XNRGI utvecklar EV-batteriteknik som utökar räckvidden till 700 miles

En av utmaningarna för elbilsindustrin är batteriförsörjning. I maj i år uttalade Teslas globala leveranschef att företaget planerar för en brist av nyckelbatterimaterial. Biltillverkare arbetar för att vertikalt integrera batteritillverkning i sin verksamhet för att säkerställa att de kommer att ha tillgång till batterier vid behov.

Till stor del beror detta på att litiumjonbatterier är standarden för laddningsbara celler. De används i allt från kameror och telefoner till elbilar. Förutom att vara dyra och beroende av knappa resurser medför Li-ion-batterier en fara för överhettning och att fatta eld eller t.o.m. exploderar. Det är därför flygbolag vill inte ha dessa batterier i sina lastrum. Utöver det är det dyrt och tidskrävande att bygga nya fabriker för att tillverka litiumjonbatterier. Tesla investerade 5 miljarder dollar i sitt Nevada

Vad som behövs är en ny batteriarkitektur som är lättare att göra. Helst skulle den nya batteridesignen ha högre energitäthet och en snabbare laddningstid för att göra den idealisk för fordonsanvändning.

Du vet redan vad som kommer härnäst: ett företag som heter XNRGI baserad nära Portland, Oregon säger att de har svaret. Det är inte ovanligt i sig. Många människor har hävdat att de har ett mirakelbatteri, men de verkar alltid säga att de inte kan berätta om det ännu.

Skillnaden med XNRGI är att de har en portfölj av publicerade patent kopplade direkt till deras Powerchip-batteriteknologi, och de har ansökt om flera till. Företaget har också fått finansiering från U.S. Department of Energy för sin forskning. Med patentskydd och finansiering på plats är XNRGI ivriga att berätta för världen vad de har.

"Vi tror att vi nu kan ta itu med alla problem med litiumjonbatterier samtidigt", säger XNRGIs vd Chris D'Couto.

Äldre teknik får ett nytt syfte

Den viktigaste skillnaden mellan ett konventionellt litiumjonbatteri och ett XNRGI Powerchip-batteri är dess sammansättning. Där konventionella litiumjonbatterier använder en grafitslurry på en tvådimensionell ledare som byggmaterial, använder XNRGI-batteriet litiummetall i en tredimensionell porös kiselskiva. Det finns inget nytt eller annorlunda med wafers; det är samma skivor som har tillverkats i decennier av halvledarindustrin.

"Vi tar beprövade chiptillverkningssteg och applicerar dem på det här batteriet," sa D'Couto. "Vi tar något från en bransch och tillämpar det på en annan bransch. Vi uppfinner ingenting på den fronten. Vi kan köpa rån, så vi har inte den stora kapitalinvesteringen i en fabrik.”

Det bästa är att XNRGI-batterier är gjorda med äldre, tjockare wafers som inte längre efterfrågas. Det finns redan en världsomspännande infrastruktur för att tillverka dessa wafers billigt och i stora mängder.

Fördelen med silikonwafers

Fördelen med att använda kiselskivor för att bygga ett batteri beror på en annan väletablerad halvledarprocess. XNRGI-designen använder perforerade wafers för att skapa en våffelliknande yta. Varje 12-tums kiselskiva kan bära upp till 160 miljoner mikroskopiska porer. Därefter beläggs skivorna med en icke-ledande yta på ena sidan. Den andra sidan av skivan är belagd med en ledande metall för att bära den elektriska strömmen.

"Metallbeläggningarna vi använder kommer från spånindustrin," sa D'Couto, "och de isolerande beläggningarna är hämtade från spånindustrin och används här. Vi uppfinner ingenting på processsidan.”

Den porösa naturen hos skivan ökar batteriets totala yta med upp till 70 gånger jämfört med en tvådimensionell yta. Varje por är fysiskt separerad från sina grannar, vilket hjälper till att eliminera interna kortslutningar och hjälper batteriet att motstå nedbrytning över tid och användning.

"Var och en av dessa små hål är i själva verket ett mycket litet batteri," konstaterade D'Couto. "När någon av dessa individuellt misslyckas, sprider sig inte misslyckandet. Denna arkitektur gör batteriet helt säkert genom att förhindra termisk rusning och explosioner."

Förbättrad energitäthet och kapacitet

XNRGI: s waferteknologi är designad för att gå på anodsidan av ett batteri. När ett batteri är fulladdat är anoden som en hink med elektroner. När batteriet laddas ur strömmar elektronerna genom kretsen till katodsidan av batteriet. När batteriet är laddat fylls anodhinken på igen.

"I dag när man pratar om ett litiumjonbatteri är det tillverkat av litium intercalated med grafit”, förklarade D’Couto. "Sedan lanseringen av litiumjonbatterier har grafit använts på anodsidan för att ge en parkeringsplats för litiumjonerna att landa och lyfta."

En stor fördel med den porösa kiselwaferdesignen är att XNRGI-anoden har 70 gånger större yta än en grafitanod och använder ren litiummetall, vilket ger Powerchips anod cirka 10 gånger energitätheten jämfört med befintliga litiumjonbatterianoder.

"Vi får mer energitäthet på grund av den tredimensionella ökningen av ytan," sa D'Couto.

Mindre dendrittillväxt för längre batteritid

En anledning till att uppladdningsbara batterier försämras med tiden är att när anoden går igenom upprepade urladdnings- och laddningscykler, får den en kemisk ansamling på anodens yta. Denna uppbyggnad kallas en "dendrit" och den ser ut som en kalkstensstalaktit. Dendriter kan så småningom tränga igenom den fysiska separatorn mellan anoden och katoden och kortsluta batteriet.

"När dendriten stansar genom separatorn får du ett snabbt fel på batteriet," förklarade D'Couto.

Litiumjoner bär också andra material som byggs upp som plack på separatorn mellan anod- och katodsidorna av batteriet, vilket i huvudsak täpper till batteriet och minskar prestandan. XNRGI-anoden motstår dendritbildning och förlänger batteriets livslängd på grund av den icke-ledande beläggningen på kiselskivan. Elementen som bärs med litiumjonerna fastnar inte på den ytan och kan därför inte lätt bilda dendriter eller bygga upp plack.

D’Couto uppskattar att en XNRGI Powerchip-smet kommer att erbjuda tre till fem gånger längre livslängd än ett litiumjonbatteri kan uppnå idag.

Minskad laddningstid och längre räckvidd

Den ökade ytan inuti ett Powerchip innebär att batteriet kan laddas ur och laddas mycket snabbare än konventionella litiumjonceller. Det betyder att mer kraft är tillgänglig när du kör. Ännu viktigare, det betyder snabbare laddning.

Enligt D'Couto kan Powerchip-anoden uppnå 80 % laddning från tom på 15 minuter. Den vanligare laddningen på 10 % till 90 % är också inriktad på 15 minuter. Förutom snabbladdning uppskattar XNRGI att Powerchip-batterier kommer att öka elbilens räckvidd med upp till 280 % jämfört med ett konventionellt litiumjonbatteri med samma vikt. Som referens betyder det att en aktuell EV med 250 miles räckvidd (som många har) skulle ha en 700 miles räckvidd.

XNRGI-batteriet är också mycket lättare än dagens celler. Biltillverkare kan välja att tillverka lättare och effektivare elbilar, eller lägga in fler batterier i bilen för ännu längre räckvidd vid den nuvarande vikten.

När får vi se det?

Just nu arbetar XNRGI med företag som använder alla typer av batterier, från små konsumentelektronik till biltillverkare och till och med nätverksverktyg. Företaget förväntar sig att utrullning av konsumentprodukter och licensavtal ska slutföras under de kommande två till fem åren beroende på batteriapplikationen.

"Vi förväntar oss att våra batterier kommer att användas i mobilitetsprodukter som motorcyklar, skotrar, drönare, robotar och mer under 2020," projicerade D'Couto. "I elbilar kommer det sannolikt att vara 2022 eller 2023 i en viss begränsad volym, sedan användning av elbilar med hög volym 2024. Det är ungefär normen för bilindustrin efter deras omfattande tester.”

Tillkomsten av säker, snabbladdande, långvarig batteriteknik med lång räckvidd kommer sannolikt att bli en spelförändring för elbilsindustrin. I efterhand, med forskare över hela världen som forskar om bättre batteriteknik, borde vi kanske inte bli förvånade över att någon hittade den.

Uppgradera din livsstilDigitala trender hjälper läsare att hålla koll på den snabba teknikvärlden med alla de senaste nyheterna, roliga produktrecensioner, insiktsfulla redaktioner och unika smygtittar.