Εδώ είναι μια ματιά στο εγγύς μέλλον της τεχνολογίας μπαταριών

Μέχρι τη στιγμή που ο συνταγματάρχης Brent Wilson έγινε διοικητής της βάσης στο Camp Smith του Oahu, είχε αναπτυχθεί στους πολέμους του Κόλπου και του Ιράκ και ηγήθηκε πολλών αμυντικών επιχειρήσεων στο Κοσσυφοπέδιο. Αλλά ο εχθρός που αντιμετώπισε στη βάση της Χαβάης ήταν διαφορετικός από οποιονδήποτε είχε δει στο πεδίο της μάχης ως πιλότος ελικοπτέρου του Σώματος Πεζοναυτών. Έπρεπε να αντιμετωπίσει μια γερασμένη ενεργειακή υποδομή που καταπατά τακτικά από τον τροπικό καιρό.

«Ολόκληρο το ηλεκτρικό δίκτυο κατέρρεε τακτικά και μας έθεσε εκτός λειτουργίας», εξηγεί ο Wilson, ο οποίος, εκείνη την εποχή, ήταν επίσης μέλος της ομάδας που ήταν υπεύθυνη για τις αμυντικές επιχειρήσεις σε όλο τον Ειρηνικό. «Δεν μπορείς πραγματικά να το έχεις αυτό».

Αλλά η μάχη ενάντια στις κακές υποδομές είχε επίσης έναν υποχρησιμοποιημένο σύμμαχο: το φως του ήλιου. Ο Wilson ξεκίνησε μια καμπάνια για εγκατάσταση

ηλιακούς συλλέκτες και βιομηχανικές μπαταρίες που θα μπορούσαν να κρατήσουν τα ζωτικά μέρη της λειτουργίας online όταν χτυπούν καταιγίδες. Αυτή η εμπειρία τον βοήθησε τελικά να ξεκινήσει μια δεύτερη καριέρα: Πουλώντας μπαταρίες αρκετά μεγάλες ώστε να τροφοδοτούν το σπίτι σας από το δίκτυο.

Το μπουμ της μπαταρίας

Η αγορά μπαταριών έχει εκτοξευθεί τις τελευταίες δεκαετίες και αναμένεται να αυξηθεί κατά 12% ακόμη τα επόμενα πέντε χρόνια, σύμφωνα με Mordor Intelligence. Μέχρι το 2025, θα είναι μια αγορά 90 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Την τελευταία δεκαετία, εταιρείες όπως η Tesla, η Dyson και η Daimler έχουν κάνει όλες επενδύσεις δισεκατομμυρίων δολαρίων στον κλάδο, είτε εξαγοράζοντας μικρότερες εταιρείες είτε χτίζοντας νέα εργοστάσια. Αν εκείνη την κλασική σκηνή από Η αποφοίτηση που γυρίστηκαν σήμερα, η μονολεκτική συμβουλή καριέρας που δόθηκε στον χαρακτήρα του Ντάστιν Χόφμαν δεν θα ήταν «πλαστικά», αλλά «μπαταρίες».

Τι θα ωθήσει όλη αυτή την ανάπτυξη; Η τιμή της μπαταρίας ιόντων λιθίου μειώνεται, τα προσωπικά ηλεκτρονικά είδη και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ανακατεύονται μέσα από αυτά, και, μεταξύ άλλων παραγόντων, περισσότεροι ιδιοκτήτες κατοικιών και εταιρείες ενέργειας που θέλουν να αποθηκεύσουν ηλιακή και αιολική ενέργεια ενέργεια.

Μαζί με αυτή την ανάπτυξη έρχεται και πολλή σπατάλη. Δυστυχώς, οι περισσότερες μπαταρίες τελειώνουν σε χώρους υγειονομικής ταφής. Τα ποσοστά ανακύκλωσης για κύτταρα ιόντων λιθίου είναι τρομακτικά: Περίπου 5% για τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρωπαϊκή Ένωση. Οι ερευνητές βρίσκουν τρόπους για να κάνουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου πιο ανακυκλώσιμες, αλλά ακόμα κι αν συμβεί αυτό, πρέπει να αλλάξτε τις συνήθειες των ανθρώπων και των εταιρειών που δεν ανακυκλώνουν καθόλου μπαταρίες και τις απορρίπτουν πετώντας τις στο Σκουπίδια.

Επιπλέον, ορισμένοι ειδικοί λένε ότι υπάρχει περιορισμένη διαθέσιμη ποσότητα λιθίου, αν και το πόσο περιορισμένο είναι αντικείμενο συζήτησης. Η εξόρυξή του και του κοβαλτίου (το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως για το θετικό ηλεκτρόδιο μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου) έχει υψηλό περιβαλλοντικό και ανθρώπινο κόστος. Επιπλέον, η τιμή του κοβαλτίου έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια.

Όλα αυτά γεννούν το ερώτημα: Υπάρχουν φθηνότερες, πιο φιλικές προς το περιβάλλον μπαταρίες εκεί έξω; Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε κάτι καλύτερο; Τι επιφυλάσσει το μέλλον;

Πολλοί άνθρωποι ερευνούν το δυνατότητες. Από τη δεκαετία του 1990, περισσότεροι από 300.000 διπλώματα ευρεσιτεχνίας που σχετίζονται με μπαταρίες έχουν κατατεθεί (πάνω από 30.000 μόνο το 2017). Ενώ ένα μεγάλο ποσοστό αυτών των εφευρέσεων σχετίζεται με την τεχνολογία ιόντων λιθίου, αρκετή δουλειά γίνεται σε ηλεκτρολύτη στερεάς κατάστασης, άνοδο με βάση το πυρίτιο, λίθιο-αέρα, γραφένιο και άλλες επιλογές, μερικές από τις οποίες είναι φιλικές προς το περιβάλλον και άλλες που δεν είναι καλύτερες από το λίθιο, αλλά πιθανώς περισσότερες αποτελεσματικός.

Ενώ οι περισσότεροι από αυτούς τους νέους τύπους μπαταριών πιθανότατα δεν θα διατεθούν τόσο ευρέως όσο τα ιόντα λιθίου (τουλάχιστον τις επόμενες δύο δεκαετίες), μπορούν να εξυπηρετήσουν πολύ μεγάλες εξειδικευμένες αγορές. Εδώ είναι μερικά από τα δημοφιλή.

Φωσφορικό λίθιο σίδηρο

Αμέσως μετά ο Col. Ο Wilson αποσύρθηκε από τον στρατό, στελέχη μιας εταιρείας ηλιακών πάνελ του ζήτησαν να βουτήξει στα χρόνια της απόκτησης αποθήκευσης ενέργειας γνώση (ο στρατός είναι ένας από τους μεγαλύτερους χρήστες μπαταριών στον κόσμο), κάντε ένα ταξίδι στο CES στο Λας Βέγκας και ερευνήστε την τρέχουσα σοδειά του σπιτιού μπαταρίες. Μετά το ταξίδι, δημιούργησε ένα τεράστιο υπολογιστικό φύλλο για να εξηγήσει γιατί ήταν δυσαρεστημένος με τις επιλογές που είδε. Οι καλύτερες μπαταρίες είτε ήταν υπερτιμημένες για τον μέσο ιδιοκτήτη σπιτιού (30.000 $ και πλέον) είτε δεν είχαν αρκετή ισχύ. Στη συνέχεια δούλεψε με NeoVolta για τη δημιουργία μιας σειράς μπαταριών, που συνήθως κοστίζουν σε πολύ χαμηλά διψήφια νούμερα.

Οι περιβαλλοντικές χημικές κεφαλές θα σας το πουν γρήγορα αυτό λίθιο-σίδηρο-φωσφορικό Η αποθήκευση ενέργειας είναι απλώς ένας άλλος τύπος μπαταρίας ιόντων λιθίου, αν και έχει κάποια αξιοσημείωτα πλεονεκτήματα: είναι φθηνότερη, έχει πιο πυκνή ενέργεια, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και δεν θα πιάσει φωτιά αν σπάσουν τα εσωτερικά (κάτι που μπορεί να συμβεί με ιόντα λιθίου μπαταρίες). Τα μειονεκτήματα; Είναι εξαιρετικά βαρύ (γι' αυτό είναι καλύτερα αν κάθεται στην πίσω βεράντα σας και όχι στο τηλέφωνό σας), η θήκη εξακολουθεί να περιέχει λίθιο και η διαδρομή ανακύκλωσης είναι ασαφής.

Ως εκ τούτου, λίγοι έχουν υιοθετήσει μπαταρίες λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού, γεγονός που καθιστά δύσκολο να γνωρίζουμε πόσο καλό είναι το ποσοστό ανακύκλωσής τους. Μερικοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι είναι πιο εύκολο να σπάσουν σε εξαρτήματα.

Λίθιο-θείο

Ορισμένοι ειδικοί στοιχηματίζουν στην αποθήκευση ενέργειας λιθίου-θείου για την αντικατάσταση των ιόντων λιθίου, καθώς οι μπαταρίες τείνουν να είναι ελαφρύτερες και πιο πυκνές σε ενέργεια. Το θείο είναι επίσης άφθονο και φθηνότερο.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών ιόντων λιθίου και θείου λιθίου; Καθηγήτρια Linda Nazar, του οποίου το εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Βατερλώ του Καναδά μελετά μπαταρίες λιθίου-θείου τα τελευταία 10 χρόνια, χρησιμοποιεί μια αναλογία γκαράζ στάθμευσης για να περιγράψει τις διαφορές. Ενώ η φόρτιση και η εκφόρτιση μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι σαν να οδηγείτε αυτοκίνητα μέσα και έξω από ένα γκαράζ, το Η μπαταρία λιθίου-θείου «καταστρέφει σχεδόν ολόκληρη τη δομή του γκαράζ στάθμευσης και στη συνέχεια την ξαναφτιάχνει όταν επαναφορτίζετε το κύτταρο."

Η χημική αντίδραση είναι παρόμοια με αυτό που συμβαίνει σε μια μπαταρία μολύβδου-οξέος όπου υπάρχει πλήρης δομικός και χημικός μετασχηματισμός. Αυτές οι μπαταρίες «μετατροπής» έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και προκλήσεις. «Έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερα ηλεκτρόνια», λέει ο Nazar. Από την άλλη πλευρά, το θείο έχει σχετικά χαμηλή αγωγιμότητα και ο όγκος των μπαταριών αλλάζει μετά την εκφόρτιση. Η ομάδα στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Βατερλώ τροποποιεί τα εξαρτήματα της μπαταρίας για να αυξήσει τη διάρκεια ζωής του κύκλου και να βελτιστοποιήσει τις αντιδράσεις της μπαταρίας. Εάν λυθούν ορισμένες από τις προκλήσεις της μπαταρίας, ο Nazar οραματίζεται ότι θα χρησιμοποιηθούν στην αεροπορία καθώς και στα drones. ο αεροπλάνα Zephyr και τα UAV, τα οποία έχουν πραγματοποιήσει μερικές από τις μεγάλες πτήσεις με ηλεκτρική ενέργεια, συχνά βασίζονται σε μπαταρίες λιθίου-θείου.

Ιόν νατρίου

Όπως αποδεικνύεται, το στοιχείο του περιοδικού πίνακα που είναι τόσο κακό για την καρδιά σας είναι πολύ καλό για τις μπαταρίες. Η έρευνα στις μπαταρίες ιόντων νατρίου ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970, περίπου την ίδια εποχή με την αποθήκευση ενέργειας ιόντων λιθίου. Τα δύο στοιχεία είναι γείτονες στον περιοδικό πίνακα. Στη συνέχεια, το ιόν λιθίου απογειώθηκε και το ιόν νατρίου θεωρήθηκε επίσης λιγότερο ενεργητικό - έτρεξε για τις επόμενες τρεις δεκαετίες.

«Φαίνεται σαν το καλύτερο πράγμα γύρω», λέει ο Nazar, του οποίου το εργαστήριο λειτουργεί επίσης με αποθήκευση ενέργειας με βάση το νάτριο. «Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου δίνουν σε κάποιον τη δυνατότητα να εργαστεί με άφθονα στοιχεία - θετικά ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από πράγματα όπως σίδηρος, μαγγάνιο και τιτάνιο - στοιχεία που έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος. Αλλά το να δουλέψει καλά αυτή η χημεία είναι μια πρόκληση γιατί απλά δεν είναι το ίδιο με το λίθιο».

Ο Nazar σημειώνει ότι ορισμένες εταιρείες πιστεύουν ότι δεν αξίζει να επενδύσουν σε μπαταρίες ιόντων νατρίου επειδή το κόστος των μπαταριών ιόντων λιθίου μειώνεται συνεχώς.

«Πιστεύω ότι μάλλον αξίζει να επενδύσουμε πολλούς πόρους σε μπαταρίες ιόντων νατρίου», λέει. «Εάν υπάρχει μια στιγμή α-ha που οι μπαταρίες ιόντων νατρίου λειτουργούν πολύ καλά, με πυκνότητα υψηλής ενέργειας, αυτό θα ήταν ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός».

Ζάχαρη

Είτε το πιστεύετε είτε όχι, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια μπαταρία με ζάχαρη, όπως ένα μικρό παιδί που πηδούσε πάνω σε κέικ. Η Sony δημοσίευσε για πρώτη φορά έρευνα σχετικά με την αντίδραση κατά την οποία η μαλτοδεξτρίνη οξειδώνεται για να δημιουργήσει ενέργεια το 2007. Παρόλο που η διαθεσιμότητα υλικών και η φιλικότητα προς το περιβάλλον των μπαταριών ζάχαρης είναι πολύ υψηλότερη από αυτές των ιόντων λιθίου, η τάση που δημιουργείται από τη χημική τους αντίδραση είναι σημαντικά χαμηλότερη. Έτσι, μάλλον θα θέλετε να σταματήσετε να ταΐζετε το Tesla σας με ένα κουτί Crunchberries.

Αν και η αρχική ιδέα εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 2007, το μπαταρία ζάχαρης Η ιδέα έχει ακόμα λίγο χυμό μέσα της. Το 2016, μια ομάδα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης με επικεφαλής τον καθηγητή Michael Strano δημιούργησε μια συσκευή που ονομάζεται the Thermopower Wave, το οποίο είναι πολύ πιο αποδοτικό από προηγούμενες ενσαρκώσεις μπαταριών ζάχαρης και μπορεί να τροφοδοτήσει ένα εμπορικό LED φως. Αυτή είναι μια συναρπαστική εξέλιξη, επειδή η ζάχαρη είναι σε μεγάλη αφθονία, οπότε αν καταφέρουμε να βρούμε έναν βιώσιμο τρόπο παραγωγής αυτών των μπαταριών, θα μπορούσαμε πιθανώς να κλιμακώσουμε αυτήν την τεχνολογία γρήγορα. Δυστυχώς, η εμπορική διαθεσιμότητα είναι πιθανόν αρκετά χρόνια μακριά.

Ροή

Μια μπαταρία ροής έχει διαφορετική δομή από τις περισσότερες άλλες: Αντί να συσκευάζει μια δέσμη αντιδρώντων υλικών μαζί σε μια μονάδα (όπως οι κανονικές μπαταρίες), οι μπαταρίες ροής αποθηκεύουν αντιδραστικά υγρά σε ξεχωριστά δοχεία και στη συνέχεια τα αντλούν στο σύστημα για να δημιουργήσουν ενέργεια. Είναι επίσης τεράστια και σχεδιασμένα για αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο — όχι για ηλεκτρονικά είδη και πράγματα που μπορούν να χωρέσουν άνετα στην παλάμη του χεριού σας.

Το πρωτότυπο μπαταρία ροής φέρεται να ζύγιζε 1.000 λίβρες και εφευρέθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα για να τροφοδοτήσει τον έξυπνο ονομάστηκε γαλλικό αερόπλοιο «La France». Έκτοτε, το ενδιαφέρον για τη σπονδυλωτή αποθήκευση ενέργειας μειώθηκε και μειώθηκε έπειτα.

«Νομίζω ότι αυτό που πραγματικά προκαλεί μια έκρηξη και το ενδιαφέρον για τις μπαταρίες ροής δεν είναι τόσο η κατασκευή της επόμενης γενιάς μπαταριών για τηλέφωνα ή υπολογιστές, αλλά αποθήκευση ενέργειας μεσαίας έως μεγάλης κλίμακας», εξηγεί ο Timothy Cook, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Βουβάλι. Έτσι, εκτός και αν κατασκευάζετε ένα κινητό τηλέφωνο steampunk, είναι απίθανο να μεταφέρετε μπαταρίες ροής που ενεργοποιούνται με μικροσκοπικές αντλίες. Ωστόσο, καθώς περισσότερα σπίτια εγκαθιστούν ηλιακή ενέργεια, η αγορά για την αποθήκευση «εξατομικευμένης ενέργειας» θα μεγαλώνει.

Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου γίνονται πιο ισχυρές σημαίνει αύξηση του μεγέθους της μπαταρίας, του σχεδιασμού των μπαταριών ροής καθιστά δυνατή την αύξηση της ενέργειας αυξάνοντας το μέγεθος του υγρού δεξαμενές. Η San Diego Power and Electric εγκατέστησε πρόσφατα ένα που μπορεί να τροφοδοτήσει 1.000 σπίτια.

«Δεν χρειάζεται να αλλάξετε καμία από τις διαστάσεις της μεμβράνης [όπου συμβαίνει η χημική αντίδραση], απλά έχετε για να ρέει ο μεγαλύτερος όγκος υγρού μέσα από αυτό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και μπορείτε να εξαγάγετε αυτήν την ενέργεια», εξηγεί Μάγειρας. "Έτσι είναι πολύ πολύ πιο εύκολο να αυξήσετε ή να μειώσετε την κλίμακα ή μπορείτε βασικά να το προσαρμόσετε στην εγκατάσταση."

Οι μπαταρίες ροής έχουν επίσης πολύ περισσότερους κύκλους φόρτισης από τις περισσότερες μπαταρίες. Η δυνατότητα αντικατάστασης των υγρών ή αντικατάστασης άλλων αρθρωτών εξαρτημάτων σημαίνει ότι η πιθανή διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας είναι σχεδόν αόριστη.

Παρόλο που οι εταιρείες πωλούν επί του παρόντος μπαταρίες ροής βιομηχανικού μεγέθους, ο καθηγητής Cook δεν αναμένει ευρεία αποδοχή για άλλα πέντε έως 10 χρόνια. Φαντάζεται ακόμη και μια μέρα που τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία. Ο Cook περιγράφει ένα αυτοκίνητο που τραβάει μέχρι ένα «βενζινάδικο», εκφορτώνει τον χρησιμοποιημένο ηλεκτρολύτη και στη συνέχεια ξαναγεμίζει με έναν φρεσκοφορτισμένο. Αντί να περιμένετε μισή ώρα για να επανεκκινήσει το αυτοκίνητό σας, οι τροχοί μπορεί να περιστρέφονται ξανά μέσα σε λίγα λεπτά. Αλλά, φυσικά, αυτό το μέλλον είναι πολύ κάτω.

Χαρτί

Η κατασκευή μιας μπαταρίας από χαρτί έχει πολλά πλεονεκτήματα: Είναι λεπτή, ευέλικτη και, εάν κατασκευαστεί με τα σωστά υλικά, βιοδιασπάται. Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανέπτυξε πρώιμες μπαταρίες χαρτιού επικαλύπτοντας λεπτά φύλλα με κορεσμένο μελάνι άνθρακα και ασήμι. Πιο πρόσφατα, οι οικολογικοί κεφαλές έχουν ενθουσιαστεί με τις μπαταρίες που αναπτύσσονται στο Πανεπιστήμιο Binghamton. Ο καθηγητής Seokheun "Sean" Choi έχει κάνει μερικές διαφορετικές ενσαρκώσεις του, συμπεριλαμβανομένης μιας που τροφοδοτείται από τη σούβλα - ή πιο επιστημονικά, από ανθρώπινο σάλιο - και μια άλλη που τροφοδοτείται από βακτήρια. Μια πρόσφατη ενσάρκωση της βιομπαταρίας που αναπτύχθηκε από τον Choi και τον καθηγητή Omowunmi Sadik χρησιμοποιεί πολυ (αμικό) οξύ και πολυ (πυρομελλιτικό διανυδρίδιο-ρ-φαινυλενοδιαμίνη) για την παραγωγή των πηγών ενέργειας βιοδιασπώμενο.

«Η υβριδική μας μπαταρία χαρτιού παρουσίασε πολύ υψηλότερη αναλογία ισχύος προς κόστος από όλες τις προηγουμένως αναφερθείσες μικροβιακές μπαταρίες με βάση το χαρτί», είπε ο Choi όταν η καινοτομία ανακοινώθηκε. Αν και η εμπορική χρήση αυτών των φιλικών προς το περιβάλλον μπαταριών χαρτιού έχει περιοριστεί λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής τους απόδοσης (μπορεί κανείς να τροφοδοτήσει ένα φως LED για περίπου 20 λεπτά), οι ερευνητές ελπίζουν να τα δουν να χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά είδη, ασύρματες συσκευές, ιατρικές εφαρμογές όπως βηματοδότες, αεροσκάφη και αυτοκίνητα. Ο Choi έχει γράψει μια εργασία σχετικά με τη χρήση τους ως πηγές ενέργειας μιας χρήσης για διαγνωστικά εργαλεία σημείου φροντίδας σε αναπτυσσόμενες χώρες όπου οι μπαταρίες μπορεί να μην είναι άμεσα διαθέσιμες.

Αέρας

Ο αέρας μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ηλεκτρικός και όχι μόνο τη στιγμή που σκάς το κολάρο σου αφού η μελωδία του Phil Collins βγαίνει από τα ηχεία της Ferrari σου. Μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα, τα οποία είναι περίπου στο μέγεθος των καραμέλες Smarties και τροφοδοτούνται από την αντίδραση μεταξύ οξυγόνου και ψευδαργύρου, χρησιμοποιούνται σε ακουστικά βαρηκοΐας εδώ και πολλά χρόνια. Ο ψευδάργυρος είναι επίσης φθηνός και άφθονος, καθιστώντας την τεχνολογία οικονομική καθώς και φιλική προς το περιβάλλον.

Αλλά υπάρχουν περιορισμοί όταν προσπαθείτε να δημιουργήσετε αυτήν την τεχνολογία επαναφορτιζόμενη. Οι κρύσταλλοι δενδρίτη μπορούν να σχηματιστούν κατά τη φόρτιση και να βραχυκυκλώσουν την μπαταρία. Έχουν δοκιμαστεί τρόποι για την αντικατάσταση του ψευδαργύρου, όπως η «μηχανική επαναφόρτιση» της μπαταρίας με φυσική αντικατάσταση των υλικών, μια προσέγγιση που έχει δοκιμαστεί στα ηλεκτρικά λεωφορεία της Σιγκαπούρης. Πολλά άλλα πειράματα έχουν επιχειρηθεί με μπαταρίες λιθίου-αέρα και μετάλλου-αέρα με ποικίλους βαθμούς ενεργειακής πυκνότητας, στάθμης ισχύος και κόστους. Την τελευταία δεκαετία, η Tesla έχει καταθέσει αρκετές πατέντες που σχετίζονται με τη χρέωση μπαταρίες λιθίου-αέρα, επομένως οι δυνατότητές τους μπορεί να είναι πολύ πέρα ​​από τα ακουστικά σας.

Σίδερο

Πριν από μερικά χρόνια, ο καθηγητής χημείας του Πανεπιστημίου του Αϊντάχο Peter Allen άρχισε να εκφράζει τη γοητεία του για την επιστήμη της μπαταρίας στο YouTube. Σχεδόν αμέσως διαπίστωσε ότι οι θεατές ανταποκρίνονται πραγματικά στο υλικό μπαταρίας, το οποίο τον ενέπνευσε να κατασκευάσει μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία σιδήρου ως εκπαιδευτική επίδειξη. Αυτό το έργο οδήγησε σε περισσότερα από 100 βίντεο επίδειξης που εξηγούν τα βήματα, τα προβλήματα και τα μαθήματα ενός εκπαιδευτικού έργου μπαταρίας.

«Δεν θέλω να παρουσιάσω τον εαυτό μου ως ειδικό για τις μπαταρίες, καθεαυτό», αναγνωρίζει ο καθηγητής, του οποίου το πεδίο εξειδίκευσης είναι η βιολογική χημεία. Κάνοντας τα βίντεο του YouTube, συνειδητοποίησε ότι υπήρχαν πολλά που έπρεπε να διδαχθούν και να μάθουν φτιάχνοντας μια σχετικά φθηνή μπαταρία «φτιάξ' το μόνος σου».

«Μέρη της τεχνολογίας μπαταριών σιδήρου υπάρχουν εδώ και 100 χρόνια, οπότε νομίζω ότι πολλοί άνθρωποι που θα μπορούσαν να ασχοληθούν με αυτό με πολλές ξένες γνώσεις θα έλεγαν απλώς, «Λοιπόν, αυτό είναι το πατημένο έδαφος - δεν υπάρχει τίποτα εκεί», λέει. «Όμως, όντας λίγο αφελής, μπήκα σε αυτό και είπα, «Λοιπόν, ας το δοκιμάσουμε, μπορείτε να βρείτε κάτι ενδιαφέρον ούτως ή άλλως».

Μετά από δύο χρόνια, περισσότερες από 30 παραλλαγές μπαταριών και πολλή βοήθεια από προπτυχιακούς φοιτητές, ο Allen έχει έμαθε πώς να εξισορροπεί τα υγρά και τα στερεά υλικά για να δημιουργήσει μια βέλτιστη ποσότητα ενεργειακής πυκνότητας αλλά με χαμηλή εξουσία.

«Τότε μπήκαμε σε όλο αυτό το ερώτημα: «Αν έχετε μια χημεία που λειτουργεί, αλλά λειτουργεί αργά, πώς την επιταχύνετε;»

Ακόμα κι αν η ομάδα λύσει αυτήν την πρόκληση, η τρέχουσα τεχνολογία υπαγορεύει ότι οι καλύτερες εφαρμογές για μια μπαταρία σιδήρου θα είναι πιθανώς μονάδα αποθήκευσης ενέργειας γειτονιάς μικροδικτύου ή δέσμευση ενέργειας από ηλιακό αγρόκτημα, δεδομένου του απαιτούμενου χώρου και της ταχύτητας της ενέργειας που αποστέλλεται από το μονάδα.

Ποιος θα νικησει?

Θα είναι ποτέ εμπορικά βιώσιμη η μπαταρία σιδήρου του Allen; Δεν είναι σίγουρος ότι τα τρέχοντα ευρήματα της ομάδας του, τα οποία έχουν δημοσιευτεί σε επιστημονικό περιοδικό, θα τα φέρουν εκεί.

Έχοντας εξετάσει πολλές εφευρέσεις μπαταριών, συνειδητοποιεί ότι μόνο μερικές από αυτές θα βγουν στην αγορά. Στην επιστημονική έρευνα, εξηγεί, υπάρχει μια «κοιλάδα του θανάτου».

«Έχετε τη βασική έρευνα που καταλήγει σε κάτι πολύ ωραίο», λέει. «Υπάρχει ένα ερώτημα εάν μπορεί να εμπορευματοποιηθεί. Και δεν υπάρχουν χρήματα για να κάνετε αυτή την ερώτηση». Οι ερευνητές που βρίσκουν αρκετά χρήματα για να απαντήσουν σε αυτήν την αρχική ερώτηση, στη συνέχεια, εάν είναι τυχεροί, θα βρουν επενδυτές που θέλουν να βελτιώσουν και να εμπορευματοποιήσουν την ιδέα. «Αλλά υπάρχει ένα κενό μεταξύ της βασικής έρευνας και της απαραίτητης βελτίωσης για να γίνει διαφημιστική μια μπαταρία».

Το 2019, οι επενδυτές επιχειρηματικών κεφαλαίων βυθίστηκαν 1,7 δισεκατομμύρια δολάρια σε εκκινήσεις μπαταριών, με 1,4 δισεκατομμύρια από αυτά να προορίζονται για έρευνα που σχετίζεται με ιόντα λιθίου. Αλλά οι μπαταρίες ροής, ο ψευδάργυρος-αέρας, το υγρό μέταλλο και πολλές άλλες τεχνολογίες έλαβαν επίσης γραπτούς ελέγχους. Ενώ η αποθήκευση ενέργειας ιόντων λιθίου πιθανότατα θα κυριαρχεί στην αποθήκευση ενέργειας για τουλάχιστον άλλα 10 χρόνια, πολλοί άλλοι ήδη φαίνονται ότι θα βγουν από την κοιλάδα του θανάτου.

Συστάσεις των συντακτών

• Το μέλλον της αειφορίας: Μια ματιά στην επόμενη εξέλιξη της περιβαλλοντικής τεχνολογίας
• Δεκαετίες αργότερα, οι εφευρέτες της μπαταρίας ιόντων λιθίου κέρδισαν το Νόμπελ Χημείας
• Οι μηχανικοί έφτιαξαν έναν νέο τύπο μπαταρίας λιθίου που δεν θα εκραγεί