Vereinfachung der Lithiumproduktion

Bilder zum Herunterladen auf der Website des MIT News-Büros werden nichtkommerziellen Unternehmen, der Presse und der Öffentlichkeit unter einer Creative Commons-Lizenz „Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung“ zur Verfügung gestellt. Sie dürfen die bereitgestellten Bilder nicht verändern, außer sie auf die richtige Größe zuzuschneiden. Bei der Reproduktion von Bildern muss eine Kreditlinie in Anspruch genommen werden; Wenn dies unten nicht angegeben ist, nennen Sie die Bilder „MIT“.

Vorheriges Bild Nächstes Bild

Wenn es um Batterieinnovationen geht, wird großen Wert auf mögliche neue Chemikalien und Materialien gelegt. Oft wird übersehen, wie wichtig Produktionsprozesse für die Kostensenkung sind.

Jetzt hat das MIT-Spinout 24M Technologies die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien durch ein neues Design vereinfacht, das weniger Materialien und weniger Schritte zur Herstellung jeder Zelle erfordert. Das Unternehmen gibt an, dass das Design, das es wegen der Verwendung klebriger Elektroden „SemiSolid“ nennt, die Produktionskosten um bis zu 40 Prozent senkt. Der Ansatz verbessert auch die Energiedichte, Sicherheit und Recyclingfähigkeit der Batterien.

Dem Brancheninteresse nach zu urteilen, ist 24M auf der Spur. Seit 24M den Stealth-Modus im Jahr 2015 verlassen hat, hat 24M seine Technologie an multinationale Unternehmen lizenziert, darunter Volkswagen, Fujifilm, Lucas TVS, Axxiva und Freyr. Die letzten drei Unternehmen planen den Bau von Gigafabriken (Fabriken mit einer jährlichen Produktionskapazität im Gigawatt-Bereich) auf Basis der Technologie von 24M in Indien, China, Norwegen und den Vereinigten Staaten.

„Die SemiSolid-Plattform hat sich im Maßstab von Hunderten von Megawatt bewährt, die für Energiespeichersysteme für Privathaushalte produziert werden. Jetzt wollen wir sie im Gigawatt-Maßstab unter Beweis stellen“, sagt Naoki Ota, CEO von 24M, zu dessen Team der Mitbegründer und Chef von 24M gehört Wissenschaftler und MIT-Professor Yet-Ming Chiang.

Der Aufbau großer Produktionslinien ist nur die erste Phase des Plans von 24M. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Batteriedesigns besteht darin, dass es mit verschiedenen Kombinationen von Lithium-Ionen-Chemikalien arbeiten kann. Das bedeutet, dass die Partner von 24M später leistungsstärkere Materialien integrieren können, ohne die Herstellungsprozesse wesentlich zu ändern.

Die Art der schnellen Massenproduktion von Batterien der nächsten Generation, die 24M zu ermöglichen hofft, könnte dramatische Auswirkungen auf die Akzeptanz von Batterien in der gesamten Gesellschaft haben – von den Kosten und der Leistung von Elektroautos bis hin zur Fähigkeit erneuerbarer Energien, fossile Brennstoffe zu ersetzen.

„Das ist eine Plattformtechnologie“, sagt Ota. „Wir sind nicht nur ein kostengünstiger und hochzuverlässiger Betreiber. Das sind wir heute, sondern wir können auch mit Chemie der nächsten Generation wettbewerbsfähig sein. Wir können jede Chemie auf dem Markt verwenden, ohne dass Kunden ihre Lieferketten ändern müssen. Sonstiges.“ Startups versuchen, dieses Problem morgen anzugehen, nicht heute. Unsere Technologie kann das Problem heute und morgen lösen.“

Ein vereinfachtes Design

Chiang,der Kyocera-Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT ist,Nachdem er 2001 ein anderes Batterieunternehmen, A123 Systems, mitgegründet hatte, bekam er seinen ersten Einblick in die Batterieproduktion im großen Maßstab. Als sich dieses Unternehmen Ende der 2000er Jahre auf den Börsengang vorbereitete, begann Chiang sich zu fragen, ob er eine Batterie entwickeln könnte, die einfacher wäre herzustellen.

„Ich bekam einen Einblick in die Batterieherstellung und was mir auffiel, war, dass es sich, obwohl wir es geschafft haben, um einen unglaublich komplizierten Herstellungsprozess handelte“, sagt Chiang. „Es entstand aus der Herstellung von Magnetbändern, die Ende der 1980er Jahre auf Batterien umgestellt wurden.“

In seinem Labor am MIT, wo er seit 1985 als Professor tätig ist, begann Chiang bei Null mit einem neuen Gerätetyp, den er „Semi-Solid-Flow-Batterie“ nannte und der Flüssigkeiten mit partikelbasierten Elektroden zu und von Tanks pumpt, um eine Ladung zu speichern .

Im Jahr 2010 ging Chiang eine Partnerschaft mit W. Craig Carter ein, dem POSCO-Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, und die beiden Professoren betreuten einen Studenten, Mihai Duduta '11, der sich in seiner Bachelorarbeit mit Flussbatterien beschäftigte. Innerhalb eines Monats hatte Duduta in Chiangs Labor einen Prototyp entwickelt und 24M war geboren. (Duduta war der erste Mitarbeiter des Unternehmens.)

Aber selbst als 24M mit dem Technology Licensing Office (TLO) des MIT zusammenarbeitete, um die in Chiangs Labor durchgeführte Forschung zu kommerzialisieren, begannen Mitarbeiter im Unternehmen, darunter auch Duduta, das Konzept der Durchflussbatterie zu überdenken. Eine interne Kostenanalyse von Carter, der mehrere Jahre lang für 24M beratend tätig war, veranlasste die Forscher schließlich zu einem Richtungswechsel.

Dadurch blieb dem Unternehmen jede Menge klebriger Schlamm übrig, aus dem die Elektroden in seinen Flow-Batterien bestanden. Einige Wochen nach Carters Kostenanalyse beschloss Duduta, damals leitender Forschungswissenschaftler bei 24M, die Aufschlämmung zum manuellen Zusammenbau von Batterien zu verwenden und die klebrigen Elektroden direkt in den Elektrolyten zu mischen. Die Idee fand Anklang.

Die Hauptbestandteile von Batterien sind die positiv und negativ geladenen Elektroden und das Elektrolytmaterial, das den Ionenfluss zwischen ihnen ermöglicht. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden feste Elektroden, die durch Schichten aus inerten Kunststoffen und Metallen vom Elektrolyten getrennt sind und die Elektroden an Ort und Stelle halten.

Durch den Verzicht auf inerte Materialien herkömmlicher Batterien und die Verwendung einer klebrigen Elektrodenmischung bietet das Design von 24M eine Reihe von Vorteilen.

Zum einen entfällt der energieintensive Prozess des Trocknens und Verfestigens der Elektroden bei der herkömmlichen Lithium-Ionen-Produktion. Das Unternehmen gibt an, dass dadurch auch der Bedarf an mehr als 80 Prozent der inaktiven Materialien in herkömmlichen Batterien reduziert wird, darunter auch teure Materialien wie Kupfer und Aluminium. Das Design kommt außerdem ohne Bindemittel aus und verfügt über extra dicke Elektroden, wodurch die Energiedichte der Batterien verbessert wird.

„Wenn Sie ein Unternehmen gründen, ist es klug, alle Ihre Annahmen zu überdenken und sich zu fragen, wie Sie Ihre Ziele am besten erreichen können, in unserem Fall einfach herzustellende, kostengünstige Batterien“, sagt Chiang. „Wir kamen zu dem Schluss, dass unser eigentlicher Wert in der Herstellung einer Lithium-Ionen-Suspension lag, die von Anfang an elektrochemisch aktiv war und einen Elektrolyten enthielt, und den Elektrolyten einfach als Verarbeitungslösungsmittel verwendet.“

Im Jahr 2017 nahm 24M am STEX25 Startup Accelerator des MIT Industrial Liaison Program teil, bei dem Chiang und seine Mitarbeiter wichtige Branchenkontakte knüpften, die dazu beitragen sollten, frühe Partnerschaften zu sichern. 24M hat auch mit MIT-Forschern an Projekten zusammengearbeitet, die vom Energieministerium finanziert wurden.

Ermöglicht die Batterierevolution

Die meisten Partner von 24M haben für ihre Batterien den schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge (EV) im Auge, und die Gründer glauben, dass ihre Technologie die Einführung von Elektrofahrzeugen beschleunigen wird. (Nach Angaben des Instituts für Energieforschung machen die Batteriekosten 30 bis 40 Prozent des Preises von Elektrofahrzeugen aus).

„Lithium-Ionen-Batterien haben im Laufe der Jahre enorme Fortschritte gemacht, aber selbst Elon Musk sagt, wir brauchen eine bahnbrechende Technologie“, sagt Ota und bezieht sich dabei auf den CEO des Elektrofahrzeugunternehmens Tesla. „Um Elektrofahrzeuge häufiger zu machen, brauchen wir einen Durchbruch bei den Produktionskosten; wir können uns nicht nur auf Kostensenkung durch Skalierung verlassen, weil wir heute bereits viele Batterien herstellen.“

24M arbeitet außerdem daran, neue Batteriechemien zu testen, die seine Partner schnell in ihre Gigafabriken integrieren könnten. Im Januar dieses Jahres erhielt 24M vom ARPA-E-Programm des Energieministeriums einen Zuschuss zur Entwicklung und Skalierung einer Batterie mit hoher Energiedichte, die eine Lithium-Metallanode und eine halbfeste Kathode für den Einsatz in der elektrischen Luftfahrt verwendet.

Dieses Projekt ist eines von vielen weltweit, das darauf abzielt, neue Lithium-Ionen-Batteriechemien zu validieren, die eine lange ersehnte Batterierevolution ermöglichen könnten. Da 24M weiterhin die Schaffung großer, globaler Produktionslinien vorantreibt, ist das Team davon überzeugt, dass es gut positioniert ist, um Laborinnovationen in allgegenwärtige, weltverändernde Produkte umzusetzen.

„Diese Technologie ist eine Plattform, und unsere Vision ist es, wie Googles Android [Betriebssystem] zu sein, auf dem andere Leute Dinge auf unserer Plattform entwickeln können“, sagt Ota. „Das wollen wir machen, aber mit Hardware. Deshalb lizenzieren wir die Technologie. Unsere Partner können dieselben Produktionslinien nutzen, um von den Vorteilen neuer Chemikalien und Ansätze zu profitieren. Diese Plattform bietet jedem mehr Optionen.“

Vorheriger Artikel Nächster Artikel