Ein elektrisierendes Startup

Es ist das schnellste Elektromotorrad der Welt. In einem beliebten YouTube-Video verschwindet der schwarze Dragster-Zyklus fast in einer Rauchwolke, während der Fahrer einen Burn-out durchführt und das Hinterrad dreht, um es aufzuheizen. Während der Rauch wegdriftet, nimmt der Fahrer seine Position ein und drückt einen Schalter, und das Fahrrad rast vorwärts und beschleunigt in weniger als einer Sekunde auf 60 Meilen pro Stunde. Sieben Sekunden später überquert er die Viertel-Meilen-Marke mit 280 Meilen pro Stunde – schnell genug, um mit benzinbetriebenen Dragstern zu konkurrieren.

Seitenaufprall: Eine Batterie, die von A123 Systems für das Volt-Elektrofahrzeug von GM entwickelt wurde, kann einen erdrückenden Sicherheitstest überstehen. Der Aufprall mit hoher Geschwindigkeit könnte dazu geführt haben, dass andere Lithium-Ionen-Batterien überhitzen und Feuer fangen.

Was das Killacycle antreibt, ist eine neuartige Lithium-Ionen-Batterie, die von A123 Systems, einem Startup in Watertown, MA, entwickelt wurde – einem von wenigen Unternehmen, die an einer ähnlichen Technologie arbeiten. Die Batterien des Unternehmens speichern mehr als doppelt so viel Energie wie Nickel-Metallhydrid-Batterien, die in heutigen Hybridautos verwendet werden, und liefern gleichzeitig die für eine hohe Leistung erforderliche Energie. Als radikal modifizierte Version der Lithium-Ionen-Batterien, die in tragbaren Elektronikgeräten verwendet werden, könnte die Technologie den lang anhaltenden Elektrofahrzeugmarkt ankurbeln, der heute einen winzigen Bruchteil von 1 Prozent des Fahrzeugabsatzes in den Vereinigten Staaten ausmacht. Insbesondere die Batterien von A123 haben das Interesse von General Motors geweckt, das sie testet, um das Volt, ein Elektroauto mit Benzingenerator, anzutreiben; Bereits 2010 soll das Fahrzeug in Serie gehen.



In der Vergangenheit haben Autohersteller die schlechten Verkäufe von Elektrofahrzeugen auf ihre Blei-Säure- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien zurückgeführt, die so schwer waren, dass sie die Reichweite der Fahrzeuge einschränkten, und so sperrig, dass sie Platz im Kofferraum beanspruchten. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien viel leichter und kompakter sind, sind sie für Elektrofahrzeuge nicht wirtschaftlich. Das liegt zum Teil daran, dass sie Lithium-Kobalt-Oxid-Elektroden verwenden, die instabil sein können: Batterien, die auf ihnen basieren, nutzen sich nach ein paar Jahren ab und können in Flammen aufgehen, wenn sie durchstochen, zerdrückt, überladen oder überhitzt werden. Einige Autohersteller haben versucht, diese Probleme zu umgehen, aber die Ergebnisse waren teuer.

Die Batterien des A123 könnten die Lithium-Ionen-Technologie endlich für die Autoindustrie praktikabel machen. Anstelle von Kobaltoxid verwenden sie ein Elektrodenmaterial aus mit Spurenmetallen modifizierten Nanopartikeln von Lithiumeisenphosphat. Es ist unwahrscheinlich, dass die resultierenden Batterien Feuer fangen, selbst wenn sie bei einem Unfall zerquetscht werden. Außerdem sind sie deutlich widerstandsfähiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien: A123 prognostiziert, dass sie länger halten als die typische Lebensdauer eines Autos.

Notizbuch des Reporters : Kevin Bullis

Das Versprechen der Batterie hat A123 mit bisher 148 Millionen US-Dollar an Risikokapitalinvestitionen zu einem der am besten finanzierten Technologie-Startups des Landes gemacht. Mit der Finanzierung verfolgt A123 einen ehrgeizigen Geschäftsplan, der von der Perfektionierung des Materials über die Herstellung von Batterien bis hin zum Verkauf an Kunden in der Automobil- und Elektrowerkzeugindustrie alles vorsieht.

Die A123-Batterien für GMs Volt speichern genug Energie für 40 Meilen Fahrt, genug, um den täglichen Arbeitsweg zu decken. (Bei längeren Fahrten würde der kleine Benzinmotor anspringen, um die Batterie aufzuladen, was die Reichweite auf mehr als 400 Meilen verlängerte.) GM plant, die Fahrzeuge für etwa 30.000 bis 35.000 US-Dollar zu verkaufen; das Unternehmen glaubt, in den ersten Jahren Hunderttausende zu diesem Preis verkaufen zu können, und J. D. Power and Associates schätzt, dass GM bis 2014 fast 300.000 verkaufen wird.

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Materialien sind wichtig
Anfang 2001 betrat ein 26-jähriger venezolanischen Unternehmer namens Ric Fulop das Büro von Yet-Ming Chiang, einem Professor für Materialwissenschaften am MIT, ohne Ernennung. Er sei einfach aufgetaucht und habe an die Tür geklopft, erinnert sich Chiang. Fulop, der bereits drei Venture-finanzierte Unternehmen gegründet hatte, wollte Hilfe bei der Gründung eines Batterieunternehmens und wusste, dass Chiang Batterieforschung mit Nanotechnologie betreibt. Chiang selbst hatte Ende der 1980er Jahre ein erfolgreiches Startup mitgegründet, verbrachte jedoch die meiste Zeit damit, Nanotechnologie und die Chemie fortschrittlicher Keramiken zu erforschen.

Im Herbst hatten Fulop und Chiang zusammen mit Bart Riley, einem Ingenieur, den Chiang aus seinem früheren Unternehmen kannte, A123 Systems mitgegründet. Der Plan war, eine von Chiangs radikaleren Ideen zu kommerzialisieren: Materialien, die sich, wenn sie zusammengerührt werden, spontan zu einer funktionierenden Batterie zusammenfügen. Der Prozess versprach, die Energiespeicherkapazität zu vervielfachen und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken.

Chiangs große Idee kam bei den Investoren gut an. Bis Ende 2001 hatte eine erste Finanzierungsrunde 8,3 Millionen US-Dollar von verschiedenen Risikokapitalfirmen eingebracht. Motorola und Qualcomm, fasziniert von der Aussicht auf bessere Batterien für tragbare Elektronik, fügten bald 4 Millionen US-Dollar hinzu. Doch schnell wurde klar, dass eine kommerzielle Selbstmontage-Batterie noch Jahre von der Realität entfernt war. Die Technologie sei noch ziemlich rudimentär, sagt Chiang.

Anfang 2002 machte Chiang jedoch eine überraschende Entdeckung, die die Ausrichtung des Unternehmens komplett ändern sollte. Er hatte begonnen, mit Lithium-Eisen-Phosphat zu arbeiten, das im Gegensatz zu den Materialien, die in anderen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, ungiftig, sicher und kostengünstig ist. Aber es schien einige gravierende Nachteile zu haben. Es speichert weniger Energie als Lithium-Kobalt-Oxid, das Elektrodenmaterial in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, daher schien es für den Einsatz in tragbarer Elektronik, wo die Energiespeicherung von größter Bedeutung ist, ungeeignet. Außerdem lädt und entlädt es sich langsam, was seine Verwendung in Hochleistungsanwendungen wie Hybrid-Elektrofahrzeugen ausschließt; Selbst für vollelektrische Autos, die viel mehr Batteriezellen als Hybride verwenden, konnte das Material nicht genug Leistung liefern.

Also begann Chiang, es zu modifizieren, indem es Spuren von Metallen hinzufügte. Bald gab das Material relativ hohe Energie ab. Mitte 2002 flog er nach Monterey, CA, um seine Ergebnisse auf einer Konferenz vorzustellen. Während er dort war, führte ein Doktorand am MIT weiterhin Tests durch. Als Chiang zu sprechen angesetzt war, lief das Material viermal so hoch wie das, was er angekündigt hatte. Zu diesem Zeitpunkt wussten wir, dass wir etwas Besonderes hatten, sagt er.

Schließlich würde Chiang demonstrieren, dass das Material zehnmal schneller Strom liefern könnte als in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Nachdem er das Hochleistungsmaterial im Detail untersucht hatte, stellte er fest, dass es seine Kraft sowohl der Größe der von ihm verwendeten Partikel (weniger als 100 Nanometer) als auch der Zugabe der zusätzlichen Metalle verdankte. Die Kombination dieser Faktoren, sagt er, bewirkt einen grundlegenden Unterschied in der Art und Weise, wie sich die Atome, aus denen das Material besteht, neu anordnen, wenn sie eine Ladung aufnehmen und abgeben.

Verpackt: Die Batteriezellen des A123 (oben) wurden in ein T-förmiges Paket integriert, das von der deutschen Firma Continental entwickelt wurde.

In allen Lithium-Ionen-Batterien wird Strom erzeugt, wenn Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden pendeln, während Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern. In Chiangs frühen Experimenten mit Lithium-Eisen-Phosphat trennten sich die Teile des Materials, die Lithium enthielten, von denen, die dies nicht taten, als die Lithium-Ionen in eine Elektrode ein- und ausgingen. Dadurch änderte sich die kristalline Struktur des Materials und seine Leistung verschlechterte sich. Chiang entdeckte jedoch, dass sich die Kristallstruktur des Materials viel weniger ändert, wenn die Partikel von Lithium-Eisenphosphat klein genug sind und die Elektrode durch Zugabe anderer Metalle modifiziert oder dotiert wurde. Dadurch können die Lithiumionen schneller ein- und ausströmen, ohne das Material zu zersetzen. Insgesamt stellte Chiang fest, dass sich das modifizierte Material schneller auflädt und entlädt als gewöhnliches Lithium-Eisen-Phosphat, und es hält auch länger.

Obwohl das neue Batteriematerial außergewöhnlich erschien, erkannte Chiang sofort, dass es für tragbare Elektronik nicht ideal war. Es schien keinen Markt für leichte, kompakte Batterien zu geben, die große Stromstöße lieferten. Hybridfahrzeuge, eine natürliche Ergänzung, kamen erst am Anfang auf den Markt. Was Chiang nicht wusste, war, dass ein großer Hersteller von Elektrowerkzeugen in aller Ruhe an einer neuen Generation von Akkuwerkzeugen arbeitete und Schwierigkeiten hatte, einen Akku zu finden, der seinen Anforderungen entspricht.

Leistungsstarker Start
Im Jahr 2003 trafen sich Vertreter von Black and Decker mit Fulop und dem CEO von A123, Dave Vieau, und teilten ihnen mit, dass sie schnurlose Elektrowerkzeuge herstellen wollten, die eine bessere Leistung hätten als an der Wand angeschlossene Werkzeuge. Das Material von A123 schien perfekt zu passen. In kurzen Stößen kann es mehr Leistung liefern als ein Haushaltsstromkreis. Und es hatte andere Eigenschaften, die auf einer Baustelle attraktiv wären. Es konnte schnell wieder aufgeladen werden (bis zu 80 Prozent der Kapazität in 12 Minuten oder weniger) und im Gegensatz zu Batterien mit Lithium-Kobalt-Oxid konnte es harte Behandlung überstehen, ohne Feuer zu fangen.

Das war zumindest die Theorie. Als Fulop und Vieau sich zum ersten Mal mit Black und Decker trafen, hatten sie nur ein Modell einer Batteriezelle, ein halbes Gramm Material und eine PowerPoint-Präsentation. Was Black und Decker brauchten, war ein Unternehmen, das Millionen von Batterien produzieren konnte. Es wurde viel Wert auf das Material gelegt, aber wir mussten lernen, die komplette Zelle zu konstruieren, sagt Chiang.

Innerhalb eines Jahres nach Unterzeichnung seiner ersten Vereinbarung mit Black and Decker hatte A123 jedoch eine kommerziell machbare Batterie hergestellt. Im November 2005 liefen die ersten Produkte in Asien vom Band. In weniger als drei Jahren entwickelte sich das Unternehmen vom Bau einer Demonstrationsbatterie in der Größe einer Münze zum Bau von 50 Meter langen Beschichtungsmaschinen und 28.000 Quadratmeter großen Fabriken mit Hunderten von Mitarbeitern. Im Jahr 2006 kauften Kunden seine Batterien in einer neuen Linie professioneller Werkzeuge, die von Black and Decker verkauft wurden. Kurzfristig stellte A123 Batterien in Millionenhöhe pro Jahr her.

Deutsch gebaut: Das T-förmige Pack (oben) enthält die Batteriezellen des A123. GM testet das Paket unter simulierten Fahrbedingungen, bevor es in einen Elektrofahrzeug-Prototyp eingeschraubt wird.

Autos aufladen
Währenddessen überlegte GM seine Technologiestrategie, als Toyota begann, das Hybridfahrzeuggeschäft zu dominieren. Ein Hybrid verwendet nur zeitweise eine Batterie und verlässt sich für einen Großteil seiner Leistung auf einen Benzinmotor. GM beschloss, ein Auto zu entwickeln, das es seinen Kunden ermöglicht, für die meisten täglichen Fahrten ganz auf Benzin zu verzichten. Doch dafür brauchte der Autohersteller eine leistungsstarke und zuverlässige Batterie. Und dafür wurde es auf A123.

GM wusste, dass es aufgrund ihrer Speicherkapazität Lithium-Ionen-Batterien verwenden wollte, sagt Denise Gray, GM-Direktorin für Energiespeichersysteme. Aber es wusste auch, dass die vorhandene Technologie nicht ausreichen würde. Obwohl ein Lithium-Ionen-Laptop-Akku 500 vollständige Lade- und Entladezyklen überstehen kann, bevor seine Kapazität nachlässt, möchte kein Autobesitzer alle 18 Monate einen neuen Akku kaufen. Nach den Prognosen von A123 sollten die Batterien jedoch in der Lage sein, täglich mehr als 15 Jahre lang aufzuladen. A123 ist nicht nur sicherer als andere Lithium-Ionen-Batterien, sondern arbeitet auch bei einer niedrigeren Temperatur, was es einfacher macht, Hunderte von ihnen zu einem großen Batteriepaket zusammenzupacken, sagt Gray.

Während die Akkus für Elektrowerkzeuge von A123 zylindrisch sind, ist der Akku, den es für den Volt entwickelt hat, leer, um Platz zu sparen und Wärme effizienter abzuleiten. Die Zellen wurden zu kompletten Akkupacks zusammengebaut, die T-förmig und knapp zwei Meter lang sind. In diesem Frühjahr werden die Batterien für den Fahrversuch in Fahrzeugprototypen verschraubt. Und noch in diesem Jahr plant A123, die Produktion der Batterien zu erhöhen, um die erwartete Nachfrage zu decken. Die ersten Autos mit A123-Technologie könnten 2010 vom Band laufen. (GM testet auch Batterien eines anderen Unternehmens und kann Batterien von einem oder beiden Unternehmen verwenden.)

Wenn der Volt populär wird, könnten Elektroautos endlich durchstarten – und das könnte die Treibhausgasemissionen und den Erdölverbrauch senken. Eine aktuelle Studie des Electric Power Research Institute und des Natural Resources Defense Council legt nahe, dass Elektrofahrzeuge, die dem Auto von GM ähnlich sind, zwischen 2010 und 2050 Milliarden Tonnen an Treibhausgasemissionen eliminieren könnten. Eine Studie von General Electric zeigt, dass, wenn die Hälfte der Fahrzeuge eingeschaltet ist die Straße im Jahr 2030 elektrisch angetrieben wird, wird der Erdölverbrauch in den USA um sechs Millionen Barrel pro Tag sinken.

Und Batterien wie die von A123 könnten weit über das Volt hinaus Auswirkungen haben. Selbst Autos mit Verbrennungsmotor werden stärker auf Strom ausgelegt: Die einfachsten Beispiele sind Batterien, die von hochgeladenen Lichtmaschinen aufgeladen werden, die es einem Auto ermöglichen, seinen Motor abzustellen, wenn es sich einer Ampel nähert, und wieder zu starten, wenn der Fahrer das Gaspedal betätigt . In herkömmlichen Hybriden können Versionen der A123-Batterien bei einem Fünftel des Gewichts so viel Leistung liefern wie Nickel-Metallhydrid-Batterien. Von den neuen Batterien könnten auch Plug-in-Hybride profitieren, die an einer normalen Steckdose aufgeladen werden können. Tatsächlich könnten die Batterien des A123 in einer Plug-in-Version des Saturn Vue Hybrid-SUV verwendet werden, die 2010 auf den Markt kommt.

Unabhängig von ihrer Konstruktion werden zukünftige Autos wahrscheinlich viel stärker auf Strom angewiesen sein. Wir sind noch nicht da, sagt Chiang. Es gibt nicht überall Volt. Aber das Potenzial, einen großen Einfluss zu haben, sowohl auf die Frage der Ölversorgung als auch auf die Treibhausgase – ich hätte nicht gedacht, dass wir dazu in der Lage wären. Sicher nicht, als ich anfing, an Batterien zu arbeiten.

Kevin Bullis ist KINDER 's Nanotechnology and Materials Science Editor.

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