XNRGI udvikler EV-batteriteknologi, der udvider rækkevidden til 700 miles

En af udfordringerne for elbilindustrien er batteriforsyning. I maj i år udtalte Teslas globale forsyningschef, at virksomheden planlægger en mangel af nøglebatterimaterialer. Bilproducenter arbejder på lodret integrere batteriproduktion ind i deres virksomhed for at sikre, at de vil have adgang til batterier, når det er nødvendigt.

For en stor del sker dette, fordi lithium-ion-batterier er standarden for genopladelige celler. De bruges i alt fra kameraer og telefoner til elbiler. Ud over at være dyre og afhængige af knappe ressourcer, rummer Li-ion batterier en fare for overophedning og antændelse eller endda eksploderer. Derfor flyselskaber ønsker ikke disse batterier i deres lastrum. Oven i købet er det dyrt og tidskrævende at bygge nye fabrikker til fremstilling af lithium-ion-batterier. Tesla investerede 5 milliarder dollars i sit Nevada

Det, der er brug for, er en ny batteriarkitektur, der er nemmere at lave. Ideelt set ville det nye batteridesign have højere energitæthed og en hurtigere genopladningstid for at gøre det ideelt til køretøjsbrug.

Du ved allerede, hvad der kommer næste gang: et firma kaldet XNRGI baseret i nærheden af ​​Portland, Oregon siger, at de har svaret. Det er ikke ualmindeligt i sig selv. Mange mennesker har hævdet at have et mirakelbatteri, men de synes altid at sige, at de ikke kan fortælle dig om det endnu.

Forskellen med XNRGI er, at de har en portefølje af offentliggjorte patenter knyttet direkte til deres Powerchip-batteriteknologi, og de har ansøgt om flere. Virksomheden har også modtaget støtte fra det amerikanske energiministerium til deres forskning. Med patentbeskyttelse og finansiering på plads er XNRGI ivrig efter at fortælle verden, hvad de har.

"Vi tror på, at vi nu kan løse alle problemerne med lithium-ion-batterier samtidigt," sagde XNRGI CEO Chris D'Couto.

Ældre teknologi får et nyt formål

Den vigtigste forskel mellem et konventionelt lithium-ion-batteri og et XNRGI Powerchip-batteri er dets sammensætning. Hvor konventionelle lithium-ion-batterier bruger en grafitopslæmning på en todimensional leder som byggemateriale, bruger XNRGI-batteriet lithiummetal i en tredimensionel porøs siliciumwafer. Der er intet nyt eller anderledes ved oblaterne; det er de samme diske, der er blevet lavet i årtier af halvlederindustrien.

"Vi tager gennemprøvede chipfremstillingstrin og anvender dem på dette batteri," sagde D'Couto. »Vi tager noget fra én branche og anvender det til en anden branche. Vi opfinder ikke noget på den front. Vi kan købe oblaterne, så vi ikke har den store kapitalinvestering i en fabrik.”

Det bedste er, at XNRGI-batterier er lavet med ældre, tykkere wafere, der ikke længere er efterspurgte. Der findes allerede verdensomspændende infrastruktur til at fremstille disse wafere billigt og i store mængder.

Fordelen ved siliciumwafers

Fordelen ved at bruge siliciumwafers til at bygge et batteri afhænger af en anden veletableret halvlederproces. XNRGI-designet bruger perforerede wafere til at skabe en vaffellignende overflade. Hver 12-tommer siliciumskive kan bære op til 160 millioner mikroskopiske porer. Derefter belægges skiverne med en ikke-ledende overflade på den ene side. Den anden side af waferen er belagt med et ledende metal for at føre den elektriske strøm.

"De metalbelægninger, vi bruger, er taget fra spånindustrien," sagde D'Couto, "og de isolerende belægninger er taget fra spånindustrien og bruges her. Vi opfinder ikke noget på processiden.”

Waferens porøse natur øger batteriets samlede overfladeareal med op til 70 gange sammenlignet med en todimensionel overflade. Hver pore er fysisk adskilt fra dens naboer, hvilket hjælper med at eliminere interne kortslutninger og hjælper batteriet med at modstå nedbrydning over tid og brug.

"Hvert af disse små huller er faktisk et meget lille batteri," bemærkede D'Couto. "Når nogen af ​​dem individuelt fejler, forplanter fiaskoen sig ikke. Denne arkitektur gør batteriet fuldstændig sikkert ved at forhindre termisk løb og eksplosioner."

Forbedret energitæthed og kapacitet

XNRGIs wafer-teknologi er designet til at gå på anodesiden af ​​et batteri. Når et batteri er fuldt opladet, er anoden som en spand med elektroner. Når batteriet aflades, strømmer elektronerne gennem kredsløbet til katodesiden af ​​batteriet. Når batteriet er genopladet, fyldes anodespanden op.

"Når man i dag taler om et lithium-ion-batteri, er det lavet af lithium interkaleret med grafit,” forklarede D’Couto. "Siden starten af ​​lithium-ion-batterier er grafit blevet brugt på anodesiden til at give en parkeringsplads for lithium-ionerne til at lande og lette."

En stor fordel ved det porøse silicium wafer design er, at XNRGI anoden har 70 gange mere overflade end en grafit anode og bruger rent lithiummetal, hvilket giver Powerchip'ens anode omkring 10 gange energitætheden af ​​eksisterende lithium-ion batterianoder.

"Vi får mere energitæthed på grund af den tredimensionelle stigning i overfladearealet," sagde D'Couto.

Mindre dendritvækst for længere batterilevetid

En grund til, at genopladelige batterier nedbrydes over tid, er, at når anoden gennemgår gentagne afladnings- og opladningscyklusser, får den en kemisk opbygning på anodeoverfladen. Denne opbygning kaldes en "dendrit", og den ligner en kalkstensdrypsten. Dendritter kan til sidst gennembore den fysiske separator mellem anoden og katoden og kortslutte batteriet.

"Når dendritten slår gennem separatoren, får du en hurtig fejl på batteriet," forklarede D'Couto.

Lithiumioner bærer også andre materialer, der opbygges som plak på separatoren mellem anode- og katodesiderne af batteriet, hvilket i det væsentlige tilstopper batteriet og reducerer ydeevnen. XNRGI-anoden modstår dendritdannelse og forlænger batteriets levetid på grund af den ikke-ledende belægning på siliciumwaferen. De elementer, der bæres sammen med lithium-ionerne, klæber ikke til den overflade og kan derfor ikke nemt danne dendritter eller opbygge plak.

D'Couto vurderer, at en XNRGI Powerchip-batter vil tilbyde tre til fem gange længere levetid, end et lithium-ion-batteri kan opnå i dag.

Reduceret genopladningstid og længere rækkevidde

Det øgede overfladeareal inde i en Powerchip betyder, at batteriet kan aflades og genoplades meget hurtigere end konventionelle lithium-ion-celler. Det betyder, at der er mere strøm til rådighed, når du kører. Endnu vigtigere betyder det hurtigere genopladning.

Ifølge D'Couto er Powerchip-anoden i stand til at opnå en 80% genopladning fra tom på 15 minutter. Den mere almindelige genopladning på 10 % til 90 % er også målrettet til 15 minutter. Ud over hurtig opladning vurderer XNRGI, at Powerchip-batterier vil øge EV-rækkevidden med op til 280 % sammenlignet med en konventionel Lithium-ion-batteripakke af samme vægt. Til reference betyder det, at en nuværende EV med 250 miles rækkevidde (som mange har) ville have en 700 miles rækkevidde.

XNRGI-batteriet er også meget lettere end nutidens celler. Bilproducenter kunne vælge at lave lettere og mere effektive elbiler eller sætte flere batterier i bilen for endnu længere rækkevidde ved den eksisterende vægt.

Hvornår ser vi det?

Lige nu arbejder XNRGI med virksomheder, der bruger alle slags batterier fra små forbrugerelektronik til bilproducenter og endda forsyningsselskaber på netniveau. Virksomheden forventer, at udrulning af forbrugerprodukter og licensaftaler vil blive afsluttet i løbet af de næste to til fem år afhængigt af batteriapplikationen.

"Vi forventer, at vores batterier vil blive brugt i mobilitetsprodukter som motorcykler, scootere, droner, robotter og mere i 2020," projekterede D'Couto. "I EV'er vil det sandsynligvis være 2022 eller 2023 i et begrænset omfang, og derefter højvolumen EV-adoption i 2024. Det er omtrent normen for bilindustrien efter deres omfattende test.”

Fremkomsten af ​​sikker, hurtigopladning, langtidsholdbar batteriteknologi med lang rækkevidde vil sandsynligvis være en game-changer for EV-industrien. Set i bakspejlet, med videnskabsmænd over hele verden, der forsker i bedre batteriteknologi, burde vi måske ikke blive overrasket over, at nogen fandt det.

Opgrader din livsstilDigital Trends hjælper læserne med at holde styr på den hurtige teknologiske verden med alle de seneste nyheder, sjove produktanmeldelser, indsigtsfulde redaktionelle artikler og enestående smugkig.