Eén van de uitdagingen waar de elektrische auto-industrie voor staat is batterij voeding. In mei van dit jaar verklaarde de wereldwijde supply manager van Tesla dat het bedrijf plannen heeft voor een tekort van de belangrijkste batterijmaterialen. Autofabrikanten werken eraan verticaal integreren batterijproductie in hun bedrijf te integreren om ervoor te zorgen dat ze toegang hebben tot batterijen wanneer dat nodig is.
Inhoud
- Oudere technologie krijgt een nieuw doel
- Het voordeel van siliciumwafels
- Verbeterde energiedichtheid en capaciteit
- Minder dendrietgroei voor een langere levensduur van de batterij
- Kortere oplaadtijd en groter bereik
- Wanneer zullen we het zien?
Dit gebeurt voor een groot deel omdat lithium-ionbatterijen de standaard zijn voor oplaadbare cellen. Ze worden overal in gebruikt, van camera's en telefoons tot elektrische auto's. Li-ion-batterijen zijn niet alleen duur en afhankelijk van schaarse hulpbronnen, maar brengen ook het gevaar met zich mee van oververhitting, brand of zelfs brand.
Aanbevolen video's
Wat nodig is, is een nieuwe batterijarchitectuur die gemakkelijker te maken is. Idealiter zou het nieuwe batterijontwerp een hogere energiedichtheid en een snellere oplaadtijd hebben, waardoor deze ideaal is voor gebruik in voertuigen.
Je weet al wat er daarna komt: een bedrijf belde XNRGI gevestigd in de buurt van Portland, Oregon, zegt dat ze het antwoord hebben. Dat is op zichzelf niet ongebruikelijk. Veel mensen beweren dat ze een wonderbatterij hebben, maar ze lijken altijd te zeggen dat ze je er nog niets over kunnen vertellen.
Het verschil met XNRGI is dat ze een portfolio met gepubliceerde patenten hebben die rechtstreeks verband houden met hun Powerchip-batterijtechnologie, en dat ze er nog een aantal hebben aangevraagd. Het bedrijf heeft ook financiering ontvangen van het Amerikaanse ministerie van Energie voor hun onderzoek. Nu patentbescherming en financiering aanwezig zijn, wil XNRGI de wereld graag vertellen wat ze hebben.
“Wij geloven dat we nu alle problemen met lithium-ionbatterijen tegelijkertijd kunnen aanpakken”, zegt Chris D’Couto, CEO van XNRGI.
Oudere technologie krijgt een nieuw doel
Het belangrijkste verschil tussen een conventionele lithium-ionbatterij en een XNRGI Powerchip-batterij is de samenstelling. Waar conventionele lithium-ionbatterijen een grafietslurry op een tweedimensionale geleider als bouwmateriaal gebruiken, gebruikt de XNRGI-batterij lithiummetaal in een driedimensionale poreuze siliciumwafel. Er is niets nieuws of anders aan de wafels; het zijn dezelfde schijven die al tientallen jaren door de halfgeleiderindustrie worden gemaakt.
"We nemen beproefde stappen in de chipproductie en passen deze toe op deze batterij", aldus D'Couto. “We nemen iets uit de ene sector en passen het toe op een andere sector. Op dat vlak bedenken we niets. We kunnen de wafels kopen, dus we hoeven niet de grote kapitaalinvestering in een fabriek te doen.”
Het beste deel is dat XNRGI-batterijen zijn gemaakt met oudere, dikkere wafers waar niet langer vraag naar is. Er bestaat al een wereldwijde infrastructuur om deze wafers goedkoop en in grote hoeveelheden te vervaardigen.
Het voordeel van siliciumwafels
Het voordeel van het gebruik van siliciumwafels om een batterij te bouwen hangt af van een ander beproefd halfgeleiderproces. Het XNRGI-ontwerp maakt gebruik van geperforeerde wafels om een wafelachtig oppervlak te creëren. Elke 12-inch siliciumschijf kan tot 160 miljoen microscopisch kleine poriën bevatten. Vervolgens worden de wafels aan één zijde bedekt met een niet-geleidend oppervlak. De andere kant van de wafel is bedekt met een geleidend metaal om de elektrische stroom te geleiden.
“De metaalcoatings die we gebruiken zijn afkomstig uit de chipindustrie,” zei D’Couto, “en de isolerende coatings zijn afkomstig uit de chipindustrie en worden hier gebruikt. Aan de proceskant bedenken we niets.”
XNRGI - PowerChip-batterij
De poreuze aard van de wafer vergroot het totale oppervlak van de batterij tot 70 keer vergeleken met een tweedimensionaal oppervlak. Elke porie is fysiek gescheiden van de aangrenzende poriën, waardoor interne kortsluitingen worden geëlimineerd en de batterij na verloop van tijd en bij gebruik bestand is tegen degradatie.
‘Elk van deze kleine gaatjes is in feite een heel kleine batterij,’ merkte D’Couto op. “Als een van deze individueel faalt, plant de mislukking zich niet voort. Deze architectuur maakt de batterij volkomen veilig door thermische overstroming en explosies te voorkomen.”
Verbeterde energiedichtheid en capaciteit
De wafertechnologie van XNRGI is ontworpen voor gebruik aan de anodezijde van een batterij. Wanneer een batterij volledig is opgeladen, is de anode als een emmer met elektronen. Terwijl de batterij ontlaadt, stromen de elektronen door het circuit naar de kathodezijde van de batterij. Wanneer de batterij is opgeladen, wordt de anode-emmer opnieuw gevuld.
“Als je het tegenwoordig over een lithium-ionbatterij hebt, is deze gemaakt van lithium geïntercaleerd met grafiet,” legde D’Couto uit. “Sinds de introductie van lithium-ionbatterijen wordt grafiet aan de anodezijde gebruikt om een parkeerplaats te bieden waar de lithiumionen kunnen landen en opstijgen.”
Een groot voordeel van het poreuze siliciumwafelontwerp is dat de XNRGI-anode 70 keer meer oppervlak heeft dan een grafietanode en maakt gebruik van puur lithiummetaal, waardoor de anode van de Powerchip ongeveer 10 keer de energiedichtheid heeft van bestaande lithium-ionbatterijanodes.
“We krijgen een grotere energiedichtheid dankzij de driedimensionale toename van het oppervlak”, aldus D’Couto.
Minder dendrietgroei voor een langere levensduur van de batterij
Eén reden dat oplaadbare batterijen in de loop van de tijd achteruitgaan, is dat naarmate de anode herhaaldelijk ontlaad- en oplaadcycli doorloopt, er een chemische ophoping op het anodeoppervlak ontstaat. Deze opeenhoping wordt een "dendriet" genoemd en lijkt op een kalkstenen stalactiet. Dendrieten kunnen uiteindelijk de fysieke scheider tussen de anode en de kathode doorboren en de batterij kortsluiten.
“Als de dendriet door de afscheider heen prikt, ontstaat er een snelle uitval van de batterij”, legt D’Couto uit.
Lithiumionen bevatten ook andere materialen die zich als tandplak ophopen op de scheider tussen de anode- en kathodezijde van de batterij, waardoor de batterij in wezen verstopt raakt en de prestaties afnemen. De XNRGI-anode is bestand tegen dendrietvorming en verlengt de levensduur van de batterij dankzij de niet-geleidende coating op de siliciumwafel. De elementen die met de lithiumionen worden meegevoerd, blijven niet aan dat oppervlak plakken en kunnen dus niet gemakkelijk dendrieten vormen of tandplak opbouwen.
D’Couto schat dat een XNRGI Powerchip-batterij een drie tot vijf keer langere levensduur zal bieden dan een lithium-ionbatterij vandaag de dag kan bereiken.
Kortere oplaadtijd en groter bereik
Het grotere oppervlak in een Powerchip zorgt ervoor dat de batterij veel sneller kan ontladen en opladen dan conventionele lithium-ioncellen. Dat betekent dat er meer vermogen beschikbaar is tijdens het rijden. Belangrijker nog: het betekent sneller opladen.
Volgens D'Couto is de Powerchip-anode in staat om in 15 minuten een lege batterij van 80% op te laden. Het meer gebruikelijke oplaadniveau van 10% tot 90% is ook gericht op 15 minuten. Naast snel opladen schat XNRGI dat Powerchip-batterijen het EV-bereik tot 280% zullen vergroten in vergelijking met een conventioneel lithium-ionbatterijpak van hetzelfde gewicht. Ter referentie: dit betekent dat een huidige EV met een bereik van 400 kilometer (zoals velen hebben gedaan) een bereik van 700 kilometer zou hebben.
De XNRGI-batterij is ook veel lichter dan de huidige cellen. Autofabrikanten zouden ervoor kunnen kiezen om lichtere en efficiëntere EV’s te maken, of meer batterijen in de auto te plaatsen voor een nog grotere actieradius bij het bestaande gewicht.
Wanneer zullen we het zien?
Op dit moment werkt XNRGI samen met bedrijven die elk soort batterij gebruiken, van kleine consumentenelektronica tot autofabrikanten en zelfs nutsbedrijven op netniveau. Het bedrijf verwacht dat de uitrol van consumentenproducten en licentieovereenkomsten in de komende twee tot vijf jaar zullen worden afgerond, afhankelijk van de batterijtoepassing.
“We verwachten dat onze batterijen in 2020 zullen worden gebruikt in mobiliteitsproducten zoals motorfietsen, scooters, drones, robots en meer”, voorspelde D’Couto. “Voor elektrische auto’s zal het waarschijnlijk in een beperkt volume 2022 of 2023 zijn, en dan zal er in 2024 een grootschalige adoptie van elektrische auto’s plaatsvinden. Dat is ongeveer de norm voor de auto-industrie na hun uitgebreide tests.”
De komst van veilige, snelladende, duurzame en lange-afstandsbatterijtechnologie zal waarschijnlijk een gamechanger zijn voor de EV-industrie. Terugkijkend, nu wetenschappers over de hele wereld onderzoek doen naar betere batterijtechnologie, moeten we misschien niet verbaasd zijn dat iemand deze heeft gevonden.
Upgrade uw levensstijlMet Digital Trends kunnen lezers de snelle technische wereld in de gaten houden met het laatste nieuws, leuke productrecensies, inzichtelijke redactionele artikelen en unieke sneak peeks.
