Ето един поглед към близкото бъдеще на технологията за батерии

По времето, когато полковник Брент Уилсън става командир на базата в Кемп Смит на Оаху, той е бил изпратен във войните в Персийския залив и Ирак и е ръководил множество отбранителни операции в Косово. Но врагът, срещу когото се изправи в хавайската база, беше различен от всички, които беше виждал на бойното поле като пилот на хеликоптер от морската пехота. Той трябваше да се бори със застаряващата енергийна инфраструктура, редовно погазвана от тропическото време.

„Цялата електрическа мрежа прекъсваше рутинно и ни извади от работа“, обяснява Уилсън, който по това време също беше част от екипа, отговарящ за отбранителните операции в целия Тихи океан. „Не можете наистина да имате това.“

Но битката срещу лошата инфраструктура имаше и недостатъчно използван съюзник: слънчевата светлина. Wilson започна кампания за инсталиране слънчеви панели

и индустриални батерии, които биха могли да поддържат жизненоважните части на операцията онлайн, когато връхлетят бури. Този опит в крайна сметка му помогна да започне втора кариера: продажба на батерии, достатъчно големи, за да захранват дома ви извън мрежата.

Бумът на батерията

Пазарът на батерии се разрасна през последните няколко десетилетия и се очаква да нарасне с още 12% през следващите пет години, според Мордорското разузнаване. До 2025 г. това ще бъде пазар от 90 милиарда долара. През последното десетилетие компании като Tesla, Dyson и Daimler са направили инвестиции за милиарди долари в индустрията, или придобивайки по-малки компании, или изграждайки нови фабрики. Ако тази класическа сцена от Абсолвентът бяха заснети днес, еднократният съвет за кариера, даден на героя на Дъстин Хофман, нямаше да бъде „пластмаси“, а щеше да бъде „батерии“.

Какво ще задвижи целия този растеж? Цените на литиево-йонните батерии намаляват, личната електроника и електрическите автомобили се движат през тях, и, наред с други фактори, повече собственици на жилища и енергийни компании, които искат да съхраняват слънчева и вятърна енергия енергия.

Заедно с този растеж идват и много отпадъци. За съжаление повечето батерии се оказват на сметищата. Степента на рециклиране на литиево-йонни клетки е ужасяваща: Около 5% за Съединените щати и Европейския съюз. Изследователите намират начини да направят литиево-йонните батерии по-рециклируеми, но дори и това да се случи, все още трябва да промяна на навиците на хора и корпорации, които изобщо не рециклират батерии и ги изхвърлят, като ги хвърлят в боклук.

Освен това някои експерти казват, че има ограничено количество наличен литий, въпреки че колко ограничено е предмет на дебат. Добивът на него и кобалта (който обикновено се използва за положителен електрод на литиево-йонна батерия) е с висока екологична и човешка цена. Освен това цената на кобалта се повиши значително през последните няколко години.

Всичко това повдига въпроса: Има ли по-евтини и по-екологични батерии? Можем ли да използваме нещо по-добро? Какво крие бъдещето?

Много хора проучват възможности. От 90-те години на миналия век повече от 300 хил патенти, свързани с батерии са подадени (повече от 30 000 само през 2017 г.). Въпреки че голям процент от тези изобретения са свързани с литиево-йонната технология, много работа се извършва върху електролит в твърдо състояние, анод на базата на силиций, литиево-въздушни, графенови и други опции, някои от които са екологични, а други, които не са по-добри от гледна точка на околната среда от литиево-йонните, но вероятно повече ефикасен.

Докато повечето от тези нови типове батерии вероятно няма да бъдат пуснати на пазара толкова широко, колкото литиево-йонните (поне през следващите няколко десетилетия), те могат да обслужват наистина големи пазарни ниши. Ето някои от популярните.

Литиево-железен фосфат

Скоро след полк. Уилсън се пенсионира от армията, ръководители от компания за соларни панели го помолиха да се потопи в годините си на придобиване на хранилища за енергия знания (военните са един от най-големите потребители на батерии в света), отидете на CES в Лас Вегас и прегледайте текущата реколта от дома батерии. След пътуването той създаде огромна електронна таблица, за да обясни защо е недоволен от опциите, които вижда. Най-добрите батерии бяха или надценени за средния собственик на жилище ($30 000 плюс) или нямаха достатъчно енергия. След това работи с NeoVolta за създаване на линия от батерии, които обикновено струват много ниски двуцифрени числа.

Екологично настроените химици бързо ще ви кажат това литиево-железен фосфат съхранението на енергия е просто друг вид литиево-йонна батерия, макар и с някои забележителни предимства: по-евтина е, има по-плътна енергия, по-дълъг живот и няма да се запалят, ако вътрешностите се спукат (което може да се случи с литиево-йонни батерии). Минусите? Той е изключително тежък (затова е по-добре да стои на задната ви веранда, а не в телефона ви), кутията все още има литий в нея и пътят за рециклиране е неясен.

Като такива, малцина са приели литиево-желязо-фосфатни батерии, което прави трудно да се знае колко добра е степента им на рециклиране. Някои изследователи твърдят, че те са по-лесни за разделяне на съставни части.

Литиево-сяра

Някои експерти залагат на литиево-сярно съхранение на енергия, за да заменят литиево-йонните, тъй като батериите обикновено са по-леки и с по-голяма енергийна плътност. Сярата също е в изобилие и е по-евтина.

Каква е разликата между това как работят литиево-йонните и литиево-серните батерии? Професор Линда Назар, чиято лаборатория в канадския университет Ватерло изучава литиево-серни батерии през последните 10 години, използва аналогия с паркинг гараж, за да опише разликите. Докато зареждането и разреждането на литиево-йонна батерия е като каране на автомобили в и извън паркинг гараж, литиево-сярната батерия „почти разрушава цялата структура на гаража и след това я възстановява, когато презаредите клетката."

Химическата реакция е подобна на това, което се случва в оловно-киселинна батерия, където има пълна структурна и химическа трансформация. Тези батерии за „преобразуване“ имат своите предимства и предизвикателства. „Те имат предимството да могат да съхраняват повече електрони“, казва Назар. От друга страна, сярата има относително ниска проводимост и обемът на батериите се променя след разреждане. Екипът от лабораторията на University of Waterloo променя компонентите в батерията, за да увеличи живота на цикъла и да оптимизира реакциите на батерията. Ако някои от предизвикателствата на батерията бъдат разрешени, Назар предвижда те да бъдат използвани в авиацията, както и в дронове. The самолети Зефир и безпилотни летателни апарати, които са изпълнили някои от дългите полети с електрическо задвижване, често разчитат на литиево-серни батерии.

Натриево-йонни

Както се оказва, елементът от периодичната таблица, който е толкова лош за сърцето ви, е доста добър за батериите. Изследванията в областта на натриево-йонните батерии започнаха през 70-те години на миналия век, приблизително по същото време като литиево-йонното съхранение на енергия. Двата елемента са съседи в периодичната таблица. След това литиево-йонните излязоха, а натриево-йонните също се смятаха за по-малко енергийни през следващите три десетилетия.

„Изглежда като най-доброто нещо наоколо“, казва Назар, чиято лаборатория също работи със съхранение на енергия на базата на натрий. „Натриево-йонните батерии дават възможност за работа с изобилни от земята елементи – положителни електроди, направени от неща като желязо, манган и титан – елементи, които са много по-евтини. Но да накараш тази химия да работи добре е предизвикателство, защото просто не е същото като лития.

Назар отбелязва, че някои компании не смятат, че си струва да инвестират в натриево-йонни батерии, защото цената на литиево-йонните батерии непрекъснато пада.

„Мисля, че вероятно си струва да инвестираме много ресурси в натриево-йонни батерии“, казва тя. „Ако има момент, в който натриево-йонните батерии работят наистина добре, с висока енергийна плътност, това би било огромна крачка напред.“

захар

Вярвате или не, можете да захранвате батерия със захар като малко дете, качено на кейк попс. Sony за първи път публикува изследване за реакцията, при която малтодекстринът се окислява, за да създаде енергия през 2007 г. Въпреки че достъпността на материала и екологичността на захарните батерии е много по-висока от литиево-йонните, напрежението, създадено от тяхната химическа реакция, е значително по-ниско. Така че вероятно ще искате да отложите да нахраните вашата Tesla с кутия Crunchberries.

Въпреки че оригиналната концепция се появи за първи път през 2007 г., захарна батерия концепцията все още има малко сок в себе си. През 2016 г. екип от Масачузетския технологичен институт, ръководен от професор Майкъл Страно, създаде устройство, наречено Thermopower Wave, която е много по-ефективна от предишните въплъщения на захарни батерии и може да захранва търговски светодиод светлина. Това е вълнуващо развитие, тъй като захарта е изобилна, така че ако успеем да намерим жизнеспособен начин за производство на тези батерии, вероятно бихме могли бързо да разширим тази технология. За съжаление търговската наличност вероятно е след няколко години.

Поток

Проточната батерия е структурирана по различен начин от повечето други: Вместо да опаковат куп реактивни материали заедно в една единица (както правят нормалните батерии), проточните батерии съхраняват реактивни течности в отделни контейнери и след това ги изпомпват в системата, за да създадат енергия. Освен това са огромни и са предназначени за съхранение на енергия в мрежата — не за електроника и неща, които могат да се поберат удобно в дланта ви.

Оригинала проточна батерия Съобщава се, че е тежал 1000 паунда и е бил изобретен в края на 19-ти век, за да захранва интелигентно наречен френски дирижабъл „La France“. Оттогава интересът към модулното съхранение на енергия нараства и намалява тогава.

„Мисля, че това, което наистина предизвиква експлозия и интерес към поточните батерии, не е толкова свързано с производството на следващото поколение батерии за телефони или компютри, но средно до голямо съхранение на енергия“, обяснява Тимъти Кук, професор по химия в Университета на Бъфало. Така че, освен ако не създавате стиймпънк мобилен телефон, малко вероятно е да носите батерии, активирани с микроскопични помпи. Въпреки това, тъй като все повече домове инсталират слънчева енергия, пазарът за съхранение на „персонализирана енергия“ ще расте.

Докато литиево-йонните батерии стават по-мощни означава увеличаване на размера на батерията, дизайнът на поточните батерии дава възможност за увеличаване на енергията чрез увеличаване на размера на течността водоеми. San Diego Power and Electric наскоро инсталира такъв, който може да захранва 1000 жилища.

„Не е нужно да променяте нито един от размерите на мембраната [където протича химическата реакция], просто имате да тече през него по-голям обем течност за по-дълго време и можете да извлечете тази енергия навън“, обяснява Готвач. „Така че е много много по-лесно да увеличите или намалите мащаба или можете основно да го персонализирате към инсталацията.“

Проточните батерии също имат много повече цикли на зареждане от повечето батерии. Възможността за замяна на течности или други модулни части означава, че потенциалният живот на батерията е почти неограничен.

Въпреки че в момента компаниите продават проточни батерии с индустриален размер, професор Кук не очаква широко приемане за още пет до 10 години. Той дори си представя ден, когато електрическите автомобили ще използват тази технология. Кук описва кола, която спира до „бензиностанция“, изпразва изразходвания електролит и след това зарежда отново с прясно зареден. Вместо да чакате половин час колата ви да се рестартира, колелата могат да се завъртят отново след няколко минути. Но, разбира се, това бъдеще е далеч по пътя.

Хартия

Създаването на батерия от хартия има много предимства: тя е тънка, гъвкава и, ако е произведена с правилните материали, биоразградима. Екип от Станфордския университет разработи ранни хартиени батерии чрез покриване на тънки листове с мастило, наситено с въглерод и сребро. Съвсем наскоро еко-главите се развълнуваха от батериите, разработвани в университета Бингамтън. Професор Seokheun „Sean“ Choi е направил няколко различни превъплъщения от него, включително едно, захранвано от плюнка – или по-научно, човешка слюнка – и друго, захранвано от бактерии. Скорошно въплъщение на биобатерията, разработена от Чой и професор Омовунми Садик, използва поли (аминова) киселина и поли (пиромелитов дианхидрид-р-фенилендиамин) за създаване на енергийни източници биоразградими.

„Нашата хибридна хартиена батерия показа много по-високо съотношение мощност/цена от всички досега докладвани микробни батерии на хартиена основа“, каза Чой, когато иновацията беше обявено. Въпреки че търговската употреба на тези екологични хартиени батерии е ограничена поради ниската им електрическа мощност (човек може да захранва LED светлина за около 20 минути), изследователите се надяват да ги видят използвани в електроника, безжични устройства, медицински приложения като пейсмейкъри, самолети и автомобили. Чой е написал документ за използването им като източници на енергия за еднократна употреба за инструменти за диагностика на място в развиващите се страни, където батериите може да не са леснодостъпни.

Въздух

Въздухът всъщност може да бъде електрически, и то не само в момента, в който изпъкнете яката си, след като от високоговорителите на вашето Ferrari избухне мелодия на Фил Колинс. Цинково-въздушни батерии, които са с размерите на бонбони Smarties и се захранват от реакцията между кислород и цинк, се използват в слуховите апарати от много години. Цинкът също е евтин и изобилен, което прави технологията икономична, както и екологична.

Но има ограничения, когато се опитвате да направите тази технология акумулаторна. Дендритни кристали могат да се образуват по време на зареждане и да дадат на късо батерията. Тествани са начини за замяна на цинка като „механично презареждане“ на батерията чрез физическа подмяна на материалите, подход, който е изпробван в електрическите автобуси в Сингапур. Опитвани са много други експерименти с литиево-въздушни и метално-въздушни батерии с различна степен на енергийна плътност, ниво на мощност и цена. През последното десетилетие Tesla подаде няколко патента, свързани със зареждането литиево-въздушни батерии, така че техният потенциал може да съществува далеч отвъд вашите слухови апарати.

Желязо

Преди няколко години професорът по химия в Университета на Айдахо Питър Алън започна да изразява очарованието си от науката за батериите в YouTube. Почти веднага той установи, че зрителите наистина реагират на материала за батерии, което го вдъхнови да изгради акумулаторна желязна батерия като образователна демонстрация. Този проект доведе до повече от 100 демонстрационни видеоклипа, обясняващи стъпките, проблемите и наученото на образователен проект за батерии.

„Сам по себе си не искам да се представям за експерт по батерии“, признава професорът, чиято област на експертиза е биологичната химия. Правейки видеоклиповете в YouTube, той осъзна, че има много какво да се научи и да се научи чрез изграждането на сравнително евтина батерия „направи си сам“.

„Части от технологията за железни батерии съществуват от 100 години, така че мисля, че много хора, които биха могли да влязат в това с много чуждестранни познания просто биха казали: „Е, това е утъпкана земя – там няма какво да се намери“, казва той. „Но тъй като бях малко наивен, влязох в него и казах: „Е, нека опитаме, така или иначе можете да намерите нещо интересно.““

След две години, повече от 30 вариации на батерии и много помощ от студенти, Алън има научихте как да балансирате течните и твърдите материали, за да създадете оптимално количество енергийна плътност, но с ниска мощност.

„Тогава се заехме с целия този въпрос: „Ако имате химия, която работи, но работи бавно, как да я ускорите?““

Дори ако екипът реши това предизвикателство, настоящата технология диктува, че най-добрите приложения за желязна батерия вероятно ще бъдат a квартална микромрежа за съхранение на енергия или улавяне на енергия от слънчева ферма, като се има предвид необходимото пространство и скоростта на енергията, изпратена от мерна единица.

Кой ще спечели?

Дали желязната батерия на Алън някога ще бъде комерсиално жизнеспособна? Той не е сигурен, че текущите открития на неговия екип, които са публикувани в научно списание, ще ги отведат там.

След като прегледа многобройни изобретения на батерии, той осъзна, че само няколко от тях наистина ще стигнат до пазара. В научните изследвания, обяснява той, има „долина на смъртта“.

„Имате основното изследване, което предлага нещо наистина страхотно“, казва той. „Има въпрос дали може да се комерсиализира. И няма пари, за да зададем този въпрос. Изследователите, които намерят достатъчно пари, за да отговорят на този първоначален въпрос, след това, ако имат късмет, ще намерят инвеститори, които искат да усъвършенстват и комерсиализират идеята. „Но има празнина между основното изследване и необходимото усъвършенстване, за да се направи реклама на батерия.“

През 2019 г. рисковите капиталисти потънаха 1,7 милиарда долара в стартъпи за батерии, като 1,4 милиарда от тях отиват за изследвания, свързани с литиеви йони. Но проточните батерии, цинк-въздухът, течният метал и много други технологии също получиха писмени чекове. Докато литиево-йонното съхранение на енергия вероятно ще доминира в съхранението на енергия поне още 10 години, много други вече изглеждат така, сякаш ще излязат с енергия от долината на смъртта.

Препоръки на редакторите

• Бъдещето на устойчивостта: Поглед към следващата еволюция на екологичните технологии
• Десетилетия по-късно изобретателите на литиево-йонна батерия печелят Нобелова награда за химия
• Инженерите създадоха нов тип литиева батерия, която няма да експлодира