningar kunde SolidEnergy använda A123: s då lediga anläggningar i Waltham-som inkluderade torra och rena rum och tillverkningsutrustning-för att prototypa. När A123 förvärvades av Wanxiang Group 2013 tecknade SolidEnergy ett samarbetsavtal om att fortsätta använda A123: s resurser.
På A123 tvingades SolidEnergy att prototypa med befintlig litiumjonstillverkningsutrustning - vilket i slutändan ledde till att nya, men kommersiellt praktiska, batterier designades. Batteriföretag med nya materialinnovationer utvecklar ofta nya tillverkningsprocesser kring nya material, som inte är praktiska och ibland inte skalbara, säger Hu. "Men vi tvingades använda material som kan implementeras i den befintliga tillverkningslinjen", säger han. "Genom att börja med detta verkliga tillverkningsperspektiv och bygga verkliga batterier kunde vi förstå vilka material som fungerade i dessa processer och sedan arbeta bakåt för att designa nya material."
Efter tre års delning av A123: s utrymme i Waltham flyttade SolidEnergy den här månaden sitt huvudkontor till en helt ny, toppmodern pilotanläggning i Woburn som är 10 gånger större-och "kan rymma vingarna på en Boeing 747" säger Hu - med syfte att öka produktionen inför deras lansering i november.
Originalartikel skriven av Rob Matheson från MIT News Office den 16 augusti 2016.