XNRGI utvikler EV-batteriteknologi som utvider rekkevidden til 700 miles

En av utfordringene elbilindustrien står overfor er batteriforsyning. I mai i år uttalte Teslas globale forsyningssjef at selskapet planlegger en mangel av nøkkelbatterimaterialer. Bilprodusentene jobber for å vertikalt integrere batteriproduksjon inn i virksomheten deres for å sikre at de vil ha tilgang til batterier ved behov.

I stor grad skjer dette fordi litium-ion-batterier er standarden for oppladbare celler. De brukes i alt fra kameraer og telefoner til elbiler. I tillegg til å være dyre og avhengige av knappe ressurser, har Li-ion-batterier fare for overoppheting og brann eller til og med eksploderer. Derfor flyselskaper vil ikke ha disse batteriene i lasterommene. I tillegg er det dyrt og tidkrevende å bygge nye fabrikker for å lage litium-ion-batterier. Tesla investerte 5 milliarder dollar i Nevada

Det som trengs er en ny batteriarkitektur som er enklere å lage. Ideelt sett ville det nye batteridesignet ha høyere energitetthet og en raskere ladetid for å gjøre det ideelt for kjøretøybruk.

Du vet allerede hva som kommer neste: et selskap som heter XNRGI basert i nærheten av Portland, Oregon sier de har svaret. Det er ikke uvanlig i seg selv. Mange mennesker har hevdet å ha et mirakelbatteri, men de ser alltid ut til å si at de ikke kan fortelle deg om det ennå.

Forskjellen med XNRGI er at de har en portefølje av publiserte patenter knyttet direkte til deres Powerchip-batteriteknologi, og de har søkt om flere. Selskapet har også mottatt midler fra U.S. Department of Energy for sin forskning. Med patentbeskyttelse og finansiering på plass, er XNRGI ivrige etter å fortelle verden hva de har.

"Vi tror at vi nå kan løse alle problemene med litium-ion-batterier samtidig," sa XNRGI-sjef Chris D'Couto.

Eldre teknologi får et nytt formål

Hovedforskjellen mellom et konvensjonelt litiumionbatteri og et XNRGI Powerchip-batteri er sammensetningen. Der konvensjonelle litiumionbatterier bruker en grafittslurry på en todimensjonal leder som byggemateriale, bruker XNRGI-batteriet litiummetall i en tredimensjonal porøs silisiumplate. Det er ikke noe nytt eller annerledes med oblatene; det er de samme platene som har blitt laget i flere tiår av halvlederindustrien.

"Vi tar velprøvde chipproduksjonstrinn og bruker dem på dette batteriet," sa D'Couto. "Vi tar noe fra en bransje og bruker det til en annen bransje. Vi finner ikke på noe på den fronten. Vi kan kjøpe oblatene, så vi har ikke den store kapitalinvesteringen i en fabrikk.»

Det beste er at XNRGI-batterier er laget med eldre, tykkere wafere som ikke lenger er etterspurt. Verdensomspennende infrastruktur eksisterer allerede for å produsere disse skivene billig og i store mengder.

Fordelen med silisiumskiver

Fordelen med å bruke silisiumskiver til å bygge et batteri avhenger av en annen veletablert halvlederprosess. XNRGI-designen bruker perforerte wafere for å lage en vaffellignende overflate. Hver 12-tommers silisiumskive kan bære opptil 160 millioner mikroskopiske porer. Deretter blir skivene belagt med en ikke-ledende overflate på den ene siden. Den andre siden av skiven er belagt med et ledende metall for å føre den elektriske strømmen.

"Metalbeleggene vi bruker er hentet fra chipindustrien," sa D'Couto, "og de isolerende beleggene er hentet fra chipindustrien og brukt her. Vi finner ikke på noe på prosesssiden.»

Den porøse naturen til waferen øker batteriets totale overflateareal med opptil 70 ganger sammenlignet med en todimensjonal overflate. Hver pore er fysisk atskilt fra naboene, noe som bidrar til å eliminere interne kortslutninger og hjelper batteriet motstå nedbrytning over tid og bruk.

"Hvert av disse små hullene er faktisk et veldig lite batteri," observerte D'Couto. "Når noen av disse mislykkes individuelt, forplanter ikke feilen seg. Denne arkitekturen gjør batteriet helt trygt ved å forhindre termisk løping og eksplosjoner."

Forbedret energitetthet og kapasitet

XNRGIs wafer-teknologi er designet for å gå på anodesiden av et batteri. Når et batteri er fulladet, er anoden som en bøtte med elektroner. Når batteriet utlades, strømmer elektronene gjennom kretsen til katodesiden av batteriet. Når batteriet lades opp, fylles anodebøtten på nytt.

"Når du i dag snakker om et litiumionbatteri, er det laget av litium interkalert med grafitt,» forklarte D’Couto. "Siden lanseringen av litium-ion-batterier har grafitt blitt brukt på anodesiden for å gi en parkeringsplass for litiumionene til å lande og ta av."

En stor fordel med den porøse silisiumwafer-designen er at XNRGI-anoden har 70 ganger større overflate enn en grafittanode og bruker rent litiummetall, noe som gir Powerchips anode omtrent 10 ganger energitettheten til eksisterende litiumionbatterianoder.

"Vi får mer energitetthet på grunn av den tredimensjonale økningen i overflateareal," uttalte D'Couto.

Mindre dendrittvekst for lengre batterilevetid

En grunn til at oppladbare batterier brytes ned over tid er at når anoden går gjennom gjentatte utladnings- og ladesykluser, får den en kjemisk oppbygging på anodeoverflaten. Denne oppbyggingen kalles en "dendritt", og den ser ut som en kalksteinsdrypstein. Dendritter kan etter hvert stikke hull i den fysiske separatoren mellom anoden og katoden og kortslutte batteriet.

"Når dendritten slår gjennom separatoren, får du en rask feil på batteriet," forklarte D'Couto.

Litiumioner bærer også andre materialer som bygger seg opp som plakk på separatoren mellom anode- og katodesiden av batteriet, noe som i hovedsak tetter batteriet og reduserer ytelsen. XNRGI-anoden motstår dendrittdannelse og forlenger batterilevetiden på grunn av det ikke-ledende belegget på silisiumplaten. Elementene som bæres sammen med litiumionene fester seg ikke til den overflaten og kan derfor ikke lett danne dendritter eller bygge opp plakk.

D’Couto anslår at en XNRGI Powerchip-batteri vil tilby tre til fem ganger lengre levetid enn et litium-ion-batteri kan oppnå i dag.

Redusert ladetid og lengre rekkevidde

Det økte overflatearealet inne i en Powerchip betyr at batteriet kan lades ut og lades opp mye raskere enn konvensjonelle litiumionceller. Det betyr at mer kraft er tilgjengelig når du kjører. Enda viktigere, det betyr raskere opplading.

Ifølge D'Couto er Powerchip-anoden i stand til å oppnå 80 % opplading fra tomhet på 15 minutter. Den mer vanlige oppladingen på 10 % til 90 % er også målrettet mot 15 minutter. I tillegg til hurtiglading anslår XNRGI at Powerchip-batterier vil øke EV-rekkevidden med opptil 280 % sammenlignet med en konvensjonell Lithium-ion-batteripakke med samme vekt. For referanse betyr det at en nåværende EV med 250 miles rekkevidde (som mange har) ville ha en 700 miles rekkevidde.

XNRGI-batteriet er også mye lettere enn dagens celler. Bilprodusenter kan velge å lage lettere og mer effektive elbiler, eller sette inn flere batterier i bilen for enda lengre rekkevidde med den eksisterende vekten.

Når får vi se det?

Akkurat nå jobber XNRGI med selskaper som bruker alle typer batterier fra små forbrukerelektronikk til bilprodusenter og til og med verktøy på nettnivå. Selskapet forventer at utrulling av forbrukerprodukter og lisensavtaler sluttføres i løpet av de neste to til fem årene, avhengig av batteriapplikasjonen.

"Vi forventer at batteriene våre skal brukes i mobilitetsprodukter som motorsykler, scootere, droner, roboter og mer i 2020," projiserte D'Couto. "I elbiler vil det sannsynligvis være 2022 eller 2023 i et begrenset volum, deretter høyvolums bruk av elbiler i 2024. Det er omtrent normen for bilindustrien etter omfattende testing.»

Fremkomsten av sikker, hurtigladende, langvarig og lang rekkevidde batteriteknologi vil sannsynligvis være en game-changer for EV-industrien. I ettertid, med forskere over hele verden som forsker på bedre batteriteknologi, burde vi kanskje ikke bli overrasket over at noen fant det.

Oppgrader livsstilen dinDigitale trender hjelper leserne å følge med på den fartsfylte teknologiverdenen med alle de siste nyhetene, morsomme produktanmeldelser, innsiktsfulle redaksjoner og unike sniktitter.