XNRGI、航続距離を700マイルまで延長するEVバッテリー技術を開発

電気自動車業界が直面している課題の 1 つは、 バッテリー供給. 今年5月、テスラのグローバルサプライマネージャーは、同社が次のような計画を立てていると述べた。 不足 主要な電池材料の説明。 自動車メーカーが取り組んでいるのは、 垂直統合 必要なときに確実にバッテリーにアクセスできるように、バッテリー製造をビジネスに組み込んでいます。

これは主に、リチウムイオン電池が充電式電池の標準であるために起こっています。 カメラや携帯電話からEVに至るまで、あらゆるものに使用されています。 リチウムイオン電池は高価で、希少な資源に依存していることに加えて、過熱して発火したり、さらには 爆発する. それが理由です 航空会社 これらのバッテリーを貨物室に入れたくありません。 その上、リチウムイオン電池を製造するための新しい工場の建設には費用と時間がかかります。 テスラはネバダ州に50億ドルを投資 ギガファクトリー モデル 3 用バッテリーを社内で生産する。 テスラの生産能力は 約24GWh 現在、そして来年完成すると最大 35 GWh になります。

必要なのは、製造が容易な新しいバッテリー アーキテクチャです。 理想的には、新しいバッテリー設計はエネルギー密度が高く、再充電時間が短縮され、車両での使用に最適になります。

次に何が起こるかはすでにご存知でしょう。 XNRGI ポートランド近郊に本拠を置くオレゴン州は、答えがあると言う。 それ自体は珍しいことではありません。 多くの人が奇跡のバッテリーを持っていると主張していますが、それについてはまだ言えないといつも言っているようです。

XNRGI との違いは、Powerchip バッテリー技術に直接結び付けられた公開特許のポートフォリオを持っており、さらにいくつかの特許を申請していることです。 同社は研究のために米国エネルギー省からも資金提供を受けている。 特許保護と資金提供が整っているため、XNRGI は自分たちが持っているものを世界に伝えたいと考えています。

「私たちは、リチウムイオン電池に関するすべての問題に同時に対処できると信じています」と XNRGI CEO の Chris D'Cuto 氏は述べています。

古いテクノロジーが新たな目的を得る

従来のリチウムイオン バッテリーと XNRGI Powerchip バッテリーの主な違いは、その構成です。 従来のリチウムイオン電池が建築材料として二次元導体上のグラファイトスラリーを使用するのに対し、XNRGI電池は三次元多孔質シリコンウェハー内にリチウム金属を使用します。 このウェーハには何も新しいことも変わったこともありません。 これらは、半導体産業によって数十年にわたって作られてきたものと同じディスクです。

「私たちは実証済みのチップ製造手順を採用し、それをこのバッテリーに適用しています」とドゥクート氏は語った。 「私たちはある業界から何かを取り出して、別の業界に応用しています。 私たちはその点に関して何も発明していません。 ウェーハは購入できるので、工場に大規模な設備投資をする必要がありません。」

最も優れている点は、XNRGI バッテリーが、もはや需要のなくなった古くて厚いウエハーで作られていることです。 これらのウェーハを安価に大量に製造するための世界的なインフラがすでに存在しています。

シリコンウェーハの利点

シリコンウェーハを使用して電池を構築する利点は、確立された別の半導体プロセスに依存します。 XNRGI デザインでは、穴あきウェーハを使用してワッフルのような表面を作成します。 各 12 インチのシリコン ディスクには、最大 1 億 6,000 万個の微細な孔が存在します。 次に、ウェーハの片面が非導電性表面でコーティングされます。 ウェーハのもう一方の面は、電流を流すために導電性金属でコーティングされています。

「私たちが使用している金属コーティングはチップ業界から採用されており、絶縁コーティングもチップ業界から採用されており、ここで使用されています。」とドクート氏は述べました。 私たちはプロセス面で何も発明していません。」

ウェハーの多孔質の性質により、バッテリーの総表面積が 2 次元表面と比較して最大 70 倍増加します。 各細孔は隣接する細孔から物理的に分離されているため、内部短絡が排除され、時間の経過や使用によるバッテリーの劣化に耐えることができます。

「これらの小さな穴のそれぞれが、実質的には非常に小さなバッテリーになります」とドゥクート氏は述べました。 「それらのいずれかが個別に失敗しても、その失敗は広がりません。 このアーキテクチャにより、熱暴走や爆発が防止され、バッテリーが完全に安全になります。」

エネルギー密度と容量の向上

XNRGI のウェーハ技術は、バッテリーのアノード側に使用されるように設計されています。 バッテリーが完全に充電されると、アノードは電子の入ったバケツのようなものになります。 バッテリーが放電すると、電子が回路を通ってバッテリーのカソード側に流れます。 バッテリーが再充電されると、アノードバケットが再充電されます。

「今日、リチウムイオン電池について話すとき、それはリチウムでできています。 挿入された グラファイトを使用しています」とドゥクート氏は説明した。 「リチウムイオン電池の誕生以来、リチウムイオンが着陸および離陸するためのパーキングスポットを提供するために、アノード側にグラファイトが使用されてきました。」

多孔質シリコン ウェーハ設計の大きな利点の 1 つは、XNRGI アノードの表面積がグラファイト アノードの 70 倍であることです。 純粋なリチウム金属を使用しているため、Powerchip のアノードは既存のリチウムイオン電池のアノードの約 10 倍のエネルギー密度を備えています。

「表面積が三次元的に増加するため、より多くのエネルギー密度が得られます」とドゥクート氏は述べています。

樹状突起の成長が少なくなり、バッテリー寿命が長くなります

充電式バッテリーが時間の経過とともに劣化する理由の 1 つは、アノードが放電と充電サイクルを繰り返すと、アノード表面に化学物質が蓄積することです。 この蓄積は「デンドライト」と呼ばれ、石灰岩の鍾乳石のように見えます。 樹状突起は最終的にアノードとカソードの間の物理的なセパレーターを突き破り、バッテリーをショートさせる可能性があります。

「デンドライトがセパレーターを突き破ると、バッテリーは急速に故障します」とドゥクート氏は説明した。

リチウムイオンは、バッテリーのアノード側とカソード側の間のセパレーター上にプラークのように蓄積する他の物質も運び、本質的にバッテリーを詰まらせ、性能を低下させます。 XNRGI アノードは、シリコン ウェーハ上の非導電性コーティングにより樹枝状結晶の形成を防ぎ、電池寿命を延ばします。 リチウムイオンと一緒に運ばれる元素はその表面に付着しないため、樹状突起を形成したり、プラークを蓄積したりすることはありません。

D’Cuto は、XNRGI Powerchip バッテリーは、現在のリチウムイオン バッテリーよりも 3 ～ 5 倍長い耐用年数を提供すると推定しています。

充電時間の短縮と航続距離の延長

Powerchip 内の表面積が増加したことにより、バッテリーは従来のリチウムイオン セルよりもはるかに速く放電および再充電できるようになりました。 つまり、運転中により多くの電力を利用できるようになります。 さらに重要なことは、より迅速な充電を意味します。

D'Cuto 氏によると、Powerchip のアノードは空の状態から 15 分で 80% の再充電が可能です。 より一般的な 10% ～ 90% の充電も 15 分が目標です。 XNRGI は、急速充電に加えて、Powerchip バッテリーは同じ重量の従来のリチウムイオン バッテリー パックと比較して EV 航続距離を最大 280% 延長すると推定しています。 参考までに、これは、（多くのEVと同様に）航続距離250マイルの現行EVの航続距離は700マイルになることを意味する。

XNRGI バッテリーは、現在のセルよりもはるかに軽量です。 自動車メーカーは、より軽量でより効率的なEVを製造することも、既存の重量でさらに長距離を走行できるようにより多くのバッテリーを車に搭載することも選択できるだろう。

いつ見られますか？

現在、XNRGI は小型家庭用電化製品から自動車メーカー、さらには送電網レベルの電力会社に至るまで、あらゆる種類のバッテリーを使用する企業と協力しています。 同社は、バッテリーの用途に応じて、消費者向け製品の展開とライセンス契約が今後 2 ～ 5 年かけて最終的に完了すると予想しています。

「2020年には当社のバッテリーがバイク、スクーター、ドローン、ロボットなどのモビリティ製品に使用されると予想しています」とドクート氏は予想した。 「EVに関しては、2022年か2023年に限定的な量で普及し、その後2024年に大量のEVが普及することになるでしょう。 広範なテストを経た自動車業界ではこれがほぼ標準です。」

安全、急速充電、長持ち、長距離走行可能なバッテリー技術の出現は、EV 業界にとって大きな変革をもたらす可能性があります。 振り返ってみると、世界中の科学者がより優れたバッテリー技術を研究しているので、誰かがそれを発見したとしても驚かないかもしれません。

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