Når det gjelder batteriinnovasjoner, vies mye oppmerksomhet til potensielle nye kjemier og materialer. Vi glemmer ofte viktigheten av produksjonsprosesser for å redusere kostnadene.

Nå har MIT spin-out 24M Technologies forenklet produksjonen av litiumionbatterier med en ny design som krever færre materialer og færre trinn for å lage hver celle. Selskapet sier at designet, som det kaller «SemiSolid» for bruken av klebrige elektroder, reduserer produksjonskostnadene med opptil 40 %. Tilnærmingen forbedrer også energitettheten, sikkerheten og resirkulerbarheten til batterier.

Ut fra industriens interesse er 24M inne på noe. Siden de kom ut av stealth-modus i 2015, har 24M lisensiert teknologien sin til multinasjonale selskaper som Volkswagen, Fujifilm, Lucas TVS, Axxiva og Freyr. De tre sistnevnte selskapene planlegger å bygge gigafabrikker (fabrikker med årlig produksjonskapasitet i gigawatt-skala) basert på 24M teknologi i India, Kina, Norge og USA.

«SemiSolid-plattformen er utprøvd i stor skala med hundrevis av megawatt produsert for energilagringssystemer i boliger. Nå ønsker vi å bevise det i gigawatt-skala, sier 24M-sjef Naoki Ota, hvis team inkluderer 24M-medgründer, sjefforsker og MIT-professor Yet-Ming Chiang.

Etablering av storskala produksjonslinjer er bare den første fasen av 24Ms plan. En annen viktig del av batteridesignen er at den kan fungere med forskjellige kombinasjoner av litiumionkjemi. Dette betyr at 24M-partnere kan innlemme materialer med høyere ytelse på tvers av linjen uten å endre produksjonsprosessene vesentlig.

Den typen rask, storskala produksjon av neste generasjons batterier som 24M håper å muliggjøre, kan ha en enorm innvirkning på batteriadopsjon i samfunnet, fra kostnadene og ytelsen til elbiler til fornybar energis evne til å erstatte fossilt brensel.

«Det er en plattformteknologi,» sier Ota. «Vi er ikke bare en rimelig og svært pålitelig operatør. Det er den vi er i dag, men vi kan også konkurrere med neste generasjons kjemi. Vi kan bruke hvilken som helst kjemi på markedet uten at kundene våre endrer leverandørkjedene sine. Andre startups prøver å løse dette problemet i morgen, ikke i dag. Vår teknologi kan løse problemet i dag og i morgen.

En forenklet design

Chiang, som er Kyocera-professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved MIT, fikk sin første smak av storskala batteriproduksjon etter å ha grunnla et annet batteriselskap, A123 Systems, i 2001. Da dette selskapet forberedte seg på å bli børsnotert på slutten av 2000-tallet, begynte Chiang å lure på om han kunne designe et batteri som ville være enklere å produsere.

«Jeg fikk dette vinduet inn i hvordan trommelaging var, og det som slo meg var at selv om vi var vellykket, var det en utrolig komplisert produksjonsprosess,» sier Chiang. «Det er avledet fra produksjon av magnetbånd som ble tilpasset trommer på slutten av 1980-tallet.»

I laboratoriet sitt ved MIT, hvor han har vært professor siden 1985, startet Chiang fra bunnen av med en ny type enhet han kalte et «semi-solid flow-batteri» som pumper væsker som bærer partikkelbaserte elektroder. til og fra tanker til lager mye. .

I 2010 inngikk Chiang et samarbeid med W. Craig Carter, som er POSCO-professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved MIT, og de to professorene veiledet en student, Mihai Duduta ’11, som utforsket strømningsbatterier for sin bacheloroppgave. I løpet av en måned hadde Duduta utviklet en prototype i Chiangs laboratorium, og 24M ble født. (Duduta var selskapets første ansettelse.)

Men selv da 24M jobbet med MITs teknologilisensieringskontor (TLO) for å kommersialisere forskning utført i Chiangs laboratorium, begynte medlemmer av selskapet, inkludert Duduta, å tenke nytt om strømningsbatterikonseptet. En intern kostnadsanalyse av Carter, som konsulterte 24M i flere år, førte til slutt forskerne til å endre retning.

Dette etterlot selskapet med massevis av klebrig slim som utgjorde elektrodene til strømningsbatteriene deres. Noen uker etter Carters kostnadsanalyse bestemte Duduta, den gang hovedetterforsker ved 24M, seg for å begynne å bruke slurry for å sette sammen batteriene for hånd, og blande de klebrige elektrodene direkte inn i elektrolytten. Ideen slo til.

Hovedkomponentene i batterier er de positivt og negativt ladede elektrodene og det elektrolytiske materialet som lar ioner strømme mellom dem. Tradisjonelle litium-ion-batterier bruker solide elektroder atskilt fra elektrolytten med lag av plast og inerte metaller, som holder elektrodene på plass.

Å eliminere de inerte materialene til tradisjonelle batterier og ta i bruk den klebrige elektrodeblandingen gir 24M-designet en rekke fordeler.

For det første eliminerer den den energikrevende prosessen med elektrodetørking og størkning i tradisjonell litiumionproduksjon. Selskapet sier at det også reduserer behovet for mer enn 80 % av inaktive materialer i tradisjonelle batterier, inkludert dyrere som kobber og aluminium. Designet krever heller ingen bindemiddel og har ekstra tykke elektroder, noe som forbedrer energitettheten til batteriene.

«Når du starter en bedrift, er den smarte tingen å gjøre å gå gjennom alle antakelsene dine og spørre deg selv hva som er den beste måten å nå dine mål, som i vårt tilfelle var rimelige, enkeltlagde batterier,» sier Chiang . «Vi bestemte oss for at vår virkelige verdi var å lage en litium-ion-slurry som var elektrokjemisk aktiv hele tiden, med elektrolytt i den, og du bruker bare elektrolytten som et prosesseringsmiddel.»

I 2017 deltok 24M i MITs Industrial Linkage Program STEX25 Startup Accelerator, der Chiang og hans samarbeidspartnere skapte kritiske bransjeforbindelser som ville hjelpe ham med å sikre tidlige partnerskap. 24M har også samarbeidet med MIT-forskere om prosjekter finansiert av Department of Energy.

Aktiver Battery Revolution

De fleste av 24Ms partnere ser på det raskt voksende markedet for elektriske kjøretøy (EV) etter batteriene sine, og grunnleggerne tror deres teknologi vil akselerere EV-adopsjon. (Batterikostnadene er 30-40 % av prisen på elbiler, ifølge Institutt for energiforskning).

«Lithium-ion-batterier har gjort store forbedringer gjennom årene, men selv Elon Musk sier at vi trenger banebrytende teknologi,» sier Ota, og refererer til administrerende direktør i elbilselskapet Tesla. «For å gjøre elbiler mer mainstream, trenger vi et gjennombrudd i produksjonskostnadene; vi kan ikke bare stole på kostnadsreduksjon gjennom oppskalering, for vi lager allerede mange batterier i dag.»

24M jobber også med å bevise nye batterikjemier som partnerne raskt kan integrere i gigafabrikkene deres. I januar i år mottok 24M et tilskudd fra Department of Energys ARPA-E-program for å utvikle og skalere et batteri med høy energitetthet som bruker en litiummetallanode og en halvfast katode.fast for bruk i elektrisk luftfart.

Dette prosjektet er ett av mange rundt om i verden designet for å validere nye litium-ion-batterikjemi som kan muliggjøre en lenge etterlengtet batterirevolusjon. Ettersom 24M fortsetter å drive etableringen av storskala, globale produksjonslinjer, mener teamet at det er godt posisjonert for å gjøre laboratorieinnovasjoner til allestedsnærværende, spillendrende produkter.

«Denne teknologien er en plattform, og vår visjon er å være som Googles Android [operating system], hvor andre mennesker kan lage ting på plattformen vår, sier Ota. «Vi ønsker å gjøre det, men med maskinvare. Det er derfor vi lisensierer teknologien. Våre partnere kan bruke de samme produksjonslinjene for å dra nytte av fordelene med nye kjemier og tilnærminger. Denne plattformen gir alle flere alternativer.