Fördubbling Battery Power of Consumer Electronics

2020-08-03 | Jerry Huang

Nya litiummetallbatterier kan göra smartphones, drönare, och elbilar sista dubbelt så länge.

En MIT Spinout förbereder sig för att kommersialisera en ny uppladdningsbart litiummetallbatteri som erbjuder dubbla energikapacitet av litiumjonbatterier som driver många av dagens hemelektronik.

Grundades 2012 av MIT alumn och tidigare postdoc Qichao Hu '07 har SolidEnergy Systems utvecklat en ”anod fritt” litiummetall batteri med flera material framsteg som gör det dubbelt så energirika, men ändå lika säkert och långvarig som litiumjonbatterier som används i smartphones, elbilar, kläder, drönare, och andra enheter.

”Med två gånger den energitäthet, kan vi göra en batteri halv storlek, men som fortfarande varar samma mängd tid, som ett litiumjonbatteri. Eller så kan vi göra ett batteri i samma storlek som ett litiumjonbatteri, men nu kommer att pågå dubbelt så lång tid ”, säger Hu, som co-uppfann batteriet vid MIT och är nu VD för SolidEnergy.

Batteriet väsentligen swappar ut en gemensam batteri anodmaterial, grafit, för mycket tunna, hög energi litium-metallfolie, som kan hålla flera joner - och därför ge mer energikapacitet. Kemiska modifieringar till elektrolyten gör också de typiskt kortlivade och flyktig litiummetallbatterier uppladdningsbara och säkrare att använda. Dessutom är batterierna utförs med befintliga litiumjontillverkningsutrustning, vilket gör dem skalbar.

I oktober 2015 SolidEnergy visade den allra första fungerande prototyp av ett uppladdningsbart litiummetallsmartphone batteri med dubbla energitäthet, vilket gav dem mer än $ 12 miljoner från investerare. Vid halv storleken på litiumjonbatteri som används i en iPhone 6, erbjuder 2,0 amp timmar, jämfört med litiumjon batteriets 1,8 amp timmar.

SolidEnergy planer på att föra batterierna till smartphones och wearables i början av 2017, och elbilar 2018. Men den första ansökan kommer att bli drönare, kommer i november. ”Flera kunder använder drönare och ballonger för att ge gratis Internet till utvecklingsländerna, och att överblicka för katastrofhjälp,” Hu säger. ”Det är en mycket spännande och ädel ansökan.”

Sätta dessa nya batterier i elbilar som mycket väl kan representera ”en enorm samhällspåverkan,” Hu säger: ”branschstandard är att elfordon behöver gå minst 200 miles på en enda laddning. Vi kan göra batteri hälften och hälften av vikten, och det kommer att resa samma sträcka, eller så kan vi göra det samma storlek och samma vikt, och nu det kommer att gå 400 miles på en enda laddning.”

Tweaking ”Holy Grail” av batterier

Forskare har i årtionden försökt göra uppladdningsbara litiummetallbatterier, på grund av deras större energikapacitet, men till ingen nytta. ”Det är typ av den heliga graal för batterier,” Hu säger.

Litiummetall, för en, 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 minska cykellivslängd. Denna reaktion skapar också mossy litiummetall gupp, kallade dendriter, på anoden, som leder till kortslutning och genererar hög värme som antänder det brännbara elektrolyten, och göra batterierna i allmänhet ej uppladdningsbart.

Åtgärder vidtas för att göra batterier säkrare kommer på bekostnad av batteriets energi prestanda, såsom omkoppling ut den flytande elektrolyten med en dåligt ledande fast polymer elektrolyt som skall upphettas till höga temperaturer till arbetet, eller med en oorganisk elektrolyt som är svår att skala upp.

Medan du arbetar som en postdoc i gruppen av MIT professor Donald Sadoway, en välkänd batteri forskare som har utvecklat flera smält salt och flytande batterier metall, Hu hjälpte till att göra flera viktiga design och material framsteg inom litiummetallbatterier, som blev grunden för SolidEnergy teknik.

En innovation använde ett ultratunt litiummetallfolie för anoden, vilket är ungefär en femtedel av tjockleken av ett traditionellt litium metallanod, och flera gånger tunnare och lättare än traditionella grafit, kol, eller kisel anoder. Det krympt batteristorleken med hälften.

Men det fanns fortfarande ett stort bakslag: Batteriet bara arbetat på 80 grader eller högre. ”Det var en showstopper,” Hu säger. ”Om batteriet inte fungerar vid rumstemperatur, då kommersiella tillämpningar är begränsade.”

Så Hu utvecklat en fast och flytande hybrid elektrolytlösning. Han belagd litiummetallfolie med en tunn fast elektrolyt som inte behöver värmas till funktion. Han skapade också ett nytt kvasi-jonisk flytande elektrolyt som är inte brandfarlig, och har ytterligare kemiska modifieringar av separatorn och cellutformning för att hindra det från att negativt reagera med litiummetallen.

Slutresultatet var ett batteri med energi-kapacitet förmåner av litiummetallbatterier, men med säkerhet och livslängd funktioner i litiumjonbatterier som kan arbeta vid rumstemperatur. ”Genom att kombinera den fasta beläggningen och ny högeffektiva joniska flytande material var grunden för SolidEnergy på tekniken sidan,” Hu säger.

Välsignelse i förklädnad

På affärssidan, Hu besöks Martin Trust Center för MIT entreprenörskap att få värdefull insikt från mentorer och investerare. Han rekryterades också Course 15,366 (Energy Ventures), där han bildade ett team för att utveckla en affärsplan kring det nya batteriet.

Med sin affärsplan, vann laget förstapriset på MIT $ 100K Entreprenörskap Konkurrens Accelerator Contest, och var en finalist i MIT Clean Energy Prize. Efter det representerade laget MIT på nationell Clean Energy Prize tävling i Vita huset, där de tvåa. I slutet av 2012, var Hu förbereder sig för att lansera SolidEnergy när A123 Systems, den välkända MIT Spinout utveckla avancerade litiumjonbatterier, ansökt om konkurs. Landskapet såg inte bra för batteriföretag. ”Jag trodde inte att mitt företag var dömd, tänkte jag bara mitt företag skulle aldrig ens komma igång,” Hu säger.

Men det var något av en välsignelse i förklädnad: Genom Hu MIT anslutningar, var SolidEnergy kunna använda A123 dåvarande lediga lokaler i Waltham - som inkluderade torra och rena rum och tillverkningsutrustning - till prototyp. När A123 köptes av Wanxiang Group 2013 undertecknade SolidEnergy ett samarbetsavtal för att fortsätta använda A123 resurser.

Vid A123 var SolidEnergy tvingades prototyp med befintliga litiumjontillverkningsutrustning - som i slutändan ledde start till utformningen roman, men kommersiellt praktisk, batterier. Batteri företag med nytt material innovationer utvecklas ofta nya tillverkningsprocesser kring nya material, som inte är praktiskt och ibland inte skalbar, säger Hu. ”Men vi var tvungna att använda material som kan genomföras i den befintliga tillverkningslinjen”, säger han. ”Genom att börja med denna verkliga tillverknings perspektiv och bygga verkliga batterier, kunde vi förstå vilka material arbetade i dessa processer, och sedan arbeta bakåt för att utforma nya material.”

Efter tre år att dela A123 rymd i Waltham, SolidEnergy denna månad flyttade sitt huvudkontor till en helt ny, state-of-the-art pilotanläggningen i Woburn som är 10 gånger större - och ”kan hysa vingar en Boeing 747” Hu säger - med målen för upprampning produktionen för sin lansering november.

Ursprungliga artikeln skriven av Rob Matheson av MIT News Office den 16 augusti 2016.