Eine der Herausforderungen für die Elektrofahrzeugindustrie ist Batterieversorgung. Im Mai dieses Jahres erklärte Teslas Global Supply Manager, dass das Unternehmen für eine plant Mangel wichtiger Batteriematerialien. Die Autohersteller arbeiten daran vertikal integrieren Integration der Batterieherstellung in ihr Unternehmen, um sicherzustellen, dass sie bei Bedarf Zugang zu Batterien haben.
Inhalt
- Ältere Technologie bekommt einen neuen Zweck
- Der Vorteil von Siliziumwafern
- Verbesserte Energiedichte und Kapazität
- Weniger Dendritenwachstum für längere Batterielebensdauer
- Reduzierte Wiederaufladezeit und größere Reichweite
- Wann werden wir es sehen?
Dies geschieht zum großen Teil, weil Lithium-Ionen-Batterien der Standard für wiederaufladbare Zellen sind. Sie werden in allem verwendet, von Kameras und Telefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen. Li-Ionen-Batterien sind nicht nur teuer und von knappen Ressourcen abhängig, sondern bergen auch die Gefahr der Überhitzung und des Brandes oder sogar der Gefahr
explodiert. Deshalb Fluggesellschaften Ich möchte diese Batterien nicht in ihren Frachträumen haben. Darüber hinaus ist der Bau neuer Fabriken zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien teuer und zeitaufwändig. Tesla investierte 5 Milliarden US-Dollar in Nevada Gigafabrik Batterien für das Model 3 selbst zu produzieren. Die Kapazität von Tesla liegt bei ca. 24 GWh heute und bis zu 35 GWh bei Fertigstellung im nächsten Jahr.Empfohlene Videos
Was benötigt wird, ist eine neue Batteriearchitektur, die einfacher herzustellen ist. Idealerweise hätte das neue Batteriedesign eine höhere Energiedichte und eine schnellere Wiederaufladezeit, um es ideal für den Einsatz in Fahrzeugen zu machen.
Sie wissen bereits, was als nächstes kommt: ein Unternehmen namens XNRGI mit Sitz in der Nähe von Portland, Oregon, sagt, sie hätten die Antwort. Das ist an sich keine Seltenheit. Viele Leute haben behauptet, eine Wunderbatterie zu haben, aber sie scheinen immer zu sagen, dass sie Ihnen noch nichts darüber sagen können.
Der Unterschied zu XNRGI besteht darin, dass sie über ein Portfolio veröffentlichter Patente verfügen, die direkt mit ihrer Powerchip-Batterietechnologie verknüpft sind, und dass sie mehrere weitere angemeldet haben. Das Unternehmen hat für seine Forschung auch Fördermittel vom US-Energieministerium erhalten. Da der Patentschutz und die Finanzierung vorhanden sind, ist XNRGI bestrebt, der Welt zu erzählen, was sie haben.
„Wir glauben, dass wir jetzt alle Probleme mit Lithium-Ionen-Batterien gleichzeitig lösen können“, sagte Chris D’Couto, CEO von XNRGI.
Ältere Technologie bekommt einen neuen Zweck
Der Hauptunterschied zwischen einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku und einem XNRGI Powerchip-Akku ist seine Zusammensetzung. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien eine Graphitaufschlämmung auf einem zweidimensionalen Leiter als Baumaterial verwenden, verwendet die XNRGI-Batterie Lithiummetall in einem dreidimensionalen porösen Siliziumwafer. Es gibt nichts Neues oder Anderes an den Waffeln; Es handelt sich um dieselben Scheiben, die seit Jahrzehnten von der Halbleiterindustrie hergestellt werden.
„Wir übernehmen bewährte Schritte zur Chipherstellung und wenden sie auf diese Batterie an“, sagte D’Couto. „Wir nehmen etwas aus einer Branche und wenden es auf eine andere Branche an. Wir erfinden in dieser Hinsicht nichts. Wir können die Wafer kaufen, sodass wir nicht die große Kapitalinvestition in eine Fabrik tätigen müssen.“
Das Beste daran ist, dass XNRGI-Batterien aus älteren, dickeren Wafern hergestellt werden, die nicht mehr gefragt sind. Es gibt bereits eine weltweite Infrastruktur, um diese Wafer kostengünstig und in großen Mengen herzustellen.
Der Vorteil von Siliziumwafern
Der Vorteil der Verwendung von Siliziumwafern zum Aufbau einer Batterie hängt von einem anderen etablierten Halbleiterprozess ab. Das XNRGI-Design verwendet perforierte Wafer, um eine waffelartige Oberfläche zu erzeugen. Jede 12-Zoll-Siliziumscheibe kann bis zu 160 Millionen mikroskopisch kleine Poren tragen. Anschließend werden die Wafer einseitig mit einer nichtleitenden Oberfläche beschichtet. Die andere Seite des Wafers ist mit einem leitfähigen Metall beschichtet, um den elektrischen Strom zu leiten.
„Die von uns verwendeten Metallbeschichtungen stammen aus der Chipindustrie“, sagte D’Couto, „und die Isolierbeschichtungen stammen aus der Chipindustrie und werden hier verwendet.“ Auf der Prozessseite erfinden wir nichts.“
XNRGI – PowerChip-Batterie
Durch die poröse Beschaffenheit des Wafers vergrößert sich die Gesamtoberfläche der Batterie im Vergleich zu einer zweidimensionalen Oberfläche um das bis zu 70-fache. Jede Pore ist physisch von ihren Nachbarn getrennt, was dazu beiträgt, interne Kurzschlüsse zu vermeiden und die Batterie vor einer Verschlechterung im Laufe der Zeit und durch Nutzung zu schützen.
„Jedes dieser kleinen Löcher ist praktisch eine sehr kleine Batterie“, bemerkte D’Couto. „Wenn eines davon einzeln ausfällt, breitet sich der Fehler nicht aus. Diese Architektur macht die Batterie absolut sicher, indem sie thermisches Durchgehen und Explosionen verhindert.“
Verbesserte Energiedichte und Kapazität
Die Wafer-Technologie von XNRGI ist für den Einsatz auf der Anodenseite einer Batterie konzipiert. Wenn eine Batterie vollständig geladen ist, ist die Anode wie ein Eimer voller Elektronen. Beim Entladen der Batterie fließen die Elektronen durch den Stromkreis zur Kathodenseite der Batterie. Wenn die Batterie aufgeladen wird, füllt sich der Anodenbehälter wieder.
„Wenn man heute von einer Lithium-Ionen-Batterie spricht, besteht sie aus Lithium interkaliert mit Graphit“, erklärte D’Couto. „Seit der Einführung von Lithium-Ionen-Batterien wird Graphit auf der Anodenseite verwendet, um einen Parkplatz für die Landung und den Start der Lithium-Ionen zu schaffen.“
Ein großer Vorteil des porösen Siliziumwafer-Designs besteht darin, dass die XNRGI-Anode eine 70-mal größere Oberfläche als eine Graphitanode hat und verwendet reines Lithiummetall, wodurch die Anode des Powerchips etwa das Zehnfache der Energiedichte vorhandener Anoden von Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
„Durch die dreidimensionale Vergrößerung der Oberfläche erhalten wir eine höhere Energiedichte“, erklärte D’Couto.
Weniger Dendritenwachstum für längere Batterielebensdauer
Ein Grund dafür, dass sich wiederaufladbare Batterien mit der Zeit verschlechtern, besteht darin, dass sich auf der Anodenoberfläche chemische Ablagerungen bilden, wenn die Anode wiederholte Entlade- und Ladezyklen durchläuft. Diese Ansammlung wird „Dendrit“ genannt und sieht aus wie ein Kalkstein-Stalaktit. Dendriten können schließlich die physische Trennung zwischen Anode und Kathode durchdringen und die Batterie kurzschließen.
„Wenn der Dendrit den Separator durchdringt, kommt es zu einem schnellen Batterieausfall“, erklärte D’Couto.
Lithium-Ionen transportieren auch andere Materialien, die sich wie Plaque auf dem Separator zwischen Anoden- und Kathodenseite der Batterie ansammeln, wodurch die Batterie im Wesentlichen verstopft und die Leistung verringert wird. Die XNRGI-Anode verhindert die Bildung von Dendriten und verlängert die Batterielebensdauer aufgrund der nicht leitenden Beschichtung auf dem Siliziumwafer. Die mit den Lithiumionen mitgeführten Elemente haften nicht an dieser Oberfläche und können daher nicht leicht Dendriten bilden oder Plaque bilden.
D’Couto schätzt, dass ein XNRGI Powerchip-Akku eine drei- bis fünfmal längere Lebensdauer bieten wird, als ein Lithium-Ionen-Akku heute erreichen kann.
Reduzierte Wiederaufladezeit und größere Reichweite
Durch die vergrößerte Oberfläche im Inneren eines Powerchips kann sich der Akku viel schneller entladen und wieder aufladen als herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen. Das bedeutet, dass beim Fahren mehr Leistung zur Verfügung steht. Noch wichtiger ist, dass das Aufladen schneller geht.
Laut D’Couto ist die Powerchip-Anode in der Lage, eine 80-prozentige Wiederaufladung aus dem leeren Zustand in 15 Minuten zu erreichen. Die üblichere Wiederaufladung von 10 % bis 90 % ist ebenfalls auf 15 Minuten ausgelegt. XNRGI schätzt, dass Powerchip-Akkus zusätzlich zum Schnellladen die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku mit gleichem Gewicht um bis zu 280 % erhöhen werden. Als Referenz bedeutet das, dass ein aktuelles Elektrofahrzeug mit einer Reichweite von 250 Meilen (wie es viele haben) eine Reichweite von 700 Meilen haben würde.
Die XNRGI-Batterie ist außerdem viel leichter als heutige Zellen. Autohersteller könnten sich dafür entscheiden, leichtere und effizientere Elektrofahrzeuge zu bauen oder mehr Batterien in das Auto einzubauen, um bei bestehendem Gewicht eine noch größere Reichweite zu erzielen.
Wann werden wir es sehen?
Derzeit arbeitet XNRGI mit Unternehmen zusammen, die jede Art von Batterie verwenden, von kleinen Unterhaltungselektronikgeräten über Automobilhersteller bis hin zu Versorgungsunternehmen auf Netzebene. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Einführung von Verbraucherprodukten und Lizenzvereinbarungen je nach Batterieanwendung in den nächsten zwei bis fünf Jahren abgeschlossen werden.
„Wir gehen davon aus, dass unsere Batterien im Jahr 2020 in Mobilitätsprodukten wie Motorrädern, Motorrollern, Drohnen, Robotern und mehr zum Einsatz kommen werden“, prognostizierte D’Couto. „Bei Elektrofahrzeugen wird es wahrscheinlich 2022 oder 2023 in begrenztem Umfang sein, dann wird es 2024 zu einer großvolumigen Einführung von Elektrofahrzeugen kommen. Das ist nach umfangreichen Tests in der Automobilindustrie in etwa die Norm.“
Das Aufkommen sicherer, schnell aufladbarer, langlebiger und weitreichender Batterietechnologie dürfte für die Elektrofahrzeugbranche von entscheidender Bedeutung sein. Im Nachhinein sollten wir uns angesichts der Tatsache, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt an einer besseren Batterietechnologie forschen, vielleicht nicht wundern, dass jemand sie gefunden hat.
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