Das US-Verteidigungsministerium hat nach besseren Batterien gesucht, um den elektrifizierten Soldaten der Zukunft mit Energie zu versorgen. Sie haben eine neue Siliziumtechnologie erschlossen, um ein geringeres Gewicht und eine längere Lebensdauer zu erreichen. Das DOD überließ nichts dem Zufall und stellte gerade 10 Millionen US-Dollar bereit, um eine heimische Lieferkette für siliziumbasierte Energiespeicher zu sichern.
Onshoring & Skalierung von Silizium-Energiespeichertechnologie
Die Energiespeicherfirma NanoGraf ist der Gewinner des 18-Monats-Vertrags über 10 Millionen US-Dollar. Das Geld ist zweckgebunden für den Bau einer neuen Fabrik in Chicago. Sobald es in Betrieb ist, wird es die erste Großserien-Fertigungsanlage dieser Art in den USA sein.
NanoGraf strebt eine anfängliche Produktion von 35 US-Tonnen pro Jahr an Siliziumoxid für Batterieanoden in Richtung eines Ziels von 1.000 Tonnen pro Jahr bei vollständiger Skalierung.
NanoGraf geht davon aus, dass sein Material etwa so viel kosten wird wie Graphit, das derzeit das Material der Wahl für die Anoden von Lithium-Ionen-Batterien ist, aber es wird eine viel bessere Leistung erbringen.
Das Unternehmen stieß auf die CleanTechnica radar im vergangenen Jahr, als das DOD einen Preis in Höhe von 1,65 Millionen US-Dollar für die Entwicklung seiner 18650-Batterie ankündigte.
„Der Zuschuss des DoD soll die Lithium-Ionen-Technologie auf Siliziumanodenbasis entwickeln kompatibel mit allen tragbaren Batterien“, erklärte NanoGraf. „Das Ziel ist es, die Laufzeit der Geräte im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit Graphitanode um 50–100 % zu erhöhen und Batterien eine Haltbarkeit von mehr als zwei Jahren zu ermöglichen und in einem breiten Temperaturbereich von -4 °F bis zu funktionieren 131°F.“
Dieses Projekt umfasste die tragbare 18650-Batterie von NanoGraf mit 3,8 Ah (Amperestunden), die Anfang dieses Jahres in die kommerzielle Produktion ging.
NanoGraf hat auch ein weiteres DOD-Stipendium in Höhe von 1 Million US-Dollar unter seinem Dach eine 4,3-Ah-Version zu entwickeln.
„In einer Branche, in der Leistungssteigerungen normalerweise sehr gering sind, werden die 4,3 Ah eine dramatische Steigerung der Energiedichte von 870 Wh/l bedeuten“, erklärte NanoGraf. Für diese Batterie plant das Unternehmen das zweite Quartal 2024 mit einer Massenproduktion, die bis Ende des Jahres zum Feldeinsatz führen wird.
Warum Silizium?
Die Siliziumbatterie hat lange auf sich warten lassen. Ein kleiner Gewichtsanteil von Silizium kann in Graphitbatterien verwendet werden, aber der Durchbruch zu einer echten Siliziumbatterie war ein harter Schlag.
Die ersten Arbeiten an der Siliziumanode von NanoGraf begannen vor mehr als 10 Jahren am Argonne National Laboratory des Energieministeriums und an der Northwestern University in Illinois. NanoGraf startete 2012 unter dem Namen SiNode Systems.
Das Argonne-Labor ist Teil von ein Konsortium für Siliziumbatterien mit den nationalen Labors von Lawrence Berkeley, Renewable Energy, Oak Ridge, Pacific Northwest und Sandia, um „die Hindernisse zu überwinden, die mit der Entwicklung einer fortschrittlichen Anode auf der Basis von Silizium-Kohlenstoff-Elektroden verbunden sind“.
„Silizium ist aufgrund seiner viel höheren theoretischen Kapazität zur Energiespeicherung, fast eine Größenordnung mehr pro Gramm, und der relativen Verfügbarkeit aufgrund seiner weltweiten Verwendung in verschiedenen Industrien eine sehr attraktive Alternative zu graphitischem Kohlenstoff allein“, erklärt Argonne. „Bei Elektroden mit größeren Mengen an elementarem Silizium (etwa 15 Prozent) und damit viel höherer Energiedichte schränken jedoch mehrere Probleme die kalendarische Lebensdauer stark ein.“
Das Pacific Northwest National Laboratory liefert ein gutes Beispiel für den langen F&E-Schwanz, der zur kommerziellen Entwicklung von Energiespeichern auf Siliziumbasis führt. CleanTechnica traf sich im Dezember 2020 mit dem Labor.
„Bereits 2010 plante PNNL mit Unterstützung von Silizium den Niedergang der Graphitanode für EV-Batterien“, beobachteten wir. „Im Jahr 2014 hat ein Team von PNNL-Forschern einen mit Kohlenstoff angereicherten Silizium-„Schwamm“ entwickelt, um Graphit zu ersetzen.“
Ein neuerer Durchbruch gelang im Frühjahr 2020, als Argonne Verbesserungen am ankündigte schwammartige Architektur.
Bessere Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge
Neben der Verwendung im Bereich der tragbaren Energiespeicher hat Silizium auch die Aufmerksamkeit der Hersteller von Elektrofahrzeugen auf sich gezogen.
Bereits 2019 gewann Nanograf einen Preis in Höhe von 7,5 Millionen US-Dollar vom Konsortium des US Council for Automotive Research, das damals aus Ford, General Motors und den USA bestand Fiat Chrysler Automobiles Gruppe. Unter dem neuen Namen Stellantis hat die FCA-Gruppe von Chrysler, Jeep, Dodge, Ram und FIAT sind weiterhin Teil des Konsortiums.
Das US-Energieministerium hat neben einer Reihe anderer Technologien zur Verbesserung der Batterieleistung von Elektrofahrzeugen auch Zuschüsse für die Entwicklung von Siliziumbatterien ausgezahlt.
Im vergangenen Oktober erhöhte GM den Einsatz, indem es eine einzigartige Zusammenarbeit mit einem anderen US-Unternehmen einging, die darauf abzielte, die Silizium-Nanodraht-Technologie in die Ultium EV-Batteriefamilie des Autoherstellers zu bringen.
Die elektrifizierte Armee der Zukunft
Die US-Armee ist weit davon entfernt, ihre Fahrzeuge zu elektrifizieren, aber tragbare Elektronik ist seit Generationen ein Bestandteil der Kriegsführung, und das Verteidigungsministerium ist auf der Suche nach neuen Technologien, die die Belastung der Energiespeicher verringern.
Ein wichtiger Durchbruch der letzten Jahre ist ein flexibler Akkupack, der an einer Weste getragen werden kann. Die sogenannte Conformal Wearable Battery kann mehrere angeschlossene Geräte mit Strom versorgen.
Der nächste Schritt besteht darin, die Batterielieferkette für Geräte zu vereinfachen, die nicht an das CWB angeschlossen sind. Siliziumbatterien werden dazu beitragen, einen Teil des Problems zu lösen, aber das lässt die Armee immer noch mit langjährigen Interoperabilitätsproblemen zurück.
Im vergangenen Jahr machte die Armee auf die Notwendigkeit aufmerksam ein schlankerer Ansatz bis hin zur Energiespeicherung, mit einem Fokus auf Waffen sowie Radios, GPS und Nachtsichtgeräte.
Die Bemühungen werden vom Army Futures Command unter dem Akronym STUB für Small Tactical Universal Battery angeführt. Ziel ist es, eine Reihe von acht verschiedenen Batteriegrößen mit denselben Schnittstellen zu schaffen.
„Jetzt ist ein günstiger Zeitpunkt, Stromquellen zu standardisieren, da die Armee der Modernisierung Priorität einräumt und Elektronik mit größeren Fähigkeiten einsetzt, die mehr Energie benötigen als aktuelle Systeme“, erklärte Dr. Nathan Sharpes, ein forschender Maschinenbauingenieur mit einem Zweig der Combat Capabilities Development von AFC Befehl (DEVCOM).
„Das Ziel ist es, das derzeitige Modell zu vermeiden, eine proprietäre Batterie für jedes Ausrüstungsteil einzusetzen, da Technologieentwickler in der Vergangenheit einzigartige Batterien für neue Fähigkeiten geliefert haben“, betonte die Armee. „Jede Batteriegröße liefert eine unterschiedliche Energiemenge, aus der Soldaten je nach Einsatzbedarf wählen können. Dieses interoperable Batteriesystem liefert nahtlos die richtige Spannung und den richtigen Leistungspegel für jedes Gerät.“
„Wenn derzeit ein Soldat auf einer Mission ist und fünf verschiedene Ausrüstungsgegenstände trägt, die jeweils einen einzigartigen Batterieformfaktor haben, zusammen mit Ersatzteilen, sind das zusätzliches Gewicht und Gegenstände, die im Auge behalten werden müssen“, fügte Sharpes hinzu. „Mit dieser Familie interoperabler Batterien werden Soldaten kognitive und physische Vorteile sehen.“
Zusätzlich zu den Vorteilen vor Ort erwartet die Armee, dass ihre Beschaffungs- und Logistikkosten sinken werden. Die Armee erwartet auch, dass Gerätehersteller mehr Zeit und Energie auf die Verbesserung der Leistung ihrer Geräte verwenden können.
Geben Sie in der Zwischenzeit die EVs für die Armee noch nicht auf. Im vergangenen März kündigte die Army Reserve ihre Absicht an, alle ihre nicht taktischen Fahrzeuge bis Ende des Geschäftsjahres 27 zu elektrifizieren. Der US-Verteidigungskonzern Oshkosh treibt auch die EV-Grenzen voran, was bedeuten könnte, dass mehr Elektrofahrzeuge unter dem Unternehmen auf Lager sind Vertrag mit dem US Postal Service.
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Foto: Soldat demonstriert tragbaren Energiespeicher, mit freundlicher Genehmigung von US-Armee.
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