Zde je nahlédnutí do blízké budoucnosti technologie baterií

V době, kdy se plukovník Brent Wilson stal velitelem základny na Oahu's Camp Smith, byl nasazen ve válkách v Perském zálivu a Iráku a vedl četné obranné operace v Kosovu. Ale nepřítel, kterému čelil na havajské základně, se lišil od všech, které viděl na bitevním poli jako pilot vrtulníku námořní pěchoty. Musel se potýkat se stárnoucí energetickou infrastrukturou pravidelně pošlapanou tropickým počasím.

„Celá elektrická síť rutinně vypadla a vyřadila nás z provozu,“ vysvětluje Wilson, který byl v té době také součástí týmu odpovědného za obranné operace v celém Pacifiku. "To fakt nemůžeš mít."

Ale boj proti špatné infrastruktuře měl také nevyužitého spojence: Sunlight. Wilson zahájil kampaň na instalaci solární panely a průmyslové baterie, které by mohly udržet životně důležité části provozu online, když udeří bouře. Tato zkušenost mu nakonec pomohla k druhé kariéře: Prodej baterií dostatečně velkých na to, aby napájely váš domov ze sítě.

Boom baterie

Trh s bateriemi v posledních několika desetiletích vzrostl a očekává se, že v příštích pěti letech vzroste o dalších 12 %. Mordorská inteligence. Do roku 2025 to bude trh s 90 miliardami dolarů. Za poslední desetiletí společnosti jako Tesla, Dyson a Daimler investovaly do tohoto odvětví miliardové investice, ať už akvizicemi menších společností nebo výstavbou nových továren. Li ta klasická scéna z Absolvent byly natočeny dnes, jednoslovná kariérní rada, kterou postava Dustina Hoffmana dostala, nebyly „plasty“, byly by to „baterie“.

Co bude pohánět celý ten růst? Cena lithium-iontových baterií klesá, osobní elektronika a elektromobily jimi proplouvají, a, kromě jiných faktorů, více majitelů domů a energetických společností, které chtějí skladovat sluneční a větrnou energii energie.

Spolu s tímto růstem přichází spousta odpadu. Bohužel většina baterií končí na skládkách. Míra recyklace lithium-iontových článků je strašná: Přibližně 5% pro Spojené státy a Evropskou unii. Výzkumníci hledají způsoby, jak učinit lithium-iontové baterie lépe recyklovatelné, ale i kdyby k tomu došlo, stále to potřebujeme změnit návyky lidí a korporací, které baterie vůbec nerecyklují, a likvidovat je tak, že je vyhodíte do odpadky.

Někteří odborníci dále tvrdí, že je k dispozici omezené množství lithia, i když o tom, jak omezené, je třeba diskutovat. Těžba kobaltu a kobaltu (který se běžně používá pro kladnou elektrodu lithium-iontových baterií) je šetrná k životnímu prostředí a lidské náklady. Navíc cena kobaltu v posledních několika letech výrazně vzrostla.

To vše vyvolává otázku: Existují levnější a ekologičtější baterie? Mohli bychom použít něco lepšího? Co přináší budoucnost?

Spousta lidí zkoumá možnosti. Od 90. let více než 300 000 patenty související s bateriemi bylo podáno (jen v roce 2017 více než 30 000). Zatímco velké procento těchto vynálezů souvisí s lithium-iontovou technologií, spousta práce se dělá na elektrolytu v pevné fázi, anodě na bázi křemíku, lithium-vzduch, grafen a další možnosti, z nichž některé jsou šetrné k životnímu prostředí a jiné, které nejsou z hlediska životního prostředí o nic lepší než lithium-iontové, ale možná i více účinný.

Zatímco většina těchto nových typů baterií pravděpodobně nebude uváděna na trh tak široce jako lithium-iontové (alespoň v příštích několika desetiletích), mohou sloužit opravdu velkým specializovaným trhům. Zde jsou některé z populárních.

Lithium-železofosfát

Brzy poté, co plk. Wilson odešel z armády a manažeři společnosti vyrábějící solární panely ho požádali, aby se ponořil do svých let získávání skladování energie znalosti (armáda je jedním z největších uživatelů baterií na světě), udělejte si výlet na CES v Las Vegas a prozkoumejte současnou úrodu domova baterie. Po cestě vytvořil obří tabulku, aby vysvětlil, proč nebyl spokojen s možnostmi, které viděl. Nejlepší baterie byly pro průměrného majitele domu buď předražené (více než 30 000 $), nebo neměly dostatek energie. Poté pracoval s NeoVolta vytvořit řadu baterií, které obvykle stojí ve velmi nízkých dvouciferných číslech.

Ekologicky smýšlející chemické hlavy vám to rychle řeknou lithium-železo-fosfát úložiště energie je jen dalším typem lithium-iontové baterie, i když s některými pozoruhodnými výhodami: je levnější, má hustší energie, delší životnost a nevznítí se v případě prasknutí vnitřku (což se může stát u lithium-iontových baterie). Nevýhody? Je extrémně těžký (proto je lepší, když sedí na zadní verandě a ne ve vašem telefonu), pouzdro stále obsahuje lithium a cesta recyklace je nejasná.

Jen málo z nich přijalo lithium-železo-fosfátové baterie, takže je těžké zjistit, jak dobrá je jejich míra recyklace. Někteří výzkumníci tvrdí, že je snazší rozbít na součásti.

Lithium-síra

Někteří odborníci sázejí na skladování energie lithium-síry, které nahradí lithium-iontové, protože baterie mají tendenci být lehčí a energeticky hustší. Síra je také hojná a levnější.

Jaký je rozdíl mezi tím, jak fungují lithium-iontové a lithium-sírové baterie? Profesor Linda Nazar, jehož laboratoř na kanadské University of Waterloo studovala lithium-sírové baterie posledních 10 let, používá k popisu rozdílů analogii s parkovacím domem. Zatímco nabíjení a vybíjení lithium-iontové baterie je jako vjíždění aut do garáže a vyjíždění z ní lithium-sírová baterie „téměř zbourá celou konstrukci garáže a poté ji znovu postaví, když dobíjíte buňka."

Chemická reakce je podobná tomu, co se děje v olověných bateriích, kde dochází ke kompletní strukturální a chemické přeměně. Tyto „konverzní“ baterie mají své výhody a výzvy. "Mají výhodu v tom, že jsou schopny uložit více elektronů," říká Nazar. Na druhou stranu má síra relativně nízkou vodivost a objem baterií se po vybití mění. Tým z laboratoře University of Waterloo vylaďuje součásti v baterii, aby prodloužil životnost a optimalizoval reakce baterie. Pokud se některé problémy s baterií vyřeší, Nazar si představuje, že se budou používat v letectví i jako drony. The Letadla Zephyr a UAV, které provedly některé dlouhé lety na elektrický pohon, často spoléhají na lithium-sírové baterie.

Sodík-iont

Jak se ukázalo, prvek periodické tabulky, který je tak špatný pro vaše srdce, je docela dobrý pro baterie. Výzkum sodíkových iontových baterií začal v 70. letech 20. století, přibližně ve stejné době jako lithium-iontové ukládání energie. Tyto dva prvky jsou sousedy v periodické tabulce. Poté vzlétl lithium-iont a sodíkový ion byl považován za méně energetický také-běžel po další tři desetiletí.

"Vypadá to jako nejlepší věc kolem," říká Nazar, jehož laboratoř také pracuje s ukládáním energie na bázi sodíku. „Sodíkovo-iontové baterie dávají možnost pracovat s prvky hojnými na Zemi – kladnými elektrodami vyrobenými z věcí, jako je železo, mangan a titan – prvky, které jsou mnohem levnější. Ale zajistit, aby tato chemie dobře fungovala, je výzva, protože to prostě není totéž jako lithium.“

Nazar poznamenává, že některé společnosti si myslí, že nemá cenu investovat do sodíkových iontových baterií, protože náklady na lithium-iontové baterie neustále klesají.

„Myslím, že se pravděpodobně vyplatí investovat hodně zdrojů do sodíkových iontových baterií,“ říká. "Pokud existuje a-ha moment, který má sodno-iontové baterie fungující opravdu dobře, s vysokou hustotou energie, byl by to obrovský krok vpřed."

Cukr

Věřte tomu nebo ne, ale můžete nabíjet baterii na cukr jako batole, které poskočilo na dort. Společnost Sony poprvé zveřejnila výzkum o reakci, při které se maltodextrin oxiduje na energii v roce 2007. Přestože materiálová dostupnost a ekologická šetrnost cukrových baterií je mnohem vyšší než u lithium-iontových, je napětí vytvořené jejich chemickou reakcí výrazně nižší. Takže pravděpodobně budete chtít odložit krmení vaší Tesly krabicí Crunchberries.

Přestože se původní koncept poprvé objevil v roce 2007, cukrovou baterii koncept v něm ještě zbyla nějaká šťáva. V roce 2016 tým Massachusettského technologického institutu pod vedením profesora Michaela Strana vytvořil zařízení nazvané Thermopower Wave, který je mnohem účinnější než předchozí inkarnace cukrových baterií a může napájet komerční LED světlo. To je vzrušující vývoj, protože cukr je velmi bohatý, takže pokud dokážeme přijít na životaschopný způsob výroby těchto baterií, pravděpodobně bychom mohli tuto technologii rychle rozšířit. Bohužel komerční dostupnost je pravděpodobně za několik let.

Tok

Průtoková baterie je strukturována jinak než většina ostatních: Místo toho, aby sbalila spoustu reaktivních materiálů do jedné jednotky (stejně jako normální baterie), průtokové baterie uchovávají reaktivní kapaliny v oddělených nádobách a poté je pumpují do systému, aby se vytvořily energie. Jsou také obrovské a určené pro ukládání energie do sítě – ne pro elektroniku a věci, které se pohodlně vejdou do dlaně.

Originál průtoková baterie údajně vážil 1 000 liber a byl vynalezen na konci 19. století, aby chytře poháněl pojmenovaná francouzská vzducholoď „La France“. Zájem o modulární úložiště energie od té doby narůstal a slábl pak.

„Myslím si, že to, co skutečně vede k explozi a zájmu o průtokové baterie, není ani tak o výrobě baterií nové generace telefony nebo počítače, ale střední až velké úložiště energie,“ vysvětluje Timothy Cook, profesor chemie na University of Buvol. Pokud tedy nestavíte steampunkový mobilní telefon, je nepravděpodobné, že budete s sebou nosit nějaké průtokové baterie aktivované mikroskopickými pumpami. Nicméně, jak více domácností instaluje solární energii, trh pro „personalizované skladování energie“ poroste.

Zatímco výkonnější lithium-iontové baterie znamená zvětšení velikosti baterie, designu průtokových baterií umožňuje zvýšit energii zvětšením velikosti kapaliny nádrží. San Diego Power and Electric nedávno nainstaloval jeden, který dokáže napájet 1000 domů.

„Nemusíte měnit žádné rozměry membrány [kde dochází k chemické reakci], stačí aby jím protékal větší objem kapaliny po delší dobu a můžete tuto energii extrahovat ven,“ vysvětluje Kuchař. "Je tedy mnohem mnohem snazší jej zvětšit nebo zmenšit, nebo jej můžete v podstatě přizpůsobit instalaci."

Průtokové baterie mají také mnohem více nabíjecích cyklů než většina baterií. Schopnost vyměnit kapaliny nebo vyměnit jiné modulární části znamená, že potenciální životnost baterie je téměř neomezená.

Přestože společnosti v současné době prodávají průtokové baterie průmyslové velikosti, profesor Cook neočekává široké přijetí za dalších pět až 10 let. Dokonce si představuje den, kdy by tuto technologii mohly využívat elektromobily. Cook popisuje auto přijíždějící k „benzinové pumpě“, vypouštějící vypotřebovaný elektrolyt a poté doplňování čerstvě nabitým. Namísto půlhodinového čekání, než se auto restartuje, se kola mohou znovu protočit během několika minut. Ale ta budoucnost je samozřejmě hodně daleko.

Papír

Výroba baterie z papíru má mnoho výhod: Je tenká, flexibilní, a pokud je vyrobena ze správných materiálů, biologicky odbouratelná. Tým ze Stanfordské univerzity vyvinul rané papírové baterie potažením tenkých listů inkoustem nasyceným uhlíkem a stříbrem. V poslední době jsou eko-hlavy nadšené z baterií vyvíjených na Binghamtonské univerzitě. Profesor Seokheun „Sean“ Choi z ní vytvořil několik různých inkarnací, včetně jedné poháněné slinami – nebo vědecky řečeno lidskými slinami – a druhé poháněné bakteriemi. Nedávná inkarnace biobaterie, kterou vyvinuli Choi a profesor Omowunmi Sadik, používá poly (amová) kyselina a poly(pyromellitic dianhydrid-p-fenylendiamin) k výrobě zdrojů energie biologicky rozložitelné.

„Naše hybridní papírová baterie vykazovala mnohem vyšší poměr energie k nákladům než všechny dříve uváděné papírové mikrobiální baterie,“ řekl Choi při inovaci bylo oznámeno. Přestože komerční využití těchto ekologických papírových baterií bylo omezené vzhledem k jejich nízkému elektrickému výkonu (lze napájet LED světlo např. asi 20 minut), vědci doufají, že je uvidí používat v elektronice, bezdrátových zařízeních, lékařských aplikacích, jako jsou kardiostimulátory, letadla a automobilů. Choi napsal článek o jejich využití jako jednorázových zdrojů energie pro diagnostické nástroje v místě péče v rozvojových zemích, kde baterie nemusí být snadno dostupné.

Vzduch

Vzduch může být skutečně elektrický, a to nejen ve chvíli, kdy si natáhnete límec poté, co z reproduktorů vašeho Ferrari zazní melodie Phila Collinse. Zinko-vzduchové baterie, které jsou velké asi jako bonbony Smarties a poháněné reakcí mezi kyslíkem a zinkem, se používají ve sluchadlech již mnoho let. Zinek je také levný a hojný, díky čemuž je technologie ekonomická a zároveň šetrná k životnímu prostředí.

Při pokusu o vytvoření této technologie však existují omezení dobíjecí. Během nabíjení se mohou tvořit krystaly dendritu a zkratovat baterii. Byly testovány způsoby, jak nahradit zinek, jako je „mechanické dobíjení“ baterie fyzickou výměnou materiálů, což je přístup, který byl vyzkoušen v singapurských elektrických autobusech. Byly provedeny četné další experimenty s lithium-vzduchovými a kov-vzduchovými bateriemi s různým stupněm hustoty energie, úrovně výkonu a ceny. Za posledních deset let společnost Tesla podala několik patentů souvisejících s nabíjením lithium-vzduchové baterie, takže jejich potenciál může existovat daleko za hranicemi vašich sluchadel.

Žehlička

Před několika lety začal profesor chemie Peter Allen z University of Idaho na YouTube vyjadřovat svou fascinaci vědou o bateriích. Téměř okamžitě zjistil, že diváci skutečně reagují na materiál baterií, což ho inspirovalo k sestavení dobíjecí železné baterie jako vzdělávací demonstrace. Tento projekt vedl k více než 100 demonstračních videí vysvětlujících kroky, problémy a poznatky z projektu vzdělávací baterie.

„Nechci se sám o sobě prezentovat jako odborník na baterie,“ přiznává profesor, jehož oborem je biologická chemie. Při natáčení videí na YouTube si uvědomil, že se lze mnohému naučit a naučit se postavit relativně levnou baterii pro kutily.

„Části technologie železných baterií existují již 100 let, takže si myslím, že mnoho lidí, kteří by do toho mohli přijít spousta zahraničních znalostí by jen řekla: ‚No, to je prošlapaná půda – tam se nic nedá najít,‘“ říká. "Ale protože jsem byl trochu naivní, vešel jsem do toho a řekl jsem: 'No, zkusme to, stejně můžete najít něco zajímavého."

Po dvou letech, více než 30 variantách baterií a velké pomoci od vysokoškolských studentů, Allen má se naučili, jak vyvážit kapalné a pevné materiály, aby se vytvořilo optimální množství hustoty energie, ale s nízkou Napájení.

„Pak jsme se dostali k celé této otázce: ‚Pokud máte chemii, která funguje, ale funguje pomalu, jak ji urychlíte?‘“

I když tým tuto výzvu vyřeší, současná technologie diktuje, že nejlepší aplikace pro železnou baterii bude pravděpodobně a mikrosíťová jednotka pro ukládání energie v sousedství nebo zachycování energie solární farmy, s ohledem na požadovaný prostor a rychlost odeslané energie jednotka.

Kdo vyhraje?

Bude Allenova železná baterie někdy komerčně životaschopná? Není si jistý, zda je tam dostanou aktuální poznatky jeho týmu, které byly publikovány ve vědeckém časopise.

Po přezkoumání mnoha vynálezů baterií si uvědomuje, že jen několik z nich se skutečně dostane na trh. Ve vědeckém výzkumu, vysvětluje, existuje „údolí smrti“.

"Máte základní výzkum, který přichází s něčím opravdu skvělým," říká. „Je otázka, jestli se to dá komercializovat. A na tuto otázku nejsou peníze." Výzkumníci, kteří najdou dostatek peněz na zodpovězení této počáteční otázky, pak, pokud budou mít štěstí, najdou investory, kteří chtějí myšlenku vylepšit a komercializovat. "Ale existuje mezera mezi základním výzkumem a nezbytnou rafinací, aby se baterie dostaly na trh."

V roce 2019 se potopili venture kapitalisté 1,7 miliardy dolarů do startupů s bateriemi, přičemž 1,4 miliardy z toho jde na výzkum související s lithium-ionty. Ale průtokové baterie, zinek-vzduch, tekutý kov a mnoho dalších technologií také získalo písemné kontroly. Zatímco lithium-iontové skladování energie bude pravděpodobně dominovat skladování energie po dobu nejméně dalších 10 let, mnoho dalších již vypadá, že se jim podaří dostat se z údolí smrti.

Doporučení redakce

• Budoucnost udržitelnosti: Pohled na další vývoj ekologických technologií
• O desetiletí později vynálezci lithium-iontových baterií získali Nobelovu cenu za chemii
• Inženýři vyrobili nový typ lithiové baterie, která neexploduje