Om elfordon någonsin helt skall ersätta fossildrivna på världens vägar, kommer de att behöva en helt ny typ av batterier. Trots ständiga förbättringar i energitäthet och livstid för litium-jonbatterier under det senaste decenniet släpar battericellerna i nya elbilar fortfarande efter förbränningsmotorer i stort sett varje prestandajämförelse. De flesta elbilar har en räckvidd på mindre än 50 mil, det tar mer än en timme att ladda deras batteripaket, cellerna förlorar nästan en tredjedel av sin kapacitet inom ett decennium, och de utgör en allvarlig säkerhetsrisk på grund av sina brandfarliga material.
Lösningen på dessa problem har varit känd i årtionden: Det kallas för halvledarbatteri, och det är baserat på en bedrägligt enkel idé, i stället för en konventionell flytande elektrolyt använder man en fast elektrolyt. Dessutom är det nya batteriets negativa terminal, som kallas dess anod, tillverkad av ren litiummetall. Denna kombination ökar energitätheten, möjliggör ultrasnabb laddning, och eliminerar risken för batteribränder. Men under de senaste 40 åren har ingen kunnat tillverka ett halvledarbatteri som håller dessa löften, förrän tidigare i år, när ett nystartat företag som heter QuantumScape hävdade att de har löst problemet. Nu presenterar man data för att bevisa det.
I mitten av december presenterade QuantumScapes grundare och VD, Jagdeep Singh, offentligt testresultatet för bolagets halvledarbatteri för första gången. Singh säger att batteriet löst alla de viktigaste utmaningarna som har funnits med halvledarbatterier i det förflutna, som korta livstider och långsam laddningshastighet. Enligt QuantumScapes data kan deras batteri ladda till 80 procent av kapaciteten på 15 minuter, det behåller mer än 80 procent av sin kapacitet efter 800 laddningscykler, det är icke brännbart, och det har en volymetrisk energitäthet på mer än 1 000 wattimmar per liter på cellnivå, vilket är nästan dubbelt så mycket som energitätheten för kommersiella litium-jonceller. Celler testades också vid temperaturer ner till -30 grader Celsius, en temperatur för låg för andra halvledarlösningar att fungera, tillägger företaget.
”Vi tror att vi är de första att lösa halvledarproblemet”, sade Singh vid presentationen. ”Inga andra halvledarbatterier kommer i närheten av detta.”
QuantumScapes battericell är ungefär av ett spelkorts storlek. Dess katod, eller positiva terminal, är gjord av nickel-mangan-koboltoxid, eller NMC, en vanlig lösning i batterier för elfordon idag. Dess negativa elektrod, eller anod, är tillverkad av ren litiummetall, men man kan faktiskt säga att den inte har någon anod alls. När batteriet laddas ur under användning, flödar allt litium från anoden till katoden. Det som finns kvar på anodsidan—tunnare än ett människohår—är tillfälligt hoptryckt som ett dragspel. Processen reverseras när batteriet laddas, och litiumjonerna går över till anodsidan igen.
”Denna anodfria design är viktig eftersom det förmodligen är det enda sättet som litium-metallbatterier kan tillverkas idag med nuvarande tillverkningsanläggningar”, säger Venkat Viswanathan, en ingenjör som arbetar med litium-metallbatterier vid Carnegie Mellon University och som är teknisk rådgivare till QuantumScape säger att ”anodfrihet har varit en stor utmaning för forskningen.”
Men nyckeln till QuantumScapes halvledarbatteri är den flexibla keramiska separatorn som sitter mellan katoden och anoden. Liksom den flytande elektrolyten som finns mellan elektroderna i en konventionell battericell, är dess huvudsakliga funktion att transportera litiumjoner från en terminal till den andra när batteriet laddas och urladdar. Skillnaden är att den fasta separatorn också fungerar som en barriär som stoppar litiumdendriter, metalliska strukturer som kan bildas på litiumanoder under laddningscykler, vilket kan leda till kortslutning.
Venkat Srinivasan, chef för Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, har tillbringat nästan ett decennium med att forska på halvledarbatterier. Han säger att hitta ett separatormaterial som tillåter litiumjoner att flöda fritt mellan elektroder samtidigt som man blockerar dendriter har varit den absolut största utmaningen. Vanligtvis har forskare försökt antingen med plastpolymerer eller med hård keramik. Även om polymerer är det dominerande separatormaterialet i flytande elektrolytbatterier, är de otillräckliga för halvledarceller eftersom de inte blockerar dendriter. Och de flesta keramiktyper som använts för experimentella halvledarbatterier har varit för spröda för att hålla mer än ett par dussin laddningscykler.
”Dendriterna är som en trädrot”, säger Srinivasan, som inte var involverad i QuantumScape arbete. ”Problemet som vi försöker lösa är, hur stoppar man mekaniskt detta rotsystem från att växa i ett fast ämne? Du kan inte använda vad som helst, eftersom man måste mata joner fram och tillbaka. Om man inte kan det, blir det inget batteri.”
Litium-jon-batterier är komplexa system, och anledningen till deras långsamma förbättringstakt under åren är att när man modifierar en del av en battericell så har det ofta sidoeffekter som ändrar dess prestanda på oförutsedda sätt. För att bygga ett bättre batteri måste forskarna systematiskt undersöka olika material tills de hittar något som fungerar, vilket kan vara en otroligt tidskrävande uppgift. Singh säger att det tog QuantumScape 10 år och 300 miljoner dollar i forskning och utveckling innan företaget hittade en halvledarseparator som håller måttet. Inga uppgifter om hur det tillverkas har offentliggjorts, men man uppger att materialet är billigt och lätt tillgänglig. ”Vi hade inte någon gudomlig uppenbarelse som sade: ’Detta material kommer att fungera, gå och producera det’”, säger Singh. ”Vi var tvungna att försöka en massa återvändsgränder. Men naturen gav oss ett material som uppfyller kraven, och lyckligtvis kunde vi genom vår systematiska sökprocess hitta det.”
Singh säger att QuantumScapes batteri är den typ av kraftiga prestandaförbättringar som kommer att popularisera elfordon. Han är inte den enda som tror det. Företaget räknar Bill Gates och Vinod Khosla bland sina investerare, och flera tunga batteriaktörer, som Teslas medgrundare J.B. Straubel, sitter i styrelsen. En av företagets största finansiärer är Volkswagen, världens största biltillverkare, som har plöjt ner mer än 300 miljoner dollar i QuantumScape och planerar att börja använda halvledarceller i några av sina egna elbilar så snart som 2025.
Trots denna goda nyhet kommer det fortfarande att ta ett bra tag innan elbilen har en stor marknadsandel. Detta beror på att den genomsnittliga livslängden för en bil är år arton år och på att övergångsprocessen inte går fort bland dagens biltillverkare på grund av marknadens tröghet. Europeiska kommissionen har lagt fram en plan för att stimulera hållbar rörlighet. Man vill ha 30 miljoner elbilar i Europa år 203. På en marknad med 243 miljoner bilar motsvarar detta en marknadsandel på 12,3 procent. Med andra ord: År 2030 kommer sju av åtta bilar fortfarande att drivas av en förbränningsmotor enligt det mål som fastställts av Europeiska kommissionen.
QuantumScape och VW är naturligtvis inte de enda företagen i som satsar på halvledarbatterier. Toyota, som har varit en pionjär med eldrift, främst genom hybridfordon, håller också på att utveckla en halvledarcell, som företaget planerade att avslöja vid OS i Tokyo i år innan det sköts upp på grund av pandemin. Att Toyota menar allvar med tekniken bevisas av det stora antalet patent firman innehar. De toppar världsrankingen med mer än 1 000 patent för halvledarbatterier.
Liksom VW, tänker Toyota ha sina halvledarbatterier i fordon till 2025. Men tidigare i år sade Keiji Kaita, vice VD för Toyotas drivlinedivision, till branschtidningen Automotive News att företaget fortfarande måste förbättra batteriets begränsade livslängd.
Ett sex år gammalt startupföretag som heter Solid Power har också gjort en fungerande halvledarcell och börjat producera prototypbatterier med 10 staplade lager på en pilotanläggning i Colorado. Liksom QuantumScapes har dessa celler en litiumanod och en keramisk halvledarelektrolyt. Solid Powers elektrolyt är sulfidbaserad, något som är önskvärt för halvledarbatterier på grund av dess höga ledningsförmåga och kompatibilitet med befintliga tillverkningsprocesser. Företaget har ingått partnerskap med ett antal biltillverkare, inklusive Ford, BMW, och Hyundai, även om man inte förväntar sig att se sina celler i kommersiella fordon före 2026 på grund av den långa kvalificeringsprocessen inom fordonsindustrin.
”Konkurrenssituationen inom halvledarbatterisektorn blir allt hårdare på grund av den enorma potential som halvledarbatterier har för att möjliggöra fordonselektrifiering”, säger Doug Campbell, VD för Solid Power. ”Detta leder i slutändan till elfordon med större räckvidd, större tillförlitlighet, och lägre kostnad.”
QuantumScapes prestandadata är imponerande, men det kommer med en viktig varning. Alla testdata genererades i enskilda celler som tekniskt sett inte är kompletta batterier. Den tunna cellen som förevisades av QuantumScape är avsedd att staplas tillsammans med cirka 100 till för att bilda en full cell som är ungefär lika stor som en kortlek. Att driva ett elfordon kommer att kräva hundratals av dessa staplade batterier, men hittills har företaget inte testat en fullt staplad cell.
Att skala upp ett batteri från en enda cell till ett fullt batteripaket kan skapa en hel del problem, säger Srinivasan. När batterier görs i små partier, säger han, är det lättare att eliminera defekter som dyker upp under produktionsprocessen. Men när man börjar tillverka batterier i stor skala kan det vara svårt att kontrollera defekter som snabbt kan sabotera ett batteris prestanda. ”Även om ett material kan se riktigt lovande ut i liten skala kan dessa defekter bli ett större problem vid masstillverkning”, säger Srinivasan. ”Verklig tillverkning skiljer sig mycket från labbmiljö.”
Jeff Sakamoto, en ingenjör specialiserad på energilagring vid University of Michigan som inte heller har arbetat med QuantumScape, håller med. Han säger att det fortfarande finns betydande kunskapsluckor om de grundläggande mekaniska egenskaperna hos litiumhalvledarbatterier, vilket kan skapa problem när det gäller kommersialisering av tekniken. Han pekar på världens första kommersiella passagerarjet, De Havilland Comet, som ett exempel på konsekvenserna av att lansera en teknik innan dess materiella egenskaper är helt förstådda. Kort efter planet hade lanserats, hade man flera katastrofala olyckor eftersom ingenjörerna inte helt förstod utmattningsprocessen i de metaller som användes i flygkroppen. Trots att insatserna är något lägre för halvledarceller än för kommersiella jetplan kan ett batteri som kommersialiseras men som får oväntade prestandaproblem medföra att elfordonsmarknaden påverkas negativt.
”Jag är förvånad över att så lite är känt om litiums mekaniska egenskaper och hur litiums fysiska egenskaper påverkar möjligheterna för halvledarbatterier”, säger Sakamoto. ”Jag vet inte i vilken utsträckning dessa kunskapsluckor kommer att påverka användningen av litiumhalvledarbatterier. Men ju mer vi vet om det grundläggande egenskaperna, desto snabbare övergång till storskalig användning.”
Singh är inte orolig över de problem som QuantumScape fortfarande måste lösa innan deras batterier kan ta steget från labbet in i ett fordon. Såvitt honom anbelangar har företaget redan löst de hårda grundläggande-vetenskapliga problem som hittills har bromsat kommersialiseringen av halvledarbatterier. ”Jag vill inte bagatellisera arbetet som återstår”, säger Singh. ”Men det är inte längre en fråga om huruvida detta kommer att fungera eller inte. Det är en fråga om ingenjörskonst.”
Tidigare i år lanserades QuantumScape på börsen genom ett särskilt holdingbolag och har dragit in cirka 700 miljoner dollar till sina redan stora tillgångar. Singh säger att företaget nu har mer än 1 miljard dollar i sin kassa, vilket är mer än tillräckligt tills den kommersiella produktionen kan starta. Det verkar omöjligt att företaget skulle kunna misslyckas, men det är också vad investerare trodde om A123 Systems och Envia Systems, två företag som tog emot enorma summor pengar från biltillverkare med löfte om nya fantastiska batteriteknologier som kraschade när prestanda hos deras celler inte mötte förväntningarna. QuantumScape kan mycket väl bli den första startupen att leverera ett kommersiellt halvledarbatteri, men företaget har fortfarande en lång väg framför sig.
