Hier ist ein Blick auf die nahe Zukunft der Batterietechnologie

Als Oberst Brent Wilson Basiskommandant im Camp Smith auf Oahu wurde, war er bereits im Golf- und Irakkrieg im Einsatz und leitete zahlreiche Verteidigungseinsätze im Kosovo. Aber der Feind, dem er auf dem hawaiianischen Stützpunkt gegenüberstand, war anders als alle anderen, die er als Hubschrauberpilot des Marine Corps auf dem Schlachtfeld gesehen hatte. Er hatte mit einer alternden Energieinfrastruktur zu kämpfen, die regelmäßig von tropischem Wetter heimgesucht wurde.

„Das gesamte Stromnetz fiel routinemäßig aus und machte uns geschäftsunfähig“, erklärt Wilson, der damals auch Teil des Teams war, das für Verteidigungseinsätze im gesamten Pazifik verantwortlich war. „Das kann man nicht wirklich haben.“

Aber der Kampf gegen schlechte Infrastruktur hatte auch einen zu wenig genutzten Verbündeten: Sonnenlicht. Wilson startete eine Kampagne zur Installation

Solarplatten und Industriebatterien, die die lebenswichtigen Teile des Betriebs bei Stürmen am Laufen halten könnten. Diese Erfahrung verhalf ihm schließlich zu einer zweiten Karriere: dem Verkauf von Batterien, die groß genug sind, um Ihr Zuhause netzunabhängig mit Strom zu versorgen.

Der Batterieboom

Der Batteriemarkt ist in den letzten Jahrzehnten stark gewachsen und wird in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich um weitere 12 % wachsen Mordor-Geheimdienst. Bis 2025 wird es ein 90-Milliarden-Dollar-Markt sein. Im letzten Jahrzehnt haben Unternehmen wie Tesla, Dyson und Daimler allesamt milliardenschwere Investitionen in die Branche getätigt, indem sie entweder kleinere Unternehmen übernommen oder neue Fabriken gebaut haben. Wenn diese klassische Szene aus Der Absolvent Heute gefilmt wurden, wäre der Karriereratschlag, der Dustin Hoffmans Figur in einem Wort gegeben wird, nicht „Plastik“, sondern „Batterien“.

Was wird all dieses Wachstum vorantreiben? Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien sinkt, persönliche Elektronikgeräte und Elektroautos rollen durch sie, und unter anderem mehr Hausbesitzer und Energieversorger, die Solar- und Windenergie speichern möchten Energie.

Mit diesem Wachstum geht eine Menge Verschwendung einher. Leider landen die meisten Batterien auf Mülldeponien. Die Recyclingquoten für Lithium-Ionen-Zellen sind horrend: Ungefähr 5% für die Vereinigten Staaten und die Europäische Union. Forscher finden Möglichkeiten, Lithium-Ionen-Batterien besser recycelbar zu machen, aber selbst wenn das passiert, müssen wir das noch tun Ändern Sie die Gewohnheiten von Menschen und Unternehmen, die Batterien überhaupt nicht recyceln und sie durch Werfen in den Müll entsorgen Müll.

Darüber hinaus sagen einige Experten, dass die verfügbare Menge an Lithium begrenzt ist, obwohl es umstritten ist, wie begrenzt es ist. Der Abbau von Kobalt und Kobalt (das üblicherweise für die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet wird) ist mit hohen Umwelt- und Umweltbelastungen verbunden menschliche Kosten. Außerdem ist der Preis für Kobalt in den letzten Jahren deutlich gestiegen.

Das alles wirft die Frage auf: Gibt es günstigere und umweltfreundlichere Batterien? Könnten wir etwas Besseres verwenden? Was hält die Zukunft bereit?

Viele Leute recherchieren darüber Möglichkeiten. Seit den 1990er Jahren mehr als 300.000 Batteriebezogene Patente wurden eingereicht (mehr als 30.000 allein im Jahr 2017). Während ein großer Prozentsatz dieser Erfindungen mit der Lithium-Ionen-Technologie zusammenhängt, wird viel an Festkörperelektrolyten, Anoden auf Siliziumbasis und Lithium-Luft, Graphen und andere Optionen, von denen einige umweltfreundlich sind und andere umweltfreundlicher sind als Lithium-Ionen, aber möglicherweise sogar besser effizient.

Während die meisten dieser neuen Batterietypen wahrscheinlich (zumindest in den nächsten Jahrzehnten) nicht so weit verbreitet vermarktet werden wie Lithium-Ionen-Batterien, können sie wirklich große Nischenmärkte bedienen. Hier sind einige der beliebtesten.

Lithiumeisenphosphat

Bald nachdem Col. Als Wilson sich aus dem Militär zurückzog, baten ihn Führungskräfte eines Solarpanel-Unternehmens, in seine Jahre der Energiespeicherbeschaffung einzutauchen Wissen (das Militär ist einer der größten Batterienutzer der Welt), machen Sie einen Ausflug zur CES in Las Vegas und begutachten Sie die aktuelle Ernte in der Heimat Batterien. Nach der Reise erstellte er eine riesige Tabelle, um zu erklären, warum er mit den Optionen, die er sah, unzufrieden war. Die besten Batterien waren entweder für den durchschnittlichen Hausbesitzer zu teuer (über 30.000 US-Dollar) oder hatten nicht genug Leistung. Anschließend arbeitete er mit NeoVolta um eine Reihe von Batterien zu entwickeln, deren Kosten normalerweise im sehr niedrigen zweistelligen Bereich liegen.

Umweltbewusste Chemiker werden Ihnen das schnell sagen Lithium-Eisen-Phosphat Energiespeicher sind nur eine andere Art von Lithium-Ionen-Batterien, wenn auch mit einigen bemerkenswerten Vorteilen: Sie sind billiger dichtere Energie, längere Lebensdauer und kein Feuer, wenn das Innere bricht (was bei Lithium-Ionen passieren kann). Batterien). Die Nachteile? Es ist extrem schwer (weshalb es besser auf der Veranda und nicht in Ihrem Telefon liegt), das Gehäuse enthält immer noch Lithium und der Recyclingweg ist unklar.

Daher haben nur wenige Lithium-Eisenphosphat-Batterien eingeführt, was es schwierig macht, zu wissen, wie gut ihre Recyclingquote ist. Einige Forscher behaupten, dass sie sich leichter in ihre Einzelteile zerlegen lassen.

Lithium-Schwefel

Einige Experten setzen auf Lithium-Schwefel-Energiespeicher als Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien, da die Batterien tendenziell leichter und energiedichter sind. Auch Schwefel ist reichlich vorhanden und günstiger.

Was ist der Unterschied zwischen der Funktionsweise von Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien? Professorin Linda Nazar, dessen Labor an der kanadischen University of Waterloo seit zehn Jahren Lithium-Schwefel-Batterien untersucht, verwendet eine Parkhaus-Analogie, um die Unterschiede zu beschreiben. Während das Laden und Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie dem Ein- und Ausfahren eines Autos in ein Parkhaus ähnelt, ist das Die Lithium-Schwefel-Batterie reißt „fast die gesamte Parkhausstruktur ab und baut sie beim Aufladen wieder auf.“ die Zelle."

Die chemische Reaktion ähnelt der in einer Blei-Säure-Batterie, bei der eine vollständige strukturelle und chemische Umwandlung stattfindet. Diese „Konvertierungsbatterien“ haben ihre eigenen Vorteile und Herausforderungen. „Sie haben den Vorteil, dass sie mehr Elektronen speichern können“, sagt Nazar. Andererseits hat Schwefel eine relativ geringe Leitfähigkeit und das Volumen der Batterien verändert sich nach dem Entladen. Das Team im Labor der University of Waterloo optimiert die Komponenten der Batterie, um die Lebensdauer zu verlängern und die Reaktionen der Batterie zu optimieren. Wenn einige der Herausforderungen der Batterie gelöst werden, stellt sich Nazar vor, dass sie sowohl in der Luftfahrt als auch in Drohnen eingesetzt werden. Der Zephyr-Flugzeuge und UAVs, die einige der langen Flüge mit Elektroantrieb absolviert haben, sind häufig auf Lithium-Schwefel-Batterien angewiesen.

Natriumion

Wie sich herausstellt, ist das Element des Periodensystems, das so schädlich für Ihr Herz ist, ziemlich gut für Batterien. Die Forschung an Natrium-Ionen-Batterien begann in den 1970er Jahren, etwa zeitgleich mit der Lithium-Ionen-Energiespeicherung. Die beiden Elemente sind Nachbarn im Periodensystem. Dann kam die Lithium-Ionen-Technologie auf den Vormarsch und die Natrium-Ionen-Technologie galt für die nächsten drei Jahrzehnte als weniger energetische Alternative.

„Es scheint das Beste zu sein, was es gibt“, sagt Nazar, dessen Labor auch mit natriumbasierter Energiespeicherung arbeitet. „Natriumionenbatterien bieten die Möglichkeit, mit in der Erde vorkommenden Elementen zu arbeiten – positiven Elektroden aus Eisen, Mangan und Titan – Elementen, die viel kostengünstiger sind. Aber es ist eine Herausforderung, diese Chemie zum Laufen zu bringen, denn sie ist einfach nicht dasselbe wie Lithium.“

Nazar weist darauf hin, dass einige Unternehmen die Investition in Natrium-Ionen-Batterien nicht für lohnenswert halten, da die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien ständig sinken.

„Ich denke, es lohnt sich wahrscheinlich, viele Ressourcen in Natrium-Ionen-Batterien zu investieren“, sagt sie. „Wenn es einen A-ha-Moment gibt, bei dem Natrium-Ionen-Batterien wirklich gut funktionieren und eine hohe Energiedichte aufweisen, wäre das ein großer Fortschritt.“

Zucker

Ob Sie es glauben oder nicht, Sie können eine Batterie mit Zucker betreiben, wie ein Kleinkind, das auf Cake-Pops hüpft. Sony veröffentlichte erstmals 2007 Forschungsergebnisse über die Reaktion, bei der Maltodextrin oxidiert wird, um Energie zu erzeugen. Obwohl die Materialverfügbarkeit und Umweltfreundlichkeit von Zuckerbatterien viel höher ist als bei Lithium-Ionen-Batterien, ist die durch ihre chemische Reaktion erzeugte Spannung deutlich geringer. Sie möchten Ihrem Tesla also wahrscheinlich nicht eine Kiste Crunchberries geben.

Obwohl das ursprüngliche Konzept erstmals im Jahr 2007 erschien, ist das Zuckerbatterie Das Konzept hat noch etwas Saft in sich. Im Jahr 2016 entwickelte ein Team des Massachusetts Institute of Technology unter der Leitung von Professor Michael Strano ein Gerät namens Thermopower Wave, die viel effizienter ist als frühere Versionen von Zuckerbatterien und eine handelsübliche LED mit Strom versorgen kann Licht. Dies ist eine aufregende Entwicklung, da Zucker in großen Mengen vorhanden ist. Wenn wir also einen praktikablen Weg finden, diese Batterien herzustellen, könnten wir diese Technologie vermutlich schnell ausbauen. Leider wird die kommerzielle Verfügbarkeit wahrscheinlich noch einige Jahre auf sich warten lassen.

Fließen

Eine Flow-Batterie ist anders aufgebaut als die meisten anderen: Anstatt eine Menge reaktiver Materialien in einer Einheit zusammenzupacken (wie normale Batterien auch) speichern Flow-Batterien reaktive Flüssigkeiten in separaten Behältern und pumpen sie dann zur Erzeugung in das System Energie. Außerdem sind sie riesig und für die Energiespeicherung im Netz konzipiert – nicht für Elektronik und Dinge, die bequem in Ihre Handfläche passen.

Das Original Flow-Batterie Berichten zufolge wog es 1.000 Pfund und wurde im späten 19. Jahrhundert erfunden, um die Kraft intelligent zu nutzen benanntes französisches Luftschiff „La France“. Seitdem ist das Interesse am modularen Energiespeicher stark gestiegen und wieder zurückgegangen Dann.

„Ich denke, was die Explosion und das Interesse an Flow-Batterien wirklich antreibt, ist nicht so sehr die Herstellung der nächsten Generation von Batterien Telefone oder Computer, sondern mittlere bis große Energiespeicher“, erklärt Timothy Cook, Professor für Chemie an der University of Büffel. Wenn Sie also kein Steampunk-Handy bauen, ist es unwahrscheinlich, dass Sie Flow-Batterien mit sich herumtragen, die mit mikroskopisch kleinen Pumpen aktiviert werden. Da jedoch immer mehr Haushalte Solarenergie installieren, wird der Markt für „personalisierte Energiespeicher“ wachsen.

Um Lithium-Ionen-Batterien leistungsfähiger zu machen, müssen die Größe der Batterie und das Design erhöht werden Der Einsatz von Flow-Batterien ermöglicht es, die Energie durch Vergrößerung der Flüssigkeit zu steigern Stauseen. San Diego Power and Electric hat kürzlich eines installiert, das Strom liefern kann 1.000 Häuser.

„Man muss keine der Abmessungen der Membran [wo die chemische Reaktion stattfindet] ändern, man muss sie einfach ändern um das größere Flüssigkeitsvolumen über einen längeren Zeitraum hindurch fließen zu lassen, und man kann diese Energie herausziehen“, erklärt Kochen. „Es ist also viel, viel einfacher, es zu vergrößern oder zu verkleinern oder es einfach an die Installation anzupassen.“

Flow-Batterien haben außerdem viel mehr Ladezyklen als die meisten Batterien. Durch die Möglichkeit, die Flüssigkeiten auszutauschen oder andere modulare Teile auszutauschen, ist die potenzielle Lebensdauer einer Batterie nahezu unbegrenzt.

Auch wenn Unternehmen derzeit Flow-Batterien in Industriegröße verkaufen, rechnet Professor Cook erst in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit einer breiten Akzeptanz. Er stellt sich sogar einen Tag vor, an dem Elektroautos diese Technologie nutzen könnten. Cook beschreibt ein Auto, das an einer „Tankstelle“ anfährt, den verbrauchten Elektrolyten entlädt und ihn dann mit einem frisch geladenen auffüllt. Anstatt eine halbe Stunde auf den Neustart Ihres Autos zu warten, können die Räder innerhalb weniger Minuten wieder durchdrehen. Aber diese Zukunft liegt natürlich noch in weiter Ferne.

Papier

Die Herstellung einer Batterie aus Papier hat viele Vorteile: Sie ist dünn, flexibel und, wenn die richtigen Materialien verwendet werden, biologisch abbaubar. Ein Team der Stanford University entwickelte frühe Papierbatterien, indem es dünne Blätter mit einer mit Kohlenstoff und Silber gesättigten Tinte beschichtete. In jüngerer Zeit sind Umweltexperten von den an der Binghamton University entwickelten Batterien begeistert. Professor Seokheun „Sean“ Choi hat einige verschiedene Inkarnationen davon gemacht, darunter eine mit Spucke – oder wissenschaftlicher ausgedrückt: menschlichem Speichel – und eine andere mit Bakterien. Eine aktuelle Version der von Choi und Professor Omowunmi Sadik entwickelten Biobatterie verwendet Poly (Ameisensäure) und Poly(pyromellithsäuredianhydrid-p-phenylendiamin) zur Herstellung der Energiequellen biologisch abbaubar.

„Unsere Hybrid-Papierbatterie wies ein viel höheres Strom-Kosten-Verhältnis auf als alle zuvor gemeldeten mikrobiellen Batterien auf Papierbasis“, sagte Choi bei der Einführung der Innovation wurde vorgestellt. Obwohl die kommerzielle Nutzung dieser umweltfreundlichen Papierbatterien aufgrund ihrer geringen elektrischen Leistung begrenzt ist (man kann damit eine LED-Leuchte mit Strom versorgen). etwa 20 Minuten), hoffen die Forscher, sie in der Elektronik, in drahtlosen Geräten, in medizinischen Anwendungen wie Herzschrittmachern, in Flugzeugen usw. zum Einsatz zu bringen Automobile. Choi hat einen Artikel über den Einsatz von Batterien als Einweg-Stromquellen für Point-of-Care-Diagnosegeräte in Entwicklungsländern verfasst, in denen Batterien möglicherweise nicht ohne weiteres erhältlich sind.

Luft

Luft kann tatsächlich elektrisch sein, und das nicht nur in dem Moment, in dem Sie den Kragen platzen lassen, nachdem ein Lied von Phil Collins aus den Lautsprechern Ihres Ferrari dröhnt. Zink-Luft-Batterien, die etwa die Größe von Smarties-Bonbons haben und durch die Reaktion zwischen Sauerstoff und Zink angetrieben werden, werden seit vielen Jahren in Hörgeräten verwendet. Zink ist außerdem billig und reichlich vorhanden, was die Technologie sowohl wirtschaftlich als auch umweltfreundlich macht.

Beim Versuch, diese Technologie herzustellen, gibt es jedoch Einschränkungen wiederaufladbar. Während des Ladevorgangs können sich Dendritenkristalle bilden, die den Akku kurzschließen. Es wurden Möglichkeiten getestet, das Zink zu ersetzen, beispielsweise das „mechanische Aufladen“ der Batterie durch physischen Austausch der Materialien, ein Ansatz, der in den Elektrobussen Singapurs ausprobiert wurde. Zahlreiche andere Experimente wurden mit Lithium-Luft- und Metall-Luft-Batterien mit unterschiedlicher Energiedichte, Leistungsniveau und Kosten durchgeführt. Im letzten Jahrzehnt hat Tesla mehrere Patente im Zusammenhang mit dem Laden angemeldet Lithium-Luft-BatterienDaher kann ihr Potenzial weit über Ihre Hörgeräte hinausgehen.

Eisen

Vor einigen Jahren begann der Chemieprofessor Peter Allen von der University of Idaho, seine Faszination für die Batteriewissenschaft auf YouTube zum Ausdruck zu bringen. Fast sofort stellte er fest, dass die Zuschauer wirklich auf Batteriematerial reagierten, was ihn dazu inspirierte, als pädagogische Demonstration eine wiederaufladbare Eisenbatterie zu bauen. Dieses Projekt hat zu mehr als 100 Demonstrationsvideos geführt, in denen die Schritte, Probleme und Erkenntnisse eines pädagogischen Batterieprojekts erläutert werden.

„Ich möchte mich nicht per se als Batterieexperte darstellen“, bekennt der Professor, dessen Fachgebiet die biologische Chemie ist. Beim Erstellen der YouTube-Videos wurde ihm klar, dass es durch den Bau einer relativ billigen Do-it-yourself-Batterie viel zu lehren und zu lernen gab.

„Teile der Eisenbatterietechnologie gibt es schon seit 100 Jahren, also denke ich, dass es viele Leute gibt, die sich damit beschäftigen könnten Viele ausländische Experten würden einfach sagen: ‚Das ist doch ausgetretenes Terrain – da ist nichts zu finden‘“, sagt er. „Aber da ich ein wenig naiv war, ging ich hinein und sagte: ‚Nun, lass es uns versuchen, du kannst sowieso etwas Interessantes finden.‘“

Nach zwei Jahren, mehr als 30 Batterievarianten und viel Hilfe von Studenten im Grundstudium hat Allen es geschafft lernte, wie man flüssige und feste Materialien ausbalanciert, um eine optimale Energiedichte, aber mit geringer Energiedichte, zu erzeugen Leistung.

„Dann beschäftigten wir uns mit der ganzen Frage: ‚Wenn die Chemie funktioniert, aber langsam funktioniert, wie beschleunigt man sie dann?‘“

Selbst wenn das Team diese Herausforderung meistert, werden laut aktueller Technologie die besten Anwendungen für eine Eisenbatterie wahrscheinlich folgende sein: B. ein Mikronetz-Energiespeicher in der Nachbarschaft oder eine Stromerfassung aus einem Solarpark, abhängig vom benötigten Platz und der Geschwindigkeit der von dort gesendeten Energie Einheit.

Wer wird gewinnen?

Wird Allens Eisenbatterie jemals kommerziell nutzbar sein? Er ist sich nicht sicher, ob die aktuellen Erkenntnisse seines Teams, die in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurden, dorthin führen werden.

Nachdem er zahlreiche Batterieerfindungen geprüft hat, ist ihm klar, dass nur wenige davon tatsächlich auf den Markt kommen werden. In der wissenschaftlichen Forschung, erklärt er, gibt es ein „Tal des Todes“.

„Man hat die Grundlagenforschung, die etwas wirklich Cooles hervorbringt“, sagt er. „Es stellt sich die Frage, ob es kommerzialisiert werden kann. Und es gibt kein Geld, um diese Frage zu stellen.“ Forscher, die genug Geld finden, um diese anfängliche Frage zu beantworten, werden dann, wenn sie Glück haben, Investoren finden, die die Idee verfeinern und kommerzialisieren wollen. „Aber es gibt eine Lücke zwischen der Grundlagenforschung und der notwendigen Verfeinerung, um eine Batterie kommerziell zu machen.“

Im Jahr 2019 sank die Zahl der Risikokapitalgeber 1,7 Milliarden US-Dollar in Batterie-Startups1,4 Milliarden davon fließen in die Lithium-Ionen-Forschung. Aber auch Flow-Batterien, Zink-Luft, Flüssigmetall und viele andere Technologien erhielten schriftliche Schecks. Während die Lithium-Ionen-Energiespeicherung wahrscheinlich noch mindestens zehn Jahre lang die Energiespeicherung dominieren wird, sieht es bei vielen anderen bereits so aus, als würden sie mit Energie aus dem Tal des Todes herauskommen.

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