Jeśli pojazdy elektryczne mają kiedykolwiek w pełni zastąpić benzyniaki na światowych drogach, będą potrzebowały zupełnie nowego typu baterii. Pomimo stałej poprawy w ciągu ostatniej dekady w gęstości energii i żywotności baterii litowo-jonowych, ogniwa w nowych pojazdach elektrycznych nadal pozostają w tyle za silnikami spalinowymi w prawie każdym metryku wydajności. Większość pojazdów elektrycznych ma zasięg mniejszy niż 300 mil, ładowanie ich akumulatorów trwa ponad godzinę, ogniwa tracą prawie jedną trzecią swojej pojemności w ciągu dekady i stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa ze względu na łatwopalne materiały.
Rozwiązanie tych problemów jest znane od dziesięcioleci: Nazywa się to baterią półprzewodnikową i opiera się na zwodniczo prostym pomyśle. Zamiast konwencjonalnego ciekłego elektrolitu – który przenosi jony litu pomiędzy elektrodami – zastosowano stały eloktrolit. Ponadto, ujemny biegun baterii, zwany anodą, jest wykonany z czystego metalu litowego. Taka kombinacja zwiększyłaby gęstość energii, umożliwiłaby ultraszybkie ładowanie i wyeliminowałaby ryzyko pożaru baterii. Jednak przez ostatnie 40 lat nikt nie był w stanie stworzyć baterii półprzewodnikowej, która spełniałaby te obietnice – aż do początku tego roku, kiedy to tajemniczy startup o nazwie QuantumScape stwierdził, że rozwiązał ten problem. Teraz ma dane, aby to udowodnić.
We wtorek, po raz pierwszy, współzałożyciel i dyrektor generalny QuantumScape, Jagdeep Singh, publicznie ujawnił wyniki testów baterii półprzewodnikowej firmy. Singh twierdzi, że bateria rozwiązała wszystkie podstawowe wyzwania, które nękały baterie półprzewodnikowe w przeszłości, takie jak niewiarygodnie krótki czas życia i powolne tempo ładowania. Według danych QuantumScape, jego komórka może ładować się do 80 procent pojemności w 15 minut, zachowuje więcej niż 80 procent swojej pojemności po 800 cyklach ładowania, jest niepalny i ma objętościową gęstość energii ponad 1000 watogodzin na litr na poziomie komórki, która jest prawie dwukrotnie gęstość energii z górnej półki komercyjnych ogniw litowo-jonowych.
„Myślimy, że jesteśmy pierwszymi, którzy rozwiązali problem półprzewodników”, powiedział Singh w wywiadzie dla WIRED przed ogłoszeniem. „Żadne inne systemy półprzewodnikowe nie zbliżają się do tego.”
Członka bateriiQuantumScape jest wielkości i grubości karty do gry. Jego katoda, lub pozytywny terminal, jest wykonana z tlenku niklu manganu kobaltu, lub NMC, powszechne chemii w bateriach EV dziś. Jego elektroda ujemna, czyli anoda, jest wykonana z czystego metalu litowego – ale dokładniej można powiedzieć, że nie ma anody, ponieważ jest produkowany bez niej. Kiedy bateria rozładowuje się podczas użytkowania, cały lit przepływa z anody do katody. Puste miejsce po stronie anody – cieńsze niż ludzki włos – zostaje tymczasowo ściśnięte jak akordeon. Proces ten odwraca się, gdy bateria jest ładowana, a jony litu ponownie napływają do przestrzeni anodowej.
„Ten bezanodowy projekt jest ważny, ponieważ jest to prawdopodobnie jedyny sposób, w jaki baterie litowo-metalowe mogą być dziś produkowane przy użyciu obecnych urządzeń produkcyjnych” – mówi Venkat Viswanathan, inżynier mechanik pracujący nad bateriami litowo-metalowymi na Uniwersytecie Carnegie Mellon i doradca techniczny QuantumScape. „Brak anody był dużym wyzwaniem dla społeczności.”
Ale kluczem do przełomu QuantumScape’s solid-state jest elastyczny separator ceramiczny, który siedzi między katodą a anodą. Jest to materiał, który sprawia, że „ciało stałe” jest w stanie stałym. Podobnie jak ciekły elektrolit, który znajduje się pomiędzy elektrodami w konwencjonalnych ogniwach, jego główną funkcją jest przenoszenie jonów litu z jednego bieguna do drugiego podczas ładowania i rozładowywania baterii. Różnica polega na tym, że separator stały działa również jako bariera, która utrzymuje dendryty litowe – metalowe wici, które tworzą się na anodach litowych podczas cykli ładowania – przed wciągnięciem ich pomiędzy elektrody i spowodowaniem zwarcia.
Venkat Srinivasan, dyrektor Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, spędził prawie dekadę badając baterie półprzewodnikowe w laboratorium narodowym pod Chicago. Jego zdaniem największym wyzwaniem było znalezienie materiału separującego, który umożliwiłby swobodny przepływ jonów litu pomiędzy elektrodami, blokując jednocześnie dendryty. Zazwyczaj badacze stosowali albo plastyczny polimer, albo twardą ceramikę. Chociaż polimery są najczęściej wybieranym materiałem na separatory w akumulatorach z ciekłym elektrolitem, nie nadają się one do ogniw półprzewodnikowych, ponieważ nie blokują dendrytów. A większość ceramiki używanej w eksperymentalnych bateriach półprzewodnikowych była zbyt krucha, by wytrzymać więcej niż kilkadziesiąt cykli ładowania.
„Te dendryty są jak korzeń drzewa”, mówi Srinivasan, który nie był zaangażowany w pracę QuantumScape. „Problem, który próbujemy rozwiązać, polega na tym, jak mechanicznie powstrzymać ten system korzeniowy od wzrostu za pomocą czegoś stałego? Nie możesz po prostu umieścić w nim wszystkiego, co chcesz, ponieważ musisz podawać jony tam i z powrotem. Jeśli tego nie zrobisz, nie będzie baterii.”
Akumulatory litowo-jonowe są złożonymi systemami, a powodem ich powolnego ulepszania na przestrzeni lat jest to, że podrasowanie jednej części ogniwa często ma efekty kaskadowe, które zmieniają jego wydajność w nieprzewidziany sposób. Aby zbudować lepszą baterię, naukowcy muszą systematycznie badać różne materiały, aż znajdą coś, co zadziała, co może być niezwykle czasochłonnym zadaniem. Singh mówi, że QuantumScape potrzebował 10 lat i 300 milionów dolarów na badania i rozwój, zanim znalazł separator półprzewodnikowy, który spełniałby wymagania. Nie chce ujawnić, z czego jest on wykonany – to sekretny sos firmy – ale mówi, że materiał jest tani i łatwo dostępny. „Nie mieliśmy jakiegoś boskiego objawienia, które powiedziałoby: 'Ten materiał będzie działał, zbudujcie go'”, mówi Singh. „Musieliśmy przejść przez wiele ślepych zaułków. Ale natura dostarczyła materiał, który spełnia wymagania i na szczęście, dzięki systematycznemu procesowi poszukiwań, udało nam się go znaleźć.”
Singh twierdzi, że bateria QuantumScape jest rodzajem zmiany w wydajności, która popchnie pojazdy elektryczne do głównego nurtu. Nie jest on jedynym, który tak uważa. Wśród inwestorów firmy znajdują się Bill Gates i Vinod Khosla, a kilku baronów baterii, takich jak współzałożyciel Tesli, J.B. Straubel, zasiada w jej zarządzie. Jednym z największych zwolenników firmy jest Volkswagen, największy na świecie producent samochodów, który wyłożył ponad 300 milionów dolarów na QuantumScape i planuje rozpocząć korzystanie z ogniw półprzewodnikowych w niektórych z własnych pojazdów elektrycznych tak szybko, jak 2025.
QuantumScape i VW nie są jedynymi firmami w grze półprzewodnikowej baterii, oczywiście. Toyota również rozwija ogniwo półprzewodnikowe, które urzędnicy firmy planowali zaprezentować na Olimpiadzie w Tokio w tym roku, zanim zostało to odłożone z powodu pandemii. Podobnie jak VW, Toyota planuje wprowadzić swoje baterie półprzewodnikowe na drogi do 2025 roku. Jednak na początku tego roku, Keiji Kaita, wiceprezes Toyota’s powertrain division, powiedział branżowej publikacji Automotive News, że firma nadal musi poprawić ograniczoną żywotność baterii. Przedstawiciele Toyoty nie odpowiedzieli na prośbę WIRED o komentarz.
Sześcioletni startup o nazwie Solid Power również stworzył działające ogniwo półprzewodnikowe i rozpoczął produkcję prototypowych baterii z 10 warstwami w zakładzie pilotażowym w Kolorado. Podobnie jak QuantumScape, ogniwa te mają anodę litowo-metalową i ceramiczny elektrolit półprzewodnikowy. Elektrolit Solid Power jest oparty na siarczkach, chemii, która jest pożądana w akumulatorach półprzewodnikowych ze względu na wysoką przewodność i kompatybilność z istniejącymi procesami produkcyjnymi. Firma nawiązała współpracę z wieloma producentami samochodów, w tym Fordem, BMW i Hyundaiem, choć jej szefowie nie spodziewają się, że ich ogniwa pojawią się na drogach przed 2026 rokiem ze względu na długi proces kwalifikacji samochodów. Solid Power nie opublikował jeszcze danych na temat swojego ogniwa, ale oczekuje się, że firma ujawni większe ogniwo i opublikuje dane dotyczące jego wydajności po raz pierwszy w ten czwartek.
„Krajobraz konkurencyjny dla baterii półprzewodnikowych staje się coraz bardziej zatłoczony ze względu na ogromny potencjał, jaki mają baterie półprzewodnikowe w umożliwieniu elektryfikacji pojazdów”, mówi Doug Campbell, dyrektor generalny Solid Power. „To ostatecznie prowadzi do pojazdów elektrycznych o większym zasięgu, większej niezawodności i niższych kosztach.”
Dane dotyczące wydajności uzyskane przez QuantumScape są imponujące, ale wiążą się z ważnym zastrzeżeniem. Wszystkie dane testowe zostały wygenerowane w pojedynczych ogniwach, które, technicznie rzecz biorąc, nie są kompletnymi bateriami. Cienkie ogniwo zaprezentowane przez QuantumScape ma być ułożone razem z około 100 innymi, aby stworzyć pełne ogniwo o wielkości talii kart. Zasilanie pojazdu elektrycznego będzie wymagało setek takich ułożonych w stos baterii, ale jak dotąd firma nie przetestowała w pełni ułożonego ogniwa.
Skalowanie baterii z podjednostki pojedynczego ogniwa do pełnego ogniwa i ostatecznie do pełnego pakietu baterii może stworzyć wiele problemów, mówi Srinivasan. Jak mówi, kiedy baterie są produkowane w małych partiach, łatwiej jest wyeliminować wady, które pojawiają się w procesie produkcji. Ale kiedy już zacznie się produkować baterie na skalę przemysłową, może być trudno kontrolować defekty, które mogą szybko obniżyć wydajność baterii. „Nawet jeśli materiał może wyglądać naprawdę obiecująco w małej skali, to przy zwiększaniu skali te defekty mogą stać się większym problemem” – mówi Srinivasan. „Działanie w świecie rzeczywistym bardzo różni się od działania w skali laboratoryjnej.”
Jeff Sakamoto, inżynier mechanik zajmujący się magazynowaniem energii na Uniwersytecie Michigan, który nie był zaangażowany w QuantumScape, zgadza się z tym. Jego zdaniem wciąż istnieją znaczne luki w wiedzy na temat podstawowych właściwości mechanicznych litowo-metalowych baterii półprzewodnikowych, co może stwarzać problemy przy komercjalizacji tej technologii. Jako przykład konsekwencji wprowadzenia na rynek technologii przed całkowitym poznaniem jej właściwości materiałowych podaje pierwszy na świecie komercyjny odrzutowiec pasażerski, feralny De Havilland Comet. Wkrótce po tym, jak Comet wzbił się w powietrze, doszło do kilku katastrofalnych rozpadów w powietrzu, ponieważ inżynierowie nie do końca rozumieli proces degradacji metali użytych do budowy jego kadłuba. Chociaż stawka w przypadku ogniw półprzewodnikowych jest nieco niższa niż w przypadku komercyjnych odrzutowców – baterie są przecież zaprojektowane jako ultrabezpieczne – bateria, która trafia na rynek i doświadcza nieoczekiwanych problemów z wydajnością, może spowolnić elektryfikację transportu.
„Jestem zdumiony, jak mało wiadomo o mechanicznym zachowaniu litu i jak fizyka litu wpływa na wykonalność baterii półprzewodnikowych” – mówi Sakamoto. „Nie wiem, w jakim stopniu te luki w wiedzy wpłyną na powszechne zastosowanie półprzewodnikowych akumulatorów litowo-metalowych. Ale im więcej wiemy o fundamentalnym zachowaniu, tym lepsze będzie przejście do szerokiego zastosowania.”
Singh jest niezrażony wyzwaniami, które QuantumScape musi podjąć, zanim jego baterie wyjdą z laboratorium i trafią do samochodu. Jego zdaniem firma rozwiązała już wszystkie problemy naukowe, które utrudniały komercjalizację baterii półprzewodnikowych. „Nie chcę trywializować pracy, która jeszcze przed nami” – mówi Singh. „Ale to nie jest kwestia tego, czy to zadziała, czy nie. To kwestia inżynierii.”
Na początku tego roku, QuantumScape wszedł na giełdę poprzez specjalną spółkę akwizycyjną i dodał około 700 milionów dolarów do swojego już pokaźnego bilansu. Singh mówi, że firma ma teraz ponad 1 miliard dolarów w swojej skrzyni wojennej, co jest więcej niż wystarczająco, aby przenieść go do produkcji. Wydaje się niemożliwe, że firma może upaść, ale tak samo myśleli inwestorzy o A123 Systems i Envia Systems, dwóch firmach, które zebrały ogromne sumy pieniędzy od starszych producentów samochodów z obietnicą stworzenia przełomowego akumulatora do pojazdów elektrycznych – tylko po to, by upaść, gdy wydajność ich ogniw nie spełniła oczekiwań. QuantumScape może stać się pierwszym startupem, który dostarczy komercyjną baterię półprzewodnikową, ale firma wciąż ma przed sobą długą drogę.
Więcej wspaniałych historii WIRED
- 📩 Chcesz najnowszych informacji na temat technologii, nauki i nie tylko? Zapisz się do naszego newslettera!
- Poszukiwanie przez jednego człowieka danych DNA, które mogą uratować mu życie
- Wyścig w celu złamania recyklingu baterii – zanim będzie za późno
- AI może prowadzić twoje spotkania robocze już teraz
- Zadbaj o swojego kota podczas wakacji dzięki naszemu ulubionemu sprzętowi
- Leksykon hakerów: Jaki jest protokół szyfrowania Signal?
- 🎮 Gry WIRED: Pobierz najnowsze wskazówki, recenzje i więcej
- 🏃🏽♀️ Chcesz najlepsze narzędzia do zdrowia? Sprawdź nasz zespół Gear wybiera najlepsze trackery fitness, sprzęt do biegania (w tym buty i skarpetki) i najlepsze słuchawki
.