Her er et kig på den nærmeste fremtid for batteriteknologi

På det tidspunkt, hvor oberst Brent Wilson blev basekommandant i Oahus Camp Smith, var han blevet indsat i Golf- og Irak-krigene og ledet adskillige forsvarsoperationer i Kosovo. Men fjenden, han mødte på Hawaii-basen, var anderledes end den, han havde set på slagmarken som marinekorps-helikopterpilot. Han måtte kæmpe med en aldrende energiinfrastruktur, der regelmæssigt blev trampet ned af tropisk vejr.

"Hele elnettet gik rutinemæssigt ned og satte os ud af markedet," forklarer Wilson, som på det tidspunkt også var en del af teamet, der var ansvarligt for forsvarsoperationer i hele Stillehavet. "Det kan du ikke rigtig have."

Men kampen mod dårlig infrastruktur havde også en underudnyttet allieret: Sollys. Wilson startede en kampagne for at installere solpaneler og industribatterier, der kunne holde de vitale dele af operationen online, når stormen rammer. Den oplevelse hjalp ham til sidst med at springe ud i en anden karriere: At sælge batterier, der er store nok til at give dit hjem strøm fra nettet.

Batteribommen

Batterimarkedet er steget i de seneste årtier og forventes at stige med yderligere 12 % i de næste fem år, ifølge Mordor intelligens. I 2025 vil det være et marked for 90 milliarder dollars. I løbet af det seneste årti har virksomheder som Tesla, Dyson og Daimler alle foretaget milliardinvesteringer i industrien, enten ved at opkøbe mindre virksomheder eller bygge nye fabrikker. Hvis den klassiske scene fra Kandidaten blev filmet i dag, ville det et-ords karriereråd, der blev givet til Dustin Hoffmans karakter, ikke være "plastik", det ville være "batterier".

Hvad vil drive al den vækst? Prisen på lithium-ion-batterier falder, personlig elektronik og elbiler vælter igennem dem, og blandt andre faktorer, flere boligejere og elselskaber, der ønsker at opbevare sol og vind energi.

Sammen med den vækst følger en masse affald. Desværre ender de fleste batterier på lossepladser. Genanvendelsesrater for lithium-ion-celler er forfærdelige: Ca 5% for USA og EU. Forskere er ved at finde måder at gøre lithium-ion-batterier mere genanvendelige, men selvom det sker, er vi stadig nødt til at ændre vanerne hos mennesker og virksomheder, der slet ikke genbruger batterier, og bortskaffe dem ved at smide dem i affald.

Yderligere siger nogle eksperter, at der er en begrænset mængde lithium tilgængelig, selvom hvor begrænset er til debat. Udvindingen af ​​det og kobolt (som almindeligvis bruges til et lithium-ion-batteris positive elektrode) har en høj miljø- og menneskelige omkostninger. Derudover er prisen på kobolt steget markant i de seneste år.

Alt dette rejser spørgsmålet: Findes der billigere, mere miljøvenlige batterier derude? Kunne vi bruge noget bedre? Hvad byder fremtiden på?

Mange mennesker forsker i muligheder. Siden 1990'erne er mere end 300.000 batterirelaterede patenter er blevet indgivet (mere end 30.000 alene i 2017). Mens en stor procentdel af disse opfindelser er relateret til lithium-ion-teknologi, arbejdes der meget på solid-state elektrolyt, silicium-baseret anode, lithium-luft, grafen og andre muligheder, hvoraf nogle er miljøvenlige, og andre, der miljømæssigt ikke er bedre end lithium-ion, men muligvis mere effektiv.

Selvom de fleste af disse nye batterityper sandsynligvis ikke vil blive markedsført så bredt som lithium-ion (i det mindste i de næste par årtier), kan de tjene virkelig store nichemarkeder. Her er nogle af de populære.

Lithium jernfosfat

Kort efter Col. Wilson trak sig tilbage fra militæret, ledere fra et solpanelfirma bad ham om at dykke ned i hans mange års erhvervelse af energilagring viden (militæret er en af ​​verdens største batteribrugere), tag en tur til CES i Las Vegas, og overvåg den nuværende afgrøde af hjemmet batterier. Efter turen lavede han et kæmpe regneark for at forklare, hvorfor han var utilfreds med de muligheder, han så. De bedste batterier var enten overpris for den gennemsnitlige husejer ($30.000 plus) eller havde ikke nok strøm. Han arbejdede derefter med NeoVolta at skabe en række batterier, som typisk koster i de meget lave tocifrede.

Det vil miljøbevidste kemi-hoveder hurtigt fortælle dig lithium-jern-phosphat energilagring er blot en anden type lithium-ion-batteri, omend et med nogle bemærkelsesværdige fordele: Det er billigere, har mere tæt energi, længere levetid og vil ikke antænde, hvis indersiden brister (hvilket kan ske med lithium-ion batterier). Ulemperne? Det er ekstremt tungt (hvorfor det er bedre, hvis det sidder på din veranda og ikke i din telefon), etuiet har stadig lithium i sig, og genbrugsvejen er uklar.

Som sådan har få taget lithium-jern-phosphat-batterier, hvilket gør det svært at vide, hvor god deres genanvendelsesgrad er. Nogle forskere hævder, at de er nemmere at bryde ind i komponenter.

Lithium-svovl

Nogle eksperter satser på lithium-svovl energilagring til at erstatte lithium-ion, da batterierne har tendens til at være lettere og mere energitætte. Svovl er også rigeligt og billigere.

Hvad er forskellen mellem, hvordan lithium-ion- og lithium-svovl-batterier fungerer? Professor Linda Nazar, hvis laboratorium ved Canadas University of Waterloo har studeret lithium-svovl-batterier i de sidste 10 år, bruger en parkeringsgarage-analogi til at beskrive forskellene. Mens opladning og afladning af et lithium-ion batteri er som at køre biler ind og ud af en parkeringskælder, lithium-svovl batteri "når næsten hele parkeringshusets struktur ned og genopbygger den, når du genoplader cellen."

Den kemiske reaktion er beslægtet med, hvad der sker i et bly-syre-batteri, hvor der er en fuldstændig strukturel og kemisk omdannelse. Disse "konverterings"-batterier har deres egne fordele og udfordringer. "De har den fordel, at de kan lagre flere elektroner," siger Nazar. Til gengæld har svovl relativt lav ledningsevne, og batteriernes volumen ændrer sig efter afladning. Holdet ved University of Waterloo lab justerer komponenterne i batteriet for at øge cyklussens levetid og optimere batteriets reaktioner. Hvis nogle af batteriets udfordringer bliver løst, forestiller Nazar sig, at de bliver brugt i såvel luftfart som droner. Det Zephyr fly og UAV'er, som har fløjet og gennemførte nogle af de lange elektriske flyvninger, er ofte afhængige af lithium-svovl-batterier.

Natrium-ion

Som det viser sig, er elementet i det periodiske system, der er så dårligt for dit hjerte, ret godt for batterier. Forskning i natrium-ion-batterier startede i 1970'erne, omkring samme tid som lithium-ion-energilagring. De to grundstoffer er naboer i det periodiske system. Så tog lithium-ion fart, og natrium-ion blev betragtet som en mindre energisk også-løb i de næste tre årtier.

"Det ligner det bedste, der findes," siger Nazar, hvis laboratorium også arbejder med natriumbaseret energilagring. "Natrium-ion-batterier giver en mulighed for at arbejde med jordrige elementer - positive elektroder lavet af ting som jern, mangan og titanium - elementer, der er meget lavere omkostninger. Men at få den kemi til at fungere godt er en udfordring, fordi den bare ikke er det samme som lithium."

Nazar bemærker, at nogle virksomheder ikke mener, det er værd at investere i natrium-ion-batterier, fordi prisen på lithium-ion-batterier falder hele tiden.

"Jeg tror, ​​det nok er værd at investere mange ressourcer i natrium-ion-batterier," siger hun. "Hvis der er et a-ha-øjeblik, hvor natrium-ion-batterier fungerer rigtig godt, med høj energitæthed, ville det være et stort skridt fremad."

Sukker

Tro det eller ej, du kan køre et batteri på sukker som et lille barn hoppet op på cake pops. Sony offentliggjorde første gang forskning om reaktionen, hvor maltodextrin oxideres for at skabe energi i 2007. Selvom materialetilgængeligheden og miljøvenligheden af ​​sukkerbatterier er meget højere end lithium-ion, er spændingen skabt af deres kemiske reaktion betydeligt lavere. Så du vil sikkert gerne vente med at give din Tesla en æske Crunchberries.

Selvom det originale koncept først dukkede op i 2007, sukker batteri konceptet har stadig lidt juice tilbage. I 2016 skabte et Massachusetts Institute of Technology-team ledet af professor Michael Strano en enhed kaldet Thermopower Wave, som er meget mere effektiv end tidligere sukkerbatterier og kan drive en kommerciel LED lys. Dette er en spændende udvikling, fordi sukker er meget rigeligt, så hvis vi kan finde ud af en levedygtig måde at producere disse batterier på, kunne vi formodentlig skalere den teknologi op hurtigt. Desværre er kommerciel tilgængelighed sandsynligvis flere år væk.

Flyde

Et flowbatteri er struktureret anderledes end de fleste andre: I stedet for at pakke en masse reaktive materialer sammen i én enhed (som normale batterier gør), opbevarer flowbatterier reaktive væsker i separate beholdere og pumper dem derefter ind i systemet for at skabe energi. De er også enorme og designet til netenergilagring - ikke til elektronik og ting, der kan passe komfortabelt i din håndflade.

Den oprindelige flow batteri vejede angiveligt 1.000 pounds og blev opfundet i slutningen af ​​det 19. århundrede for at drive den smarte det franske luftskib "La France". Interessen for den modulære energilagring er vokset og aftaget siden derefter.

"Jeg tror, ​​at det, der virkelig driver en eksplosion og interessen for flow-batterier ikke så meget handler om at lave den næste generation af batterier til telefoner eller computere, men mellemstor til stor skala energilagring,” forklarer Timothy Cook, professor i kemi ved University of Bøffel. Så medmindre du bygger en steampunk-mobiltelefon, er det usandsynligt, at du kommer til at bære rundt på strømningsbatterier aktiveret med mikroskopiske pumper. Men efterhånden som flere hjem installerer solenergi, vil markedet for "personlig energi"-lagring vokse.

Samtidig med at gøre lithium-ion-batterier mere kraftfulde betyder det at øge størrelsen af ​​batteriet, designet af flowbatterierne gør det muligt at øge energien ved at øge størrelsen af ​​væsken reservoirer. San Diego Power and Electric har for nylig installeret en, der kan strøm 1.000 boliger.

"Du behøver ikke at ændre nogen af ​​dimensionerne af membranen [hvor den kemiske reaktion opstår], du skal bare at strømme den større mængde væske igennem det i længere tid, og du kan trække den energi ud,” forklarer Laver mad. "Så det er meget meget meget nemmere at skalere op eller ned, eller du kan grundlæggende tilpasse det til installationen."

Flow-batterier har også mange flere opladningscyklusser end de fleste batterier. Evnen til at udskifte væskerne eller udskifte andre modulære dele betyder, at et batteris potentielle levetid er næsten ubestemt.

Selvom virksomheder i øjeblikket sælger flowbatterier i industriel størrelse, forventer professor Cook ikke udbredt accept i yderligere fem til 10 år. Han forestiller sig endda en dag, hvor elbiler kan bruge teknologien. Cook beskriver en bil, der kører op til en "tankstation", udleder den brugte elektrolyt og derefter genopfylder med en frisk opladet. I stedet for at vente en halv time på, at din bil genstarter, kan hjulene snurre igen i løbet af få minutter. Men den fremtid ligger selvfølgelig langt hen ad vejen.

Papir

At lave et batteri af papir har mange fordele: Det er tyndt, fleksibelt og, hvis det er fremstillet med de rigtige materialer, biologisk nedbrydeligt. Et team ved Stanford University udviklede tidlige papirbatterier ved at belægge tynde ark med kulstof- og sølvmættet blæk. På det seneste er øko-hoveder blevet begejstrede for de batterier, der udvikles på Binghamton University. Professor Seokheun "Sean" Choi har lavet et par forskellige inkarnationer af det, inklusive en drevet af spyt - eller mere videnskabeligt menneskeligt spyt - og en anden drevet af bakterier. En nylig inkarnation af biobatteriet udviklet af Choi og professor Omowunmi Sadik bruger poly (aminosyre) og poly (pyromellitsyredianhydrid-p-phenylendiamin) for at lave energikilderne biologisk nedbrydeligt.

"Vores hybride papirbatteri udviste et meget højere strøm-til-omkostningsforhold end alle tidligere rapporterede papirbaserede mikrobielle batterier," sagde Choi, da innovationen blev annonceret. Selvom den kommercielle brug af disse miljøvenlige papirbatterier har været begrænset på grund af deres lave elektriske output (man kan drive et LED-lys til omkring 20 minutter), håber forskerne at se dem brugt i elektronik, trådløse enheder, medicinske applikationer som pacemakere, fly og biler. Choi har skrevet en artikel om at bruge dem som engangsstrømkilder til diagnostiske værktøjer i udviklingslande, hvor batterier muligvis ikke er let tilgængelige.

Luft

Luft kan faktisk være elektrisk, og ikke kun i det øjeblik, hvor du slår halsbåndet op efter en Phil Collins-melodi kommer buldrende ud af din Ferraris højttalere. Zink-luft batterier, som er på størrelse med Smarties-bolsjer og drevet af reaktionen mellem ilt og zink, er blevet brugt i høreapparater i mange år. Zink er også billigt og rigeligt, hvilket gør teknologien økonomisk såvel som miljøvenlig.

Men der er begrænsninger, når man forsøger at lave denne teknologi genopladelig. Dendritkrystaller kan dannes under opladning og kortslutte batteriet. Måder er blevet testet til at erstatte zinken, såsom "mekanisk genopladning" af batteriet ved fysisk at udskifte materialerne, en tilgang, der er blevet afprøvet i Singapores elektriske busser. Adskillige andre eksperimenter er blevet forsøgt med lithium-luft- og metal-luft-batterier med varierende grader af energitæthed, effektniveau og omkostninger. I løbet af det seneste årti har Tesla indgivet adskillige patenter relateret til opladning lithium-luft batterier, så deres potentiale kan eksistere langt ud over dine høreapparater.

Jern

For et par år siden begyndte kemiprofessor Peter Allen ved University of Idaho at udtrykke sin fascination af batterividenskab på YouTube. Næsten med det samme fandt han ud af, at seerne virkelig reagerer på batterimateriale, hvilket inspirerede ham til at bygge et genopladeligt jernbatteri som en pædagogisk demonstration. Dette projekt har ført til mere end 100 demonstrationsvideoer, der forklarer trinene, problemerne og lærdommene i et pædagogisk batteriprojekt.

"Jeg ønsker ikke at pitche mig selv som batteriekspert i sig selv," erkender professoren, hvis ekspertiseområde er biologisk kemi. Da han lavede YouTube-videoerne, indså han, at der var meget at lære og lære ved at bygge et relativt billigt gør-det-selv-batteri.

"Dele af jernbatteriteknologien har eksisteret i 100 år, så jeg tror, ​​at mange mennesker, der kan komme ind i dette med en masse udenlandsk viden ville bare sige: ’Jamen, det er det der er trådt terræn – der er ikke noget at finde’,” siger han. "Men da jeg var lidt naiv, gik jeg ind i det og sagde: 'Nå, lad os prøve det, du kan alligevel finde noget interessant'."

Efter to år, mere end 30 batterivariationer og en masse hjælp fra bachelorstuderende har Allen lært at balancere de flydende og faste materialer for at skabe en optimal mængde energitæthed, men med lav strøm.

"Så kom vi ind på hele dette spørgsmål om: 'Hvis du har en kemi, der virker, men virker langsomt, hvordan fremskynder du den så?"

Selvom holdet løser den udfordring, dikterer den nuværende teknologi, at de bedste applikationer til et jernbatteri sandsynligvis vil være et kvarteret mikronet energilagringsenhed eller solar farm power capture, givet den nødvendige plads og hastigheden af ​​energi sendt fra enhed.

Hvem vinder?

Vil Allens jernbatteri nogensinde være kommercielt levedygtigt? Han er ikke sikker på, at hans holds aktuelle resultater, som er blevet offentliggjort i et videnskabeligt tidsskrift, vil bringe dem derhen.

Efter at have gennemgået adskillige batteriopfindelser, indser han, at kun få af dem rent faktisk vil komme på markedet. I videnskabelig forskning, forklarer han, er der en "dødsdal."

"Du har grundforskningen, der kommer frem til noget virkelig fedt," siger han. »Der er et spørgsmål, om det kan kommercialiseres. Og der er ingen penge til at stille det spørgsmål." Forskere, der finder penge nok til at besvare det indledende spørgsmål, vil så, hvis de er heldige, finde investorer, der ønsker at forfine og kommercialisere ideen. "Men der er et hul mellem den grundlæggende forskning og den nødvendige raffinering for at gøre et batteri kommercielt."

I 2019 sank venturekapitalister 1,7 milliarder dollar til batteristartups, hvoraf 1,4 milliarder af det går til lithium-ion-relateret forskning. Men flowbatterier, zink-luft, flydende metal og mange andre teknologier fik også skriftlig kontrol. Mens lithium-ion energilagring sandsynligvis vil dominere energilagring i mindst yderligere 10 år, ser mange andre allerede ud som om, de vil magte deres vej ud af dødens dal.

Redaktørens anbefalinger

• Fremtiden for bæredygtighed: Et kig på den næste udvikling af miljøteknologi
• Årtier senere vinder opfindere af lithium-ion-batterier Nobelprisen i kemi
• Ingeniører har lavet en ny type lithiumbatteri, der ikke vil eksplodere