Hvis elbiler nogensinde skal erstatte benzinslugere på verdens veje, har de brug for en helt ny type batteri. På trods af stadige forbedringer i løbet af det seneste årti i energitætheden og levetiden for lithium-ion-batterier halter cellerne i nye elbiler stadig bagefter forbrændingsmotorer på stort set alle præstationsmålinger. De fleste elbiler har en rækkevidde på mindre end 300 miles, det tager mere end en time at genoplade deres batteripakker, cellerne mister næsten en tredjedel af deres kapacitet inden for et årti, og de udgør en alvorlig sikkerhedsrisiko på grund af deres brændbare materialer.
Løsningen på disse problemer har været kendt i årtier: Den kaldes et solid-state-batteri, og den er baseret på en bedragerisk enkel idé. I stedet for en konventionel flydende elektrolyt – det stof, der transporterer lithiumioner mellem elektroderne – anvendes en fast elektrolyt. Desuden er batteriets negative terminal, kaldet anoden, fremstillet af rent lithiummetal. Denne kombination vil sende energitætheden i vejret, muliggøre ultrahurtig opladning og eliminere risikoen for batteribrande. Men i de sidste 40 år har ingen været i stand til at fremstille et solid-state-batteri, der lever op til dette løfte – indtil tidligere i år, hvor en hemmelighedsfuld startupvirksomhed ved navn QuantumScape hævdede at have løst problemet. Nu har virksomheden data, der beviser det.
Tirsdag afslørede QuantumScape’s medstifter og administrerende direktør, Jagdeep Singh, for første gang offentligt testresultater for virksomhedens solid-state-batteri. Singh siger, at batteriet har løst alle de centrale udfordringer, der tidligere har plaget solid-state-batterier, såsom utrolig kort levetid og langsom opladningshastighed. Ifølge QuantumScape’s data kan dets celle oplades til 80 procent af kapaciteten på 15 minutter, den bevarer mere end 80 procent af sin kapacitet efter 800 opladningscyklusser, den er ubrændbar, og den har en volumetrisk energitæthed på mere end 1.000 watttimer pr. liter på celleniveau, hvilket er næsten dobbelt så høj som energitætheden for kommercielle lithium-ion-celler i øverste hylde.
“Vi tror, at vi er de første til at løse solid-state-problemet”, sagde Singh til WIRED forud for annonceringen. “Ingen andre solid-state-systemer kommer i nærheden af dette.”
QuantumScape’s battericelle har omtrent samme størrelse og tykkelse som et spillekort. Dens katode, eller positive terminal, er lavet af nikkel-mangan-kobolt-oxid, eller NMC, en almindelig kemi i batterier til elbiler i dag. Dens negative elektrode, eller anode, er lavet af rent lithiummetal – men det er mere korrekt at sige, at den slet ikke har nogen anode, da den er fremstillet uden en sådan. Når batteriet aflades under brug, strømmer al lithiumet fra anoden til katoden. Det ledige rum, der er tilbage på anodesiden – tyndere end et menneskehår – bliver midlertidigt komprimeret som en harmonika. Processen vender om, når batteriet oplades, og lithiumionerne strømmer ind i anodepladsen igen.
“Dette anodefri design er vigtigt, fordi det sandsynligvis er den eneste måde, hvorpå litiummetalbatterier kan fremstilles i dag med de nuværende produktionsfaciliteter”, siger Venkat Viswanathan, der er maskiningeniør og arbejder med litiummetalbatterier ved Carnegie Mellon University og teknisk rådgiver for QuantumScape. “Anodefrihed har været en stor udfordring for samfundet.”
Men nøglen til QuantumScape’s gennembrud med faststofbatterier er den fleksible keramiske separator, der sidder mellem katoden og anoden. Det er dette materiale, der gør det “faste” til det faste stof i faststof. Ligesom den flydende elektrolyt, der sidder mellem elektroderne i en konventionel celle, er dens hovedfunktion at transportere lithiumioner fra den ene terminal til den anden, når batteriet oplades og aflades. Forskellen er, at den faste separator også fungerer som en barriere, der forhindrer lithiumdendritter – metalliske ranker, der dannes på lithiummetalanoder under opladningscyklusser – i at sno sig mellem elektroderne og forårsage en kortslutning.
Venkat Srinivasan, der er direktør for Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, har brugt næsten et årti på at forske i faststofbatterier på det nationale laboratorium uden for Chicago. Han siger, at det har været langt den største udfordring at finde et separatormateriale, der tillader lithiumioner at strømme frit mellem elektroderne og samtidig blokerer dendriterne. Typisk har forskerne brugt enten en plastikagtig polymer eller en hård keramik. Selv om polymerer er det foretrukne separatormateriale i batterier med flydende elektrolyt, er de utilstrækkelige til faststofceller, fordi de ikke blokerer dendriterne. Og de fleste keramiske materialer, der anvendes til eksperimentelle faststofbatterier, har været for skøre til at holde mere end et par dusin opladningscyklusser.
“Disse dendritter er som roden af et træ”, siger Srinivasan, der ikke var involveret i QuantumScape-arbejdet. “Det problem, som vi forsøger at løse, er, hvordan man mekanisk kan stoppe dette rodsystem i at vokse med noget fast? Du kan ikke bare sætte alt det, du vil, fordi du er nødt til at fodre ioner frem og tilbage. Hvis man ikke gør det, er der ikke noget batteri.”
Lithium-ion-batterier er komplekse systemer, og grunden til deres langsommelige forbedring gennem årene er, at det at justere en del af en celle ofte har kaskadevirkninger, der ændrer dens ydeevne på uforudsete måder. For at bygge et bedre batteri skal forskerne systematisk undersøge forskellige materialer, indtil de finder noget, der virker, hvilket kan være en utrolig tidskrævende opgave. Singh siger, at det tog QuantumScape 10 år og 300 millioner dollars i forskning og udvikling, før virksomheden fandt frem til en faststofseparator, som passede til formålet. Han vil ikke afsløre, hvad den er lavet af – det er virksomhedens hemmelige sauce – men han siger, at materialet er billigt og let tilgængeligt. “Vi fik ikke en guddommelig åbenbaring, der sagde: “Dette materiale vil virke, så byg det”,” siger Singh. “Vi var nødt til at gå igennem en masse blindgyder. Men naturen gav os et materiale, der opfylder kravene, og heldigvis var vi i stand til at finde det gennem vores systematiske søgeproces.”
Singh siger, at QuantumScape-batteriet er den type trinforandring i ydeevne, der vil skubbe elbiler ind i den almindelige befolkning. Han er ikke den eneste, der mener det. Virksomheden tæller Bill Gates og Vinod Khosla blandt sine investorer, og flere batteribaroner, såsom Teslas medstifter J. B. Straubel, sidder i bestyrelsen. En af virksomhedens største støtter er Volkswagen, verdens største bilproducent, som har investeret mere end 300 millioner dollars i QuantumScape og planlægger at begynde at bruge solid state-cellerne i nogle af sine egne elbiler allerede i 2025.
QuantumScape og VW er naturligvis ikke de eneste virksomheder, der er med i spillet om solid state-batterier. Toyota er også ved at udvikle en solid-state-celle, som virksomhedens embedsmænd planlagde at afsløre ved de olympiske lege i Tokyo i år, før det blev udsat på grund af pandemien. Ligesom VW planlægger Toyota at have sine solid-state-batterier på vejene inden 2025. Men tidligere i år fortalte Keiji Kaita, vicepræsident for Toyotas drivlinjedivision, branchemediet Automotive News, at virksomheden stadig havde brug for at forbedre batteriets begrænsede levetid. Repræsentanter for Toyota besvarede ikke WIRED’s anmodning om en kommentar.
En seks år gammel nystartet virksomhed ved navn Solid Power har også fremstillet en fungerende faststofcelle og er begyndt at producere prototype-batterier med 10 stablede lag på et pilotanlæg i Colorado. Ligesom QuantumScape har disse celler en lithiummetalanode og en keramisk faststofelektrolyt. Solid Powers elektrolyt er sulfidbaseret, en kemi, der er ønskelig til faststofbatterier på grund af dens høje ledningsevne og kompatibilitet med de eksisterende fremstillingsprocesser. Virksomheden har indgået partnerskaber med en række bilproducenter, herunder Ford, BMW og Hyundai, selv om virksomhedens ledere ikke forventer at se deres celler på vejene før 2026 på grund af den langvarige kvalifikationsproces i bilindustrien. Solid Power har endnu ikke offentliggjort data om sin celle, men virksomheden forventes at afsløre en større celle og offentliggøre dens præstationsdata for første gang på torsdag.
“Det konkurrerende landskab for solid-state-batterier bliver stadig mere overfyldt på grund af det enorme potentiale, som solid-state-batterier har for at muliggøre elektrificering af køretøjer”, siger Doug Campbell, Solid Powers administrerende direktør. “Dette fører i sidste ende til EV’er med større rækkevidde, større pålidelighed og lavere omkostninger.”
QuantumScape’s ydelsesdata er imponerende, men de kommer med en vigtig advarsel. Alle testdataene blev genereret i individuelle celler, som teknisk set ikke er komplette batterier. Den tynde celle, som QuantumScape afslørede, er bestemt til at blive stablet sammen med omkring 100 andre for at danne en fuld celle, der er på størrelse med et spil kort. For at drive en elbil vil det kræve hundredvis af disse stablede batterier, men indtil videre har virksomheden ikke testet en fuldt stablet celle.
Skalering af et batteri fra en underenhed af en enkelt celle til en fuld celle og til sidst til en fuld batteripakke kan skabe en masse problemer, siger Srinivasan. Når batterier fremstilles i små partier, siger han, er det lettere at eliminere fejl, der opstår i løbet af produktionsprocessen. Men når man først begynder at fremstille batterier i stor skala, kan det være svært at kontrollere fejlene, som hurtigt kan svække batteriets ydeevne. “Selv om et materiale kan se meget lovende ud i lille skala, kan disse defekter blive et større problem i opskaleringen”, siger Srinivasan. “Drift i den virkelige verden er meget forskellig fra drift i laboratorieskala.”
Jeff Sakamoto, en maskiningeniør med fokus på energilagring ved University of Michigan, som ikke var involveret i QuantumScape, er enig. Han siger, at der stadig er betydelige videnshuller om de grundlæggende mekaniske egenskaber ved lithium-metal solid-state-batterier, hvilket kan skabe problemer, når teknologien skal kommer til at blive kommercialiseret. Han henviser til verdens første kommercielle passagerfly, det skæbnesvangre De Havilland Comet, som et eksempel på konsekvenserne af at lancere en teknologi, før man har forstået dens materialeegenskaber fuldt ud. Kort tid efter at Comet tog luften, oplevede den flere katastrofale sammenbrud midt i luften, fordi ingeniørerne ikke fuldt ud forstod nedbrydningsprocessen for de metaller, der blev brugt i dens skrog. Selv om indsatsen er noget mindre for faststofceller end for kommercielle jetfly – batterierne er trods alt designet til at være ultrasikre – kan et batteri, der kommer på markedet og oplever uventede problemer med ydeevnen, bremse elektrificeringen af transportsektoren.
“Jeg er forbløffet over, hvor lidt man ved om lithiummetallets mekaniske opførsel, og hvordan lithiums fysik påvirker gennemførligheden af faststofbatterier,” siger Sakamoto. “Jeg ved ikke, i hvilket omfang disse vidensmangler vil påvirke den udbredte indførelse af lithium-metal solid-state-batterier. Men jo mere vi ved om den grundlæggende opførsel, jo bedre bliver overgangen til udbredt anvendelse.”
Singh er uforfærdet over de udfordringer, som QuantumScape skal tage fat på, før dets batterier kommer ud af laboratoriet og ind i en bil. Efter hans mening har virksomheden løst de svære grundvidenskabelige problemer, som har forhindret kommercialiseringen af et solid state-batteri. “Jeg vil ikke bagatellisere det arbejde, der stadig er tilbage,” siger Singh. “Men det er ikke et spørgsmål om, hvorvidt dette vil fungere eller ej. Det er et spørgsmål om teknik.”
Tidligere i år gik QuantumScape på børsen gennem et særligt opkøbsselskab og tilføjede omkring 700 millioner dollars til sin allerede betydelige balance. Singh siger, at selskabet nu har mere end 1 milliard dollars i sin krigskasse, hvilket er mere end nok til at føre det i produktion. Det virker umuligt, at virksomheden kan fejle, men det var også, hvad investorerne troede om A123 Systems og Envia Systems, to virksomheder, der fik store summer fra de gamle bilproducenter med løftet om et banebrydende EV-batteri – blot for at styrte sammen, da deres cellers ydeevne ikke levede op til forventningerne. QuantumScape kan meget vel blive den første startup, der leverer et kommercielt solid state-batteri, men virksomheden har stadig en lang vej foran sig.
Mere fantastiske WIRED-historier
- 📩 Vil du have det seneste om teknologi, videnskab og meget mere? Tilmeld dig vores nyhedsbreve!
- En mands søgen efter de DNA-data, der kan redde hans liv
- Ræset om at knække batteri genbrug – før det er for sent
- AI kan køre dine arbejdsmøder nu
- Spoil din kat i løbet af ferien med vores yndlingsudstyr
- Hacker Lexicon: Hvad er Signal-krypteringsprotokollen?
- 🎮 WIRED Games: Få de nyeste tips, anmeldelser og meget mere
- 🏃🏽♀️ Vil du have de bedste værktøjer til at blive sund? Se vores Gear-teams bud på de bedste fitness-trackere, løbeudstyr (herunder sko og sokker) og de bedste hovedtelefoner