Om elbilar någonsin ska kunna ersätta bensinslukarna på världens vägar kommer de att behöva en helt ny typ av batteri. Trots att litiumjonbatteriernas energitäthet och livslängd har förbättrats stadigt under det senaste decenniet ligger cellerna i nya elbilar fortfarande efter förbränningsmotorerna på i stort sett alla prestandamått. De flesta elbilar har en räckvidd på mindre än 300 mil, det tar mer än en timme att ladda batterierna, cellerna förlorar nästan en tredjedel av sin kapacitet inom ett decennium och de utgör en allvarlig säkerhetsrisk på grund av sina brännbara material.
Lösningen på dessa problem har varit känd i årtionden: Den kallas solid-state-batteri och bygger på en bedrägligt enkel idé. I stället för en konventionell flytande elektrolyt – det som transporterar litiumjoner mellan elektroderna – används en fast elektrolyt. Dessutom är batteriets negativa terminal, som kallas anod, tillverkad av ren litiummetall. Denna kombination skulle få energitätheten att skjuta i höjden, möjliggöra ultrasnabb laddning och eliminera risken för bränder i batterierna. Men under de senaste 40 åren har ingen kunnat tillverka ett solid state-batteri som uppfyller detta löfte – fram till tidigare i år, då en hemlighetsfull startup vid namn QuantumScape påstod sig ha löst problemet. Nu har företaget data som bevisar det.
I tisdags avslöjade QuantumScape’s medgrundare och vd, Jagdeep Singh, för första gången offentligt testresultat för företagets solid-state-batteri. Singh säger att batteriet löste alla de centrala utmaningar som tidigare har plågat halvledarbatterier, såsom otroligt korta livslängder och långsam laddningshastighet. Enligt QuantumScape kan dess cell laddas till 80 procent av kapaciteten på 15 minuter, den behåller mer än 80 procent av sin kapacitet efter 800 laddningscykler, den är obrännbar och den har en volymetrisk energitäthet på mer än 1 000 watttimmar per liter på cellnivå, vilket är nästan dubbelt så hög energitäthet som kommersiella litiumjonceller i toppskiktet.
”Vi tror att vi är de första som löser solid-state”, sade Singh till WIRED inför tillkännagivandet. ”Inga andra solid-state-system kommer i närheten av detta.”
QuantumScape’s battericell är ungefär lika stor och tjock som ett spelkort. Dess katod, eller positiva terminal, är tillverkad av nickel-mangan-kobolt-oxid, eller NMC, en vanlig kemi i batterier för elbilar idag. Dess negativa elektrod, eller anod, är tillverkad av ren litiummetall – men det är mer korrekt att säga att den inte har någon anod alls, eftersom den tillverkas utan anod. När batteriet laddas ur under användning flödar allt litium från anoden till katoden. Den vakans som finns kvar på anodsidan – tunnare än ett människohår – komprimeras tillfälligt som ett dragspel. Processen vänder när batteriet laddas och litiumjonerna strömmar in i anodutrymmet igen.
”Den här anodfria konstruktionen är viktig eftersom det förmodligen är det enda sättet som litiummetallbatterier kan tillverkas på i dag med nuvarande tillverkningsanläggningar”, säger Venkat Viswanathan, en mekanisk ingenjör som arbetar med litiummetallbatterier vid Carnegie Mellon University och en teknisk rådgivare till QuantumScape. ”Anodfrihet har varit en stor utmaning för samhället.”
Men nyckeln till QuantumScape:s genombrott i fast tillstånd är den flexibla keramiska separatorn som sitter mellan katoden och anoden. Det är detta material som gör det ”fasta” i fast tillstånd. Liksom den flytande elektrolyt som sitter mellan elektroderna i en konventionell cell är dess huvudfunktion att transportera litiumjoner från den ena terminalen till den andra när batteriet laddas och urladdas. Skillnaden är att den fasta separatorn också fungerar som en barriär som förhindrar att litiumdendriter – metalliska rännor som bildas på litiummetallanoder under laddningscykler – slingrar sig mellan elektroderna och orsakar en kortslutning.
Venkat Srinivasan, chef för Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, har ägnat nästan ett decennium åt att forska om fasta batterier vid det nationella laboratoriet utanför Chicago. Han säger att det har varit den absolut största utmaningen att hitta ett separatormaterial som tillåter litiumjoner att flöda fritt mellan elektroderna samtidigt som dendriterna blockeras. Vanligtvis har forskarna använt antingen en plastig polymer eller en hård keramik. Även om polymerer är det lämpliga separatormaterialet i batterier med flytande elektrolyt är de olämpliga för fasta celler eftersom de inte blockerar dendriterna. Och de flesta keramiska material som använts för experimentella fasta batterier har varit för sköra för att klara mer än några dussin laddningscykler.
”Dessa dendriter är som roten på ett träd”, säger Srinivasan, som inte var inblandad i QuantumScape-arbetet. ”Problemet som vi försöker lösa är hur man mekaniskt kan stoppa detta rotsystem från att växa med något fast. Man kan inte bara lägga in vad som helst, eftersom man måste föra joner fram och tillbaka. Om man inte gör det finns det inget batteri.”
Lithiumjonbatterier är komplexa system, och anledningen till att de har förbättrats så långsamt under åren är att om man justerar en del av cellen får det ofta kaskadverkningar som ändrar dess prestanda på oförutsedda sätt. För att bygga ett bättre batteri måste forskarna systematiskt undersöka olika material tills de hittar något som fungerar, vilket kan vara en otroligt tidskrävande uppgift. Singh säger att det tog QuantumScape 10 år och 300 miljoner dollar i forskning och utveckling innan företaget hittade en faststatikseparator som passade. Han vill inte avslöja vad den är tillverkad av – det är företagets hemlighet – men han säger att materialet är billigt och lättillgängligt. ”Vi fick ingen gudomlig uppenbarelse som sa: ’Det här materialet kommer att fungera, bygg det'”, säger Singh. ”Vi var tvungna att gå igenom många återvändsgränder. Men naturen tillhandahöll ett material som uppfyller kraven, och lyckligtvis kunde vi genom vår systematiska sökprocess hitta det.”
Singh säger att QuantumScape-batteriet är den typ av stegförflyttning i prestanda som kommer att driva in elbilar i den vanliga marknaden. Han är inte den enda som tror det. Företaget har Bill Gates och Vinod Khosla bland sina investerare, och flera batteribaroner, som Teslas medgrundare J. B. Straubel, sitter i företagets styrelse. En av företagets största finansiärer är Volkswagen, världens största biltillverkare, som har investerat mer än 300 miljoner dollar i QuantumScape och planerar att börja använda de fasta cellerna i några av sina egna elbilar så snart som 2025.
QuantumScape och VW är förstås inte de enda företagen som är med i spelet om fasta batterier. Toyota håller också på att utveckla en solid-state-cell, som företagets tjänstemän planerade att presentera vid de olympiska spelen i Tokyo i år innan det sköts upp på grund av pandemin. Liksom VW planerar Toyota att ha sina solid state-batterier på vägarna senast 2025. Men tidigare i år berättade Keiji Kaita, vice ordförande för Toyotas drivmedelsdivision, för branschtidningen Automotive News att företaget fortfarande behövde förbättra batteriets begränsade livslängd. Företrädare för Toyota besvarade inte WIRED:s begäran om en kommentar.
En sex år gammal startup som heter Solid Power har också tillverkat en fungerande solid state-cell och börjat producera prototyper av batterier med 10 staplade lager vid en pilotanläggning i Colorado. Liksom QuantumScape har dessa celler en anod av litiummetall och en keramisk solid-state-elektrolyt. Solid Powers elektrolyt är sulfidbaserad, en kemi som är önskvärd för halvledarbatterier på grund av dess höga ledningsförmåga och kompatibilitet med befintliga tillverkningsprocesser. Företaget har partnerskap med ett antal biltillverkare, bland annat Ford, BMW och Hyundai, även om företagets chefer inte räknar med att se deras celler på vägarna före 2026 på grund av den långdragna kvalificeringsprocessen för bilar. Solid Power har inte släppt data om sin cell ännu, men företaget väntas presentera en större cell och publicera dess prestandadata för första gången på torsdag.
”Konkurrenslandskapet för solid state-batterier blir alltmer trångt på grund av den enorma potential som solid state-batterier har för att möjliggöra elektrifiering av fordon”, säger Doug Campbell, Solid Powers vd. ”Detta leder i slutändan till elbilar med större räckvidd, större tillförlitlighet och lägre kostnader.”
QuantumScape’s prestandadata är imponerande, men de kommer med en viktig invändning. Alla testdata genererades i enskilda celler som tekniskt sett inte är kompletta batterier. Den tunna cell som presenteras av QuantumScape är avsedd att staplas ihop med cirka 100 andra för att bilda en fullständig cell som är ungefär lika stor som en kortlek. För att driva ett elfordon kommer det att krävas hundratals av dessa staplade batterier, men hittills har företaget inte testat en helt staplad cell.
Skalering av ett batteri från en underenhet av en enskild cell till en hel cell och så småningom till ett helt batteripaket kan skapa en hel del problem, säger Srinivasan. När batterier tillverkas i små partier, säger han, är det lättare att eliminera defekter som dyker upp under produktionsprocessen. Men när man börjar tillverka batterier i stor skala kan det vara svårt att kontrollera defekter, vilket snabbt kan försämra batteriets prestanda. ”Även om ett material kan se mycket lovande ut i liten skala, kan defekterna bli ett större problem vid uppskalning”, säger Srinivasan. ”Den verkliga världen skiljer sig mycket från laboratorieskala.”
Jeff Sakamoto, en mekanisk ingenjör med inriktning på energilagring vid University of Michigan som inte var inblandad i QuantumScape, håller med. Han säger att det fortfarande finns betydande kunskapsluckor om de grundläggande mekaniska egenskaperna hos litiummetallfasthetsbatterier, vilket kan skapa problem när det gäller att kommersialisera tekniken. Han pekar på världens första kommersiella passagerarplan, det olycksdrabbade De Havilland Comet, som ett exempel på konsekvenserna av att lansera en teknik innan dess materialegenskaper är helt kända. Strax efter det att Comet hade tagit sig upp i luften drabbades den av flera katastrofala flygplansbrott eftersom ingenjörerna inte fullt ut förstod nedbrytningsprocessen för de metaller som användes i skrovet. Även om insatserna är något lägre för fasta celler än för kommersiella jetflygplan – batterierna är trots allt utformade för att vara ultrasäkra – kan ett batteri som kommer ut på marknaden och upplever oväntade prestandaproblem bromsa elektrifieringen av transporterna.
”Jag är förvånad över hur lite man vet om litiummetallens mekaniska beteende och hur litiums fysik påverkar genomförbarheten av fasta batterier”, säger Sakamoto. ”Jag vet inte i vilken utsträckning dessa kunskapsluckor kommer att påverka det utbredda införandet av litiummetallfasthetsbatterier. Men ju mer vi vet om det grundläggande beteendet, desto bättre blir övergången till ett storskaligt införande.”
Singh är oförskräckt inför de utmaningar som QuantumScape måste ta itu med innan dess batterier tar sig ut ur labbet och in i en bil. Enligt honom har företaget löst de svåra grundvetenskapliga problem som har hindrat kommersialiseringen av fasta batterier. ”Jag vill inte trivialisera det arbete som återstår”, säger Singh. ”Men det är inte en fråga om huruvida detta kommer att fungera eller inte. Det är en fråga om teknik.”
Tidigare i år gick QuantumScape till börsen genom ett särskilt förvärvsbolag och tillförde cirka 700 miljoner dollar till sin redan ansenliga balansräkning. Singh säger att företaget nu har mer än 1 miljard dollar i sin krigskassa, vilket är mer än tillräckligt för att föra företaget till produktion. Det verkar omöjligt att företaget skulle kunna misslyckas, men det var också vad investerarna trodde om A123 Systems och Envia Systems, två företag som samlade in enorma summor pengar från gamla biltillverkare med löfte om ett banbrytande batteri för elbilar – bara för att sedan störta samman när cellernas prestanda inte motsvarade förväntningarna. QuantumScape kan mycket väl bli det första nystartade företaget som levererar ett kommersiellt solid state-batteri, men företaget har fortfarande en lång väg framför sig.
Mer fantastiska WIRED-historier
- 📩 Vill du ha det senaste om teknik, vetenskap och mycket mer? Anmäl dig till våra nyhetsbrev!
- En mans sökande efter DNA-data som kan rädda hans liv
- Racet för att knäcka batteriåtervinningen – innan det är för sent
- AI kan sköta dina arbetsmöten nu
- Spola din katt under helgerna med våra favoritprylar
- Hacker Lexicon: Vad är Signal-krypteringsprotokollet?
- 🎮 WIRED Games: Få de senaste tipsen, recensionerna och mer
- 🏃🏽♀️ Vill du ha de bästa verktygen för att bli frisk? Kolla in vårt Gear-teams tips på de bästa fitness trackers, löparutrustning (inklusive skor och strumpor) och de bästa hörlurarna
.