Jepit Inovasi dalam Teknologi Listrik

Seberapa scalable itu? Bagaimana dengan kimia di baliknya?

Foto oleh David Moum di Unsplash

Dari penerangan hingga listrik, kami telah berhasil memanfaatkan energi dan memahami sifat elektron yang bergerak, hingga tingkat tertentu.

Seberapa jauh kita bisa mengambilnya? Seberapa optimis kita seharusnya?

Namun, masalah terbesar bukan itu.

Solusi inovatif yang diusulkan oleh perusahaan energi ini telah ada selama hampir setengah dekade tanpa kemajuan, meskipun makalah menyarankan bagaimana skala proses.

Keterbatasan Lithium-ion

Mari kita mulai dengan apa yang sudah kita miliki.

Dalam konsultasi dengan beberapa pemain industri di bidang ini, reporter Christopher Mims dari Wall Street Journal menunjukkan bahwa persaingan di ruang pasar untuk baterai yang lebih efisien dan kuat semakin memanas, bersama dengan inovasi dan penelitian.

Dia menulis tentang ini sebagai perkembangan logis untuk masyarakat global yang dengan cepat menjadi semakin bergantung pada listrik dan hubungan yang saling berhubungan setiap hari:

“Gelombang baterai berikutnya, lama dalam pipa, siap untuk komersialisasi. Ini berarti, antara lain, ponsel dengan daya tahan baterai 10% hingga 30% lebih tinggi, atau ponsel dengan daya tahan baterai yang sama tetapi lebih cepat dan lebih ringan atau dengan layar yang lebih terang ”(Mims, 2018).

Tetapi saya pikir pertanyaan besar yang ada di benak semua orang adalah apakah upaya aplikasi ini - itu sangat baru dan belum sepenuhnya diuji pada skala belum - akan dapat memberikan kinerja yang konsisten sejalan dengan tujuan kemampuan yang lebih besar untuk penyimpanan dan transfer listrik melalui waktu.

Kita bisa menjawab pertanyaan itu dengan melihat lebih dekat pada kimia.

Sekali lagi, saya benar-benar tidak berpikir ini adalah sesuatu yang sepadan dengan uang yang dibelanjakan oleh perusahaan-perusahaan ini, tetapi saya akan menjelaskannya sesudahnya.

Untuk bagian Mims, mari kita lihat bagaimana penulis penelitian dan pakar yang diwawancarai berhasil menemukan solusi untuk masalah keterbatasan inheren baterai Lithium-ion.

Mims pertama berkomentar bahwa sementara penelitian tentang meningkatkan jumlah listrik baterai ini dapat menyimpan dan melepaskan kecil, kemajuan tahun-ke-tahun masih dilakukan.

Peningkatan ini berlaku untuk kemampuan anoda baterai untuk menyimpan jumlah elektron yang lebih besar.

Dengan jumlah elektron yang lebih besar dalam anoda, baterai memungkinkan kita mempertahankan arus listrik untuk waktu yang lebih lama karena elektron yang bergerak dari anoda ke katoda memberikan energi untuk periode waktu yang lebih lama.

Berikut adalah beberapa pandangan lateral dan burung-mata dari grafit di lapisan graphene, milik Wikipedia.

Satu hal penting yang perlu diperhatikan tentang grafit adalah susunnya menghasilkan sejumlah kualitas unik.

Di antara sifat-sifat ini adalah desentralisasi elektron sebagai hasil dari tumpang tindih orbital yang timbul dari ikatan atom karbon dalam set lapisan bertumpuk yang terdiri dari enam cincin, ikatan ganda.

Anda dapat membayangkan desentralisasi elektron seperti kolam, di mana elektron dari setiap atom karbon dalam lapisan graphene ada secara bebas alih-alih dipertahankan di dekat masing-masing atom karbon. Mereka dibagikan, secara luas.

Peningkatan kecil yang kami lakukan dengan baterai lithium-ion kemungkinan besar berkaitan dengan peningkatan pemahaman kami tentang grafit dan sifat-sifatnya (yaitu kemampuannya untuk menyimpan elektron) dari waktu ke waktu.

Saya tidak terbiasa dengan detail yang tepat tentang cara kerja grafit untuk menyimpan elektron sebagai anoda di luar ini.

Tetapi saat ini, tampaknya elektroda negatif (atau anoda) yang paling populer yang tersedia untuk dijual adalah grafit.

Jadi mengapa tidak menggunakan silikon atau kombinasi, bukan grafit? Jawaban dasar bermuara pada perbedaan struktural radikal antara kedua kombinasi. Nanopartikel silikon rentan terhadap meledak.

Solusi yang Diusulkan

Mims menyatakan bahwa perusahaan seperti Sila Nanotechnologies, Angstron Material, Enovix, dan Enevate mungkin telah melampaui batasan ini dengan tingkat yang cukup tinggi sebagai bagian dari penelitian bersamaan mereka pada model baterai lithium-silikon (Mims, 2018).

Silikon diinginkan karena dapat menyimpan hingga 25 kali lebih banyak elektron dibandingkan dengan standar lithium-grafit saat ini.

“Biasanya, anoda dalam baterai lithium-ion terbuat dari grafit, yang merupakan karbon dalam bentuk kristal. Sementara anoda grafit memiliki sejumlah besar ion litium, para peneliti telah lama mengetahui material yang berbeda, silikon, dapat menampung 25 kali lebih banyak. ”

Oke, jadi mengapa tidak menggunakan silikon yang terintegrasi dengan grafit sebagai anoda dan kemudian memiliki lebih banyak elektron yang dapat kita gunakan untuk meningkatkan masa pakai baterai?

Nah, Mims melaporkan bahwa beberapa perusahaan telah datang dengan solusi berbasis nanopartikel kompleks sepanjang itu:

"... rahasianya adalah partikel nano dengan cangkang keras grafit-silikon dan banyak ruang kosong di dalamnya"

Namun, ia mencatat bahwa keuntungan dibatasi pada 40% karena ukuran tradeoff. Jika kita menginginkan bola yang lebih besar untuk lebih banyak elektron, kita membutuhkan anoda yang lebih besar, dan anoda yang lebih besar berarti lebih sedikit efisiensi untuk elektron per unit ruang.

Sebagai visual, inilah gambar keren nanopartikel silikon-grafit bulat kasar (ini adalah anoda, bagian negatif), tempat semua elektron akan disimpan pada awalnya.

Nanopartikel karbon dan silikon ini, dibuat oleh Global Graphene Group, dapat membantu baterai lithium-ion menyimpan lebih banyak energi secara signifikan. FOTO: GRAPHENE GROUP GLOBAL

Nah semuanya tampak hebat bukan?

Jika kita bisa mendapatkan bola grafit-silikon yang bagus ini sebagai anoda, kita dapat menyimpan urutan lebih banyak elektron dalam anoda baterai untuk masa pakai baterai yang lebih lama. Kami akan memiliki lebih banyak muatan negatif di bidang nanopartikel ini untuk mentransfer ke katoda yang sesuai.

Tapi itu masalah besar.

Mengapa Solusi Ini Tidak Layak

Tidak ada rasa hormat kepada para peneliti dan kerja keras mereka, tapi saya pikir aplikasi ini berjalan di jalan yang salah jika kita ingin pengisian yang efisien, masa pakai baterai lebih lama, dan sebagainya.

Untuk kreditnya, Christopher Mims, sudah mengidentifikasi sejumlah kelemahan dalam transisi yang mungkin ini.

Menciptakan baterai lithium-silikon yang lebih efisien akan membutuhkan perubahan paradigma dalam fasilitas produksi, dan itu akan sangat mahal.

Selanjutnya, apa lagi yang menghabiskan banyak uang adalah penelitian.

Saya tidak tahu tentang Anda, tetapi mengintegrasikan silikon dengan graphene pada tingkat skala nano secara konsisten tidak diragukan lagi akan mahal dan karenanya cenderung sulit untuk ditiru, yang mengarah ke masalah penskalaan.

Sementara itu, kami memiliki orang-orang seperti CEO Harrold Rust yang mengatakan hal-hal seperti:

"Dengan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi dan anoda yang hampir silikon murni, perusahaan mengklaim baterainya akan mengandung 30% hingga 50% lebih banyak energi dalam ukuran yang dibutuhkan untuk ponsel"

Saya jamin Anda metode apa pun yang dipatenkan ahli kimia di Enovix karena memproduksi "anoda yang hampir murni silikon" tidak dapat diukur.

Persiapan terukur nanopartikel silikon berpori dan aplikasi mereka untuk anoda baterai lithium-ion (2013)

Ini ditulis lima tahun lalu. Para penulis berpikir skala dapat terjadi dalam dua hingga tiga tahun. Apa yang sedang terjadi?

Logikanya, apakah ini tampak seperti proses yang skalabel dalam hal manufaktur, tetapi juga dalam hal jaminan kualitas?

Ada juga beberapa asam hidrofluorat dalam langkah etsa kedua reaksi kimia itu juga, yang bukan sesuatu yang ingin Anda tangani dalam skala untuk produksi baterai - menurut pendapat saya.

Akhirnya:

  • Bagaimana Anda akan melakukan standarisasi pengujian untuk porositas (jumlah, ukuran, dll.) Dari anoda grafit-silikon, atau anoda silikon khusus dalam baterai?
  • Bagaimana Anda menguji berapa banyak Si non-berpori yang telah dikonversi menjadi Si Berpori dalam reaksi dua langkah ini?
  • Tidakkah reaksi dua langkah menyebabkan penurunan hasil dan menyebabkan biaya yang lebih besar seperti itu?
  • Apakah tidak ada banyak kemungkinan yang dapat menyebabkan anoda grafit-silikon meledak selama penggunaan yang lama, menjadikan baterai tidak dapat digunakan?
  • Boron, salah satu bahan dalam proses ini, bukan bahan termurah di dunia. Apakah sudah ada analisis biaya manfaat bahkan dilakukan jika penelitian ini layak?

Masalah menciptakan anoda grafit-silikon "berukuran sempurna" yang menyimpan sejumlah besar energi andal bersandar dan mati dengan skala. The Ge et al. (2013) studi bahkan menyarankan cara untuk meningkatkan proses dan dokumen ini telah dapat dibeli selama bertahun-tahun.

Sementara itu kami memiliki BMW yang menyatakan bahwa mereka akan memiliki teknologi siap pada tahun 2023, "BMW berencana untuk menggabungkan teknologi anoda silikon Sila dalam kendaraan listrik plug-in pada tahun 2023, kata juru bicara perusahaan," satu dekade setelah penemuan.

Referensi

Mims, C. (2018, 18 Maret). Peningkatan Baterai yang Kami Menunggu Hanya Beberapa Tahun Lagi. Diperoleh 19 Maret 2018, dari 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). Persiapan terukur nanopartikel silikon berpori dan aplikasi mereka untuk anoda baterai lithium-ion. Penelitian Nano, (3), 174.

Kisah ini diterbitkan dalam The Startup, publikasi kewirausahaan terbesar Menengah diikuti oleh 307.492+ orang.

Berlangganan untuk menerima berita utama kami di sini.