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La superbatería de alta potencia de Skeleton es más interesante de lo que pensábamos
Nos equivocamos, amigos. Trabajando a partir de un escaso comunicado de prensa que ahora consideraríamos engañoso, observamos la Superbattery de Skeleton Technologies de Estonia y asumimos que la compañía estaba hablando de un sistema de energía híbrido que combina baterías de litio con ultracondensadores, similar a otros arreglos similares que hemos escrito. sobre en el pasado. Y lo cubrimos especulando como tal, diciendo que las afirmaciones de carga de vehículos eléctricos de 15 segundos cuidadosamente redactadas por la compañía parecían "posiblemente un poco falsas".
Skeleton se puso en contacto para decir que no, que este no es un sistema híbrido de batería/condensador, es "una tecnología de almacenamiento de energía completamente novedosa a nivel de celda", y nos ofreció la oportunidad de conversar con el Dr. Sebastian Pohlmann, vicepresidente de innovación de la compañía. .
Tuvimos una conversación muy interesante con el Dr. Pohlmann, y aunque la Superbattery de carga rápida categóricamente no reemplazará a los paquetes de iones de litio que alimentan los autos eléctricos del mañana, es mucho más interesante y prometedor de lo que pensábamos originalmente.
Ponte el cinturón para un poco de batería geek.
Baterías vs Ultracondensadores: una introducción rápida
La oferta actual de productos de primera generación de Skeleton son ultracondensadores de gama alta. Según Pohlmann. la compañía fabrica los ultracaps con mayor densidad de energía disponibles en el mercado hoy en día. Los ultracondensadores funcionan un poco como las baterías en el sentido de que almacenan carga eléctrica, pero donde las baterías utilizan una reacción química para almacenar y liberar carga, los condensadores almacenan energía en un campo eléctrico.
Como resultado, los condensadores pueden capturar y liberar energía muy rápidamente, lo suficientemente cerca como al instante para fines prácticos. Eso les da una densidad de potencia sobresaliente, una métrica relacionada con la entrada y salida de potencia máxima por peso. Un automóvil eléctrico alimentado por ultracondensadores podría cargarse en cuestión de segundos, y un paquete relativamente pequeño podría proporcionar suficiente energía instantánea para que realmente golpee el martillo en un potente sistema de transmisión.
Sin embargo, no iría muy lejos, porque los ultracondensadores tienen una densidad de energía terrible en comparación con las baterías de litio. Donde la potencia es la tasa de carga o descarga, expresada en vatios, la energía es la cantidad total de energía almacenada, expresada en vatios-hora, y los procesos químicos mucho más lentos que almacenan energía en las baterías de iones de litio les permiten almacenar mucha más energía por peso que un ultracondensador. Por lo tanto, los vehículos eléctricos que funcionan con litio pueden ofrecer una autonomía utilizable, pero tienden a tardar años en cargarse.
Los ultracondensadores le brindan hasta 60 veces más densidad de potencia que las baterías de iones de litio, además, funcionan mucho mejor en temperaturas extremas y pueden manejar más de un millón de ciclos, lo que les otorga una vida útil mucho más prolongada. Sin embargo, la batería Tesla Model 3 actual puede almacenar alrededor de 37 veces más energía por peso que los mejores ultracaps del mercado actual, y esa es la razón clave por la que continúan recibiendo todos los conciertos EV.
Skeleton tiene un producto de segunda generación que saldrá pronto, llamado SkelCap, que usa "grafeno curvo" para aumentar enormemente el área de superficie de sus electrodos, y Pohlmann dice que estos dispositivos "tendrán una densidad de energía hasta dos veces mayor en comparación con incluso las células más avanzadas producidas por nuestros competidores". Esa es una gran noticia en el mundo de los ultracondensadores, pero todavía estamos hablando de solo 15 vatios-hora por kilogramo, donde una batería Tesla almacena alrededor de 260 Wh/kg, y esa cifra aumentará significativamente.
El grafeno curvo de Skeleton. Sí, solo parece un polvo negro hasta que te acercas al nivel atómico, probablemente no sea la imagen más emocionante que verás hoy.
El grafeno curvo de Skeleton. Sí, solo parece un polvo negro hasta que te acercas al nivel atómicoSkeleton Technologies
¿Qué es el "grafeno curvo"?
Es un nombre un poco dudoso, para empezar. El grafeno es una forma de carbono: una lámina plana de una sola capa de átomos de carbono unidos en forma de panal hexagonal. Es un supermaterial de próxima generación con propiedades extraordinarias que revolucionaría todo tipo de industrias si alguien supiera cómo producirlo a bajo precio y en grandes cantidades.
“Cualquier físico te dirá que el grafeno curvo no existe”, dice Pohlmann; "El grafeno siempre es una hoja plana, esa es la definición de grafeno. El grafeno curvo, en ese sentido, no es grafeno por definición. Pero tiene la misma estructura hexagonal. Es como una hoja que se ha arrugado como una bola de papel. Por lo tanto, aún tiene la misma área de superficie de esa hoja, y aún es accesible al aire que la rodea. Por lo tanto, está muy cerca de la estructura del grafeno normal, pero puede usarlo mejor en ciertas aplicaciones ".
El grafeno curvo es la única pieza de PI estrechamente protegida en el núcleo del negocio de Skeleton. Desarrollado en la Universidad de Tartu de Estonia en la década de 1990, y ahora refinado en un proceso de fabricación en masa a escala industrial, secreto y de bajo costo por Skeleton, el grafeno curvo es un polvo negro formado por pequeñas hojas de grafeno arrugadas.
No es tan ridículamente conductivo como el grafeno, pero sigue siendo mucho más conductivo que los típicos polvos de carbón activado que se usan en los electrodos. Esa facilidad de conducción explica cómo Skeleton afirma que "la densidad de potencia de los ultracondensadores SkelCap supera los productos de la competencia por un factor de cuatro". La baja resistencia también contribuye a una mayor eficiencia, con "hasta cinco veces menos energía perdida por calor".
Y debido a que cada partícula se arruga en lugar de ser una hoja plana, no se pueden apilar una encima de la otra. En un electrodo de ultracondensador, donde un área de superficie mayor aumenta inmediatamente la densidad de energía, estas láminas en forma de bola ofrecen un área de superficie mucho más utilizable que el grafeno plano. Eso explica cómo los SkelCaps de segunda generación duplicarán las capacidades de almacenamiento de sus competidores.
Pohlmann no se extenderá demasiado sobre cómo la empresa fabrica este grafeno curvo, aparte de decir que es "muy diferente a la producción de grafeno normal... Mucho más fácil. Pones material a granel y obtienes material a granel". No sale disperso en un líquido... Los materiales de entrada están disponibles industrialmente y son muy baratos en todo el mundo, puedes hacer esa síntesis en Europa, Asia o Estados Unidos, no hay problema".
Los materiales de entrada, subraya, no incluyen grafito; un punto significativo dado que el grafito se extrae principalmente en China y Australia, y Europa no tiene mucho grafito natural.
Entonces, ¿qué es la Superbatería de Skeleton?
Después de todo ese extenso preámbulo, finalmente podemos hablar sobre la Superbatería. En esencia, se puede describir como similar a uno de estos diseños de ultracondensador SkelCap, pero con sus electrodos de grafeno curvos inundados con un electrolito químico. Nuevamente, este electrolito es algo así como una salsa secreta, y Pohlmann dice que "no es la química clásica de las celdas de iones de litio, es algo que desarrollamos específicamente para trabajar con el grafeno curvo".
El electrolito químico aumenta enormemente la densidad de energía, llevándola a alrededor de 60 Wh/kg a nivel de celda, y la enorme superficie arrugada del grafeno curvo en los electrodos permite que la carga entre y salga rápidamente, por lo que la densidad de energía es menos 10 veces mayor que una batería de litio. De hecho, tiene un impacto inmediato aún mayor: "La densidad de potencia en los primeros momentos de carga o descarga es muy similar a la de un ultracondensador típico", dice Pohlmann. "En los siguientes 10 minutos, todavía tiene una densidad de potencia significativamente más alta que una batería de iones de litio de alta potencia. Todavía está en el rango de ultracondensador, pero tal vez una densidad de potencia 5-6 veces menor".
Así que terminas con un nuevo tipo de batería en algún lugar entre el litio y los ultracapacitores, con 10 veces la densidad de energía de un ultracapacitor de generación actual pero con una capacidad mucho mayor que el litio para entregar grandes picos de energía rápidamente, así como una vida útil más larga. gracias a la reducción del calor y la resistencia.
Lo que nos lleva de vuelta a nuestros problemas con el comunicado de prensa original, parte del cual decía "el tiempo de carga extra rápido junto con los ciclos de carga contados en cientos de miles hacen de SuperBattery una solución perfecta para los tres problemas principales que afectan a los vehículos eléctricos: tiempos de carga lentos, degradación de la batería y ansiedad por el alcance".
La Superbattery podría cargarse súper rápido, en el rango de 15 segundos, y podría durar cientos de miles de ciclos, pero su densidad de energía es demasiado baja para que sea práctico como un sistema de conducción EV. Necesitaría cuatro veces el peso de una batería para ofrecer un alcance comparable al que puede ofrecer el litio.
Y esto, dice Pohlmann, nunca fue para lo que fue diseñado.
¿Para qué sirve Skeleton Superbattery, si no para los sistemas de propulsión EV?
Para Pohlmann, todo se reduce a los tiempos de los eventos de descarga. "Superbattery es un nuevo desarrollo a nivel de celda que le permite llenar la brecha de energía/potencia que existe en el mercado de almacenamiento de energía en la actualidad", dice. "Las baterías de iones de litio normalmente tienen un problema con los eventos de carga/descarga de alta potencia que duran menos de 5 a 10 minutos.
"Los ultracapacitores, por otro lado, son dispositivos de almacenamiento de alta potencia, pero no tienen ningún sentido si tiene eventos de carga o descarga de más de 60 segundos; tendría que pagar demasiado por su sistema, estaría Es mejor pagar más por su sistema de iones de litio y sobredimensionarlo. De modo que esa brecha entre 60 segundos y 10-15 minutos se llena con baterías de litio sobredimensionadas, pero bastante mal".
El producto SkelStart utiliza ultracondensadores SkelCap como batería de arranque para autobuses, camiones, trenes y otros equipos pesados. No es la Superbatería, pero realmente sentimos que te vendría bien una imagen en este punto.
El producto SkelStart utiliza ultracondensadores SkelCap como batería de arranque para autobuses, camiones, trenes y otros equipos pesados. No es la Superbatería, pero realmente sentimos que te vendría bien una imagen en este puntoSkeleton Technologies.
Un área en la que espera que la superbatería tenga un impacto rápido es en los sistemas eléctricos de "tablero de red" de 12 voltios que todavía hacen funcionar el aire acondicionado, las ventanas, el estéreo, el infoentretenimiento, la calefacción y todas las demás partes de un automóvil. que necesitan energía fuera del propio tren motriz. En la mayoría de los automóviles, de hecho, divertidamente incluso en Teslas, esta función la cumple una batería de plomo-ácido, y cuando fallan, lo que ciertamente sucede, el automóvil deja de funcionar por completo.
"Si consulta los foros de Tesla en busca de quejas", dice Pohlmann, "encontrará muchas quejas sobre estas baterías de plomo-ácido. Es un problema clásico que no va a desaparecer. Es un problema menos frecuente en los autos eléctricos, pero es sigue siendo un problema. Así que vemos esto como una valiosa tecnología de reemplazo para las baterías de plomo-ácido".
Las próximas regulaciones de la UE centradas en el medio ambiente, dice Pohlmann, probablemente pronto comenzarán a presionar a los fabricantes de automóviles para que encuentren alternativas a las baterías de plomo-ácido, y la Superbattery está diseñada para adaptarse perfectamente a ese nicho.
También desempeñará un papel, dice Pohlmann, en la red de tablero de 48 voltios de próxima generación y en los sistemas de arranque/generador que están comenzando a surgir en los automóviles ahora. Estas cosas pueden aplicar suficiente torque al motor para actuar como híbridos suaves, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones hasta en un 20% sin que las personas paguen por los grandes paquetes de baterías asociados con los híbridos enchufables.
En estas aplicaciones, dice Pohlmann, "no desea una batería grande, no necesita un uso prolongado de la batería. Necesita un dispositivo de almacenamiento de energía que pueda reaccionar rápidamente a la aplicación que está alimentando". La Superbattery está hecha a medida para adaptarse al trabajo.
Además, las celdas de combustible de hidrógeno no son buenas para regular rápidamente la cantidad de energía que emiten, por lo que los vehículos de celdas de combustible siempre necesitan una batería de reserva entre el sistema de hidrógeno y el tren motriz.
"Nuevamente, no lo necesita para el alcance, es solo para los picos de potencia", dice Pohlmann. "Y en esa situación, la Superbattery puede hacer mejor el trabajo, porque puede cubrir cargas desde un par de segundos hasta 15 minutos, lo que cubre toda su conducción cuesta arriba, frenado, aceleración, recuperación de energía de frenado y uso de aplicaciones de energía en el vehículo. La celda de combustible puede funcionar en su modo estático preferido". Los beneficios de la Superbatería serán aún mayores, dice, para los camiones y autobuses de celdas de combustible.
El segmento automotriz, dice, es donde Skeleton está recibiendo el mayor interés, porque los fabricantes de automóviles están sintiendo el mayor dolor. Pero también encontrará sus nichos en otros lugares: "Puede imaginar muchas otras aplicaciones estacionarias. Cuando piensa en cómo se factura la energía a los clientes industriales, pagan por el pico de energía más alto en cada intervalo de 15 minutos. Así es como De todos modos, la facturación a menudo funciona en Europa. Por lo tanto, si puede eliminar los picos, puede reducir significativamente su factura de energía. Para eso, la Superbattery sería el sistema perfecto".
¿Cuál es la línea de tiempo de Skeleton?
"Para la superbatería", dice Pohlmann, "actualmente estamos llevando esto a la industrialización. Llevándola de celdas piloto en el laboratorio a celdas industriales. Hemos firmado una LOI de mil millones de dólares con un gran OEM, y estamos trabajando juntos con ellos y con otros clientes de alto nivel para llevar esto al desarrollo de productos. Toda la tecnología está ahí, todo está arreglado. Ahora es el desarrollo de productos, los procesos, la construcción de la cadena de suministro para esta tecnología. Estamos buscando el comienzo de producción hacia fines de 2023. El inicio de la producción se alinea con los plazos de los proyectos de nuestros clientes".
Así que ahí lo tienes. Te advertí que esta historia se volvería geek. Es posible que la Superbattery de Skeleton no sea la tecnología revolucionaria que le brinda a su nuevo EV tiempos de carga súper rápidos y una vida útil casi infinita, pero parece que será un importante paso adelante en el nicho menos glamoroso de las aplicaciones de red y suavizado de picos. , donde puede ofrecer algunas ventajas impresionantes. Y ese rincón multimillonario todavía parece una excelente oportunidad.
El espacio entre el ultracondensador y la batería de litio está muy disputado en este momento. Los competidores notables que hemos cubierto en los últimos meses incluyen a Nawa Technologies de Francia, que afirma que puede producir a bajo costo los "electrodos más rápidos del mundo" usando nanotubos de carbono alineados verticalmente, tomando así más o menos cualquier química de batería y entregando hasta 3 veces la densidad de energía. , 10 veces más potente, una carga mucho más rápida y una vida útil de la batería hasta cinco veces mayor.
Otro que vale la pena observar es Shenzhen Toomen New Energy de China, que está fabricando un diseño de "condensador de potencia" que se dice que es capaz de brindar densidades de energía muy comparables a los paquetes de iones de litio y enormes tasas de carga / descarga dentro del rango del condensador.
