Innovationsflops in der Elektrotechnik

Wie skalierbar ist das? 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 bewegter Elektronen bis zu einem gewissen Grad zu verstehen.

Wie weit können wir gehen? 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, auch wenn in den Papieren vorgeschlagen wird, wie der Prozess skaliert werden kann.

Die Einschränkungen von Lithium-Ionen

Beginnen wir mit dem, was wir bereits haben.

In Absprache mit einigen Branchenakteuren 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 eine logische Entwicklung für eine globale Gesellschaft, die immer mehr auf Elektrizität und alltägliche Beziehungen angewiesen ist:

„Die nächste lange in der Pipeline befindliche Welle von Batterien ist für die Vermarktung bereit. Dies bedeutet unter anderem, dass Telefone eine um 10% bis 30% längere Akkulaufzeit oder Telefone mit gleicher Akkulaufzeit, aber schneller und leichter oder mit helleren Bildschirmen haben “(Mims, 2018).

Ich denke jedoch, die große Frage, die sich alle stellen, ist, ob dieser Anwendungsversuch - der noch sehr neu und noch nicht vollständig im Maßstab getestet wurde - in der Lage ist, eine konsistente Leistung zu liefern, 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 nicht, dass dies das Geld wert ist, das einige dieser Unternehmen dafür ausgeben, aber das erkläre ich später.

Schauen wir uns für Mims 'Beitrag an, wie es den Autoren der von ihm befragten Forschungen und Experten gelungen ist, eine Lösung für das Problem der inhärenten Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien zu finden.

Mims merkt zunächst an, dass die Forschungen zur Verbesserung der Menge an Strom, die diese Batterien speichern und abgeben können, zwar gering sind, dass jedoch gegenüber dem Vorjahr noch Fortschritte erzielt werden.

Diese Verbesserungen betreffen 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 für längere Zeiträume aufrechterhalten, da Elektronen, die von der Anode zur Kathode wandern, für längere Zeiträume Energie liefern.

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

Ein wichtiger Punkt bei Graphit ist, dass durch das Stapeln eine Reihe einzigartiger Eigenschaften erzielt werden.

Zu diesen Eigenschaften gehört die Dezentralisierung von Elektronen als Folge einer Überlappung der Umlaufbahnen, die durch die Bindung der Kohlenstoffatome in einem doppelt gebundenen Sechsring-Satz gestapelter Schichten entsteht.

Sie können sich die Dezentralisierung von Elektronen wie einen Pool vorstellen, in dem die Elektronen eines beliebigen Kohlenstoffatoms in den Graphenschichten frei vorhanden sind, 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 verbesserten Verständnis von Graphit und seinen Eigenschaften (d. H. Seiner Fähigkeit, Elektronen zu speichern) im Laufe der Zeit zusammen.

Ich weiß nicht genau, wie Graphit dahinter Elektronen als Anode speichert.

Derzeit scheint es jedoch, dass die beliebteste negative Elektrode (oder Anode), die zum Verkauf angeboten wird, Graphit ist.

Warum also nicht einfach Silizium oder eine Kombination anstelle von Graphit verwenden? Die grundlegende Antwort besteht in radikalen strukturellen Unterschieden zwischen den beiden Kombinationen. Silizium-Nanopartikel können leicht platzen.

Die vorgeschlagene Lösung

Mims merkt an, dass Unternehmen wie Sila Nanotechnologies, Angstron Materials, Enovix und Enevate diese Beschränkungen im Rahmen ihrer gleichzeitigen Forschung am Modell der Lithium-Silizium-Batterie um ein beträchtliches Maß überschritten haben könnten (Mims, 2018).

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

„Normalerweise bestehen Anoden in Lithium-Ionen-Batterien aus Graphit, bei dem es sich um Kohlenstoff in kristalliner Form handelt. Während Graphitanoden eine beträchtliche Anzahl von Lithiumionen enthalten, ist es Forschern seit langem bekannt, dass ein anderes Material, Silizium, 25-mal so viele Lithiumionen enthalten kann. “

Okay, warum nicht Silizium, das in Graphit integriert ist, als Anode verwenden und dann viel mehr Elektronen haben, mit denen wir dann die Batterielebensdauer verlängern können?

Nun, Mims berichtet, dass einige Unternehmen eine komplexe nanopartikelbasierte Lösung entwickelt haben, die in etwa so aussieht:

„… 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.

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

Mit diesem Nanopartikel aus Kohlenstoff und Silizium der Global Graphene Group könnten Lithium-Ionen-Batterien deutlich mehr Energie speichern. FOTO: GLOBAL GRAPHENE GROUP

Nun, alles scheint gut zu sein, oder?

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

Aber das ist ein großes Wenn.

Warum ist diese Lösung nicht realisierbar?

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

Christopher Mims hat bereits eine Reihe von Fehlern in diesem möglichen Übergang identifiziert.

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

Außerdem kostet Forschung viel Geld.

Ich weiß nichts über Sie, aber die konsequente Integration von Silizium mit Graphen im Nanobereich wird ohne Zweifel kostspielig und daher wahrscheinlich schwer zu replizieren sein, was zu Skalierungsproblemen führen wird.

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, würden die Batterien 30% bis 50% mehr Energie enthalten, als für ein Mobiltelefon erforderlich ist."

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

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

Dies wurde vor fünf Jahren geschrieben. Die Autoren waren der Meinung, dass die Skalierung in zwei bis drei Jahren erfolgen könnte. Was ist los?

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

In diesem zweiten Ätzschritt der chemischen Reaktion befindet sich auch etwas Flusssäure, die Sie meiner bescheidenen Meinung nach nicht in großem Maßstab für die Batterieproduktion verwenden möchten.

Schließlich:

  • Wie wollen Sie die Prüfung der Porosität (Anzahl, Größe usw.) von Graphit-Silizium-Anoden oder proprietären Silizium-Anoden in Batterien standardisieren?
  • Wie können Sie testen, wie viel nicht poröses Si in dieser zweistufigen Reaktion in poröses Si umgewandelt wurde?
  • Werden zweistufige Reaktionen nicht zu geringeren Ausbeuten führen und auf diese Weise höhere Kosten verursachen?
  • Gibt es nicht eine Menge von 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 der „perfekt dimensionierten“ Graphit-Silizium-Anoden, die erhebliche Energiemengen speichern, besteht darin, dass sie zuverlässig skaliert werden. Das Patent von Ge et al. (2013) haben sogar Möglichkeiten zur Skalierung des Prozesses vorgeschlagen, und dieses Dokument ist seit Jahren käuflich zu erwerben.

Inzwischen hat BMW angekündigt, die Technologie bis 2023 einsatzbereit zu haben. "BMW plant, Silas Siliziumanodentechnologie 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 erst ein paar Jahre her. Abgerufen am 19. März 2018 von https://www.wsj.com/articles/the-battery-boost-weve-been-waiting-for-only-a-wew-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 wurde in The Startup veröffentlicht, der größten Veröffentlichung zu Unternehmertum von Medium, gefolgt von mehr als 307.492 Personen.

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