Innovationsflops in der Elektrotechnik

Wie skalierbar ist es? Was ist mit der Chemie dahinter?

Foto von David Moum auf Unsplash

Von der Beleuchtung bis zur Elektrizität ist es uns gelungen, die Energie zu nutzen und die Natur der Bewegung von Elektronen bis zu einem gewissen Grad zu verstehen.

Wie weit können wir es bringen? Wie optimistisch sollten wir sein?

Das größte Problem ist jedoch nicht einmal das.

Die innovativen Lösungen, die diese Energieunternehmen vorschlagen, gibt es seit fast einem halben Jahrzehnt ohne bahnbrechende Fortschritte, obwohl die Papiere vorschlagen, wie der Prozess skaliert werden kann.

Die Grenzen von Lithium-Ionen

Beginnen wir mit dem, was wir bereits haben.

In Absprache mit einigen Akteuren der Branche in diesem Bereich zeigt der Reporter Christopher Mims vom Wall Street Journal, dass sich der Wettbewerb auf dem Markt für effizientere und robustere Batterien zusammen mit Innovation und Forschung verschärft.

Er schreibt darüber als logische Entwicklung für eine globale Gesellschaft, die von Tag zu Tag mehr und mehr auf Elektrizität und miteinander verbundene Beziehungen angewiesen ist:

„Die nächste Welle von Batterien, die lange in der Pipeline ist, steht zur Kommerzialisierung bereit. Dies bedeutet unter anderem Telefone mit 10 bis 30% längerer Akkulaufzeit oder Telefone mit derselben Akkulaufzeit, aber schneller und leichter oder mit helleren Bildschirmen “(Mims, 2018).

Ich denke jedoch, dass die große Frage in aller Munde ist, ob dieser Anwendungsversuch - der sehr neu ist und noch nicht vollständig im Maßstab getestet wurde - eine konsistente Leistung liefern kann, die dem Ziel einer besseren Fähigkeit zur Speicherung und Übertragung von Elektrizität entspricht Zeit.

Wir können diese Frage beantworten, indem wir uns die Chemie genauer ansehen.

Auch hier denke ich ernsthaft nicht, dass dies etwas wert ist, das einige dieser Unternehmen dafür ausgeben, aber ich werde das später erklären.

Lassen Sie uns für Mims 'Artikel einen Blick darauf werfen, wie es den Autoren der von ihm befragten Forschung und Experten gelungen ist, eine Lösung für das Problem der inhärenten Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien zu finden.

Mims kommentiert zunächst, dass die Forschung zur Verbesserung der Strommenge, die diese Batterien speichern und abgeben können, zwar gering ist, im Jahresvergleich jedoch noch Fortschritte erzielt werden.

Diese Verbesserungen gelten für die Fähigkeit der Batterieanode, eine größere Menge an Elektronen zu speichern.

Mit einer größeren Menge an Elektronen in der Anode können wir mit der Batterie elektrische Ströme über längere Zeiträume aufrechterhalten, da Elektronen, die von der Anode zur Kathode wandern, über längere Zeiträume Energie liefern.

Hier sind einige Seiten- und Vogelperspektiven von Graphit in Graphenschichten, mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia.

Eine wichtige Sache, die bei Graphit zu beachten ist, ist, dass seine Stapelung eine Reihe einzigartiger Eigenschaften hervorbringt.

Zu diesen Eigenschaften gehört die Dezentralisierung von Elektronen infolge einer Orbitalüberlappung, die sich aus der Bindung der Kohlenstoffatome in einem doppelt gebundenen Satz gestapelter Schichten mit sechs Ringen ergibt.

Sie können sich die Dezentralisierung von Elektronen wie einen Pool vorstellen, in dem die Elektronen eines Kohlenstoffatoms in den Graphenschichten frei existieren, anstatt in der Nähe jedes einzelnen Kohlenstoffatoms zurückgehalten zu werden. Sie sind weit verbreitet.

Die kleinen Verbesserungen, die wir mit Lithium-Ionen-Batterien vornehmen, hängen höchstwahrscheinlich mit unserem besseren Verständnis von Graphit und seinen Eigenschaften (dh seiner Fähigkeit, Elektronen zu speichern) im Laufe der Zeit zusammen.

Ich kenne die genauen Details der Funktionsweise von Graphit zur Speicherung von Elektronen als Anode darüber hinaus nicht.

Derzeit scheint jedoch Graphit die beliebteste zum Verkauf stehende negative Elektrode (oder Anode) zu sein.

Warum also nicht einfach Silizium oder eine Kombination anstelle von Graphit verwenden? Die grundlegende Antwort läuft auf radikale strukturelle Unterschiede zwischen den beiden Kombinationen hinaus. Silizium-Nanopartikel sind anfällig für Platzen.

Die vorgeschlagene Lösung

Mims merkt an, dass Unternehmen wie Sila Nanotechnologies, Angstron Materials, Enovix und Enevate diese Einschränkungen im Rahmen ihrer gleichzeitigen Forschung am Modell der Lithium-Silizium-Batterie möglicherweise erheblich überschritten haben (Mims, 2018).

Silizium ist wünschenswert, da es im Vergleich zum aktuellen Lithium-Graphit-Standard bis zu 25-mal mehr Elektronen speichern kann.

„In der Regel bestehen Anoden in Lithium-Ionen-Batterien aus Graphit, einem Kohlenstoff in kristalliner Form. Während Graphitanoden eine beträchtliche Anzahl von Lithiumionen enthalten, wissen Forscher seit langem, dass ein anderes Material, Silizium, 25-mal so viele aufnehmen kann. “

Okay, warum nicht mit Graphit integriertes Silizium als Anode verwenden und dann viel mehr Elektronen haben, die wir dann zur Verlängerung der Batterielebensdauer verwenden können?

Nun, Mims berichtet, dass einige Unternehmen eine komplexe Lösung auf Basis von Nanopartikeln entwickelt haben, um Folgendes zu erreichen:

„… Das Geheimnis sind Nanopartikel mit einer harten Graphit-Silizium-Hülle und viel leerem Raum im Inneren.“

Er merkt jedoch an, dass der Vorteil aufgrund des Kompromisses in der Größe auf 40% begrenzt ist. Wenn wir eine größere Kugel für mehr Elektronen wollen, brauchen wir eine größere Anode, und eine größere Anode bedeutet weniger Effizienz für Elektronen pro Raumeinheit.

Als visuelle Darstellung sehen Sie hier ein cooles Bild des grob kugelförmigen Silizium-Graphit-Nanopartikels (dies ist die Anode, der negative Teil), in dem zunächst alle Elektronen gespeichert werden.

Dieses Nanopartikel aus Kohlenstoff und Silizium der Global Graphene Group könnte dazu beitragen, dass Lithium-Ionen-Batterien deutlich mehr Energie speichern. FOTO: GLOBAL GRAPHENE GROUP

Nun, alles scheint großartig, oder?

Wenn wir diese schönen Graphit-Silizium-Kugeln als Anoden erhalten können, können wir für eine längere Batterielebensdauer eine Größenordnung mehr Elektronen in der Anode einer Batterie speichern. Wir werden mehr negative Ladungen in diesen Nanopartikelkugeln haben, um sie auf eine geeignete Kathode zu übertragen.

Aber das ist ein großes Wenn.

Warum diese Lösung nicht realisierbar ist

Keine Respektlosigkeit gegenüber den Forschern und ihrer harten Arbeit, aber ich denke, diese Anwendung geht den falschen Weg, wenn wir effizientes Laden, längere Akkulaufzeit usw. wollen.

Zu seiner Ehre identifiziert Christopher Mims bereits eine Reihe von Fehlern in diesem möglichen Übergang.

Die Wiederherstellung der wohl effizienteren Lithium-Silizium-Batterie würde einen Paradigmenwechsel in den Produktionsanlagen erfordern, und das wäre an sich sehr kostspielig.

Was sonst noch viel Geld kostet, ist Forschung.

Ich weiß nichts über Sie, aber die konsequente Integration von Silizium in Graphen im Nanobereich wird zweifellos kostspielig und daher wahrscheinlich schwer zu replizieren sein, was zu Skalierungsproblemen führt.

Inzwischen haben wir Leute wie CEO Harrold Rust, die Dinge sagen wie:

"Mit einer viel höheren Energiedichte und Anoden, die fast aus reinem Silizium bestehen, behauptet das Unternehmen, dass seine Batterien 30% bis 50% mehr Energie in der Größe enthalten würden, die für ein Mobiltelefon benötigt wird."

Ich garantiere Ihnen, dass jede proprietäre Methode, die die Chemiker bei Enovix für die Herstellung von „Anoden, die fast aus reinem Silizium bestehen“ herausgefunden hat, nicht skalierbar ist.

Skalierbare Herstellung poröser Siliziumnanopartikel und deren Anwendung für Lithium-Ionen-Batterieanoden (2013)

Dies wurde vor fünf Jahren geschrieben. Die Autoren dachten, dass Skalierung in zwei bis drei Jahren passieren könnte. Was ist los?

Scheint dies logischerweise ein skalierbarer Prozess in Bezug auf die Herstellung, aber auch in Bezug auf die Qualitätssicherung?

Es gibt auch etwas Flusssäure im zweiten Ätzschritt dieser chemischen Reaktion, was Sie meiner bescheidenen Meinung nach nicht in großem Maßstab für die Batterieproduktion handhaben möchten.

Endlich:

  • Wie werden Sie die Prüfung der Porosität (Anzahl, Größe usw.) von Graphit-Silizium-Anoden oder proprietären Silizium-Anoden in Batterien standardisieren?
  • Wie werden Sie testen, wie viel nicht poröses Si in dieser zweistufigen Reaktion in poröses Si umgewandelt wurde?
  • Führen zweistufige Reaktionen nicht zu geringeren Ausbeuten und verursachen auf diese Weise höhere Kosten?
  • Gibt es nicht eine Menge Eventualitäten, die dazu führen könnten, dass Graphit-Silizium-Anoden bei längerem Gebrauch platzen und die Batterie unbrauchbar wird?
  • Bor, eines der Materialien in diesem Prozess, ist nicht das billigste Material der Welt. Wurde überhaupt eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt, ob sich diese Forschung lohnt?

Das Problem der Herstellung von Graphit-Silizium-Anoden mit „perfekter Größe“, die erhebliche Energiemengen zuverlässig speichern, liegt und stirbt im Maßstab. Das Patent von Ge et al. (2013) haben sogar Möglichkeiten zur Skalierung des Prozesses vorgeschlagen, und dieses Dokument ist seit Jahren erhältlich.

In der Zwischenzeit hat BMW erklärt, dass die Technologie bis 2023 bereit sein wird. „BMW plant, die Siliziumanodentechnologie von Sila bis 2023 in ein Plug-in-Elektrofahrzeug zu integrieren, sagt ein Unternehmenssprecher“, ein Jahrzehnt nach der Entdeckung.

Verweise

Mims, C. (2018, 18. März). Der Batterie-Boost, auf den wir gewartet haben, ist nur ein paar Jahre her. Abgerufen am 19. März 2018 von https://www.wsj.com/articles/the-battery-boost-weve-been-waiting-for-is-only-a-few-years-out-1521374401

Ge, M., Rong, J., Fang, X., Zhang, A., Lu, Y. & Zhou, C. (2013). Skalierbare Herstellung poröser Siliziumnanopartikel und deren Anwendung für Lithium-Ionen-Batterieanoden. Nano Research, (3), 174.

Diese Geschichte wird in The Startup veröffentlicht, der größten Publikation für unternehmerische Initiative von Medium, gefolgt von mehr als 307.492 Personen.

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