Siin on pilk akutehnoloogia lähitulevikusse

Selleks ajaks, kui kolonel Brent Wilsonist sai Oahu Camp Smithi baasi komandör, oli ta lähetatud Pärsia lahe ja Iraagi sõdadesse ning juhtinud arvukalt kaitseoperatsioone Kosovos. Kuid vaenlane, kellega ta Hawaii baasis silmitsi seisis, erines kõigist, keda ta oli merejalaväe helikopteripiloodina lahinguväljal näinud. Ta pidi võitlema vananeva energiataristuga, mida troopiline ilm regulaarselt tallata.

"Kogu elektrivõrk katkes rutiinselt ja pani meid äritegevusest välja," selgitab Wilson, kes sel ajal kuulus ka kogu Vaikse ookeani kaitseoperatsioonide eest vastutavasse meeskonda. "Seda sa tõesti ei saa."

Kuid võitlusel halva infrastruktuuri vastu oli ka alakasutatud liitlane: päikesevalgus. Wilson alustas installimiseks kampaaniat päikesepaneelid ja tööstuslikud akud, mis võivad tormi ajal operatsiooni olulised osad võrgus hoida. See kogemus aitas tal lõpuks hüppelauaga teisele karjäärile jõuda: müüa piisavalt suuri akusid, et teie kodu võrgust välja lülitada.

Aku buum

Akude turg on viimastel aastakümnetel hüppeliselt tõusnud ja järgmise viie aasta jooksul peaks see suurenema veel 12%. Mordori luure. Aastaks 2025 on see 90 miljardi dollari suurune turg. Viimase kümnendi jooksul on sellised ettevõtted nagu Tesla, Dyson ja Daimler teinud tööstusesse miljardeid dollareid investeeringuid, kas omandades väiksemaid ettevõtteid või ehitades uusi tehaseid. Kui see klassikaline stseen Lõpetaja Täna filmiti, poleks Dustin Hoffmani tegelaskujule antud ühesõnaline karjäärinõuanne "plastik", vaid "patareid".

Mis kogu seda kasvu edasi viib? Liitium-ioonaku hind langeb, personaalelektroonika ja elektriautod vulisevad neist läbi, ja muude tegurite hulgas rohkem majaomanikke ja elektriettevõtteid, kes soovivad säilitada päikese- ja tuuleenergiat energiat.

Koos selle kasvuga kaasneb palju raiskamist. Kahjuks satub enamik akusid prügimäele. Liitiumioonelementide ringlussevõtu määrad on kohutavad: umbes 5% Ameerika Ühendriikide ja Euroopa Liidu jaoks. Teadlased otsivad viise liitiumioonakude taaskasutatavamaks muutmiseks, kuid isegi kui see juhtub, peame ikkagi muuta nende inimeste ja ettevõtete harjumusi, kes akusid üldse ei ringlusse ja visates need ära. prügikast.

Lisaks väidavad mõned eksperdid, et saadaval on piiratud kogus liitiumi, kuigi selle piiratuse üle on vaieldakse. Selle ja koobalti (mida tavaliselt kasutatakse liitium-ioonaku positiivse elektroodi jaoks) kaevandamine toimub kõrge keskkonna- ja inimkulu. Lisaks on koobalti hind viimastel aastatel märkimisväärselt tõusnud.

See kõik tekitab küsimuse: kas seal on odavamaid ja keskkonnasõbralikumaid akusid? Kas me saaksime midagi paremat kasutada? Mida toob tulevik?

Paljud inimesed uurivad võimalusi. Alates 1990. aastatest on üle 300 000 akudega seotud patendid on esitatud (ainuüksi 2017. aastal üle 30 000). Kuigi suur osa neist leiutistest on seotud liitiumioontehnoloogiaga, tehakse palju tööd tahkiselektrolüüdi, ränipõhise anoodi, liitium-õhk, grafeen ja muud võimalused, millest mõned on keskkonnasõbralikud ja teised, mis pole keskkonnasõbralikumad kui liitiumioon, kuid võib-olla rohkem tõhus.

Kuigi enamikku neist uutest akutüüpidest ei turustata tõenäoliselt nii laialdaselt kui liitiumioonakut (vähemalt järgmise paarikümne aasta jooksul), võivad need teenindada tõeliselt suuri nišiturge. Siin on mõned populaarsemad.

Liitiumraudfosfaat

Varsti pärast kol. Wilson läks sõjaväest pensionile, päikesepaneelide ettevõtte juhid palusid tal sukelduda aastatepikkusesse energiasalvestuse omandamisse. teadmisi (sõjavägi on üks maailma suurimaid akukasutajaid), tehke reis CES-ile Las Vegases ja uurige praegust koduvilja patareid. Pärast reisi lõi ta hiiglasliku arvutustabeli, et selgitada, miks ta ei olnud rahul nähtud võimalustega. Parimad akud olid keskmise majaomaniku jaoks ülehinnatud (pluss 30 000 dollarit) või neil polnud piisavalt võimsust. Seejärel töötas ta koos NeoVolta akude rea loomiseks, mis tavaliselt maksavad väga madalate kahekohaliste numbritega.

Keskkonnasõbralikud keemiapead ütlevad teile selle kiiresti liitium-raud-fosfaat energiasalvesti on lihtsalt teist tüüpi liitium-ioonaku, kuigi sellel on mõned märkimisväärsed eelised: see on odavam, sellel on tihedam energia, pikem eluiga ja see ei sütti põlema, kui sisemus rebeneb (mis võib juhtuda liitiumioonide puhul patareid). miinused? See on äärmiselt raske (sellepärast on parem, kui see istub teie tagaverandal, mitte telefonis), korpuses on endiselt liitiumi ja ringlussevõtu tee on ebaselge.

Sellisena on vähesed liitium-raud-fosfaatpatareisid kasutusele võtnud, mistõttu on raske teada, kui hea on nende ringlussevõtu määr. Mõned teadlased väidavad, et neid on lihtsam osadeks jagada.

Liitium-väävel

Mõned eksperdid panustavad liitium-väävlienergia salvestamisele, et asendada liitiumioon, kuna akud kipuvad olema kergemad ja energiatihedamad. Väävlit on ka palju ja odavam.

Mis vahe on liitiumioon- ja liitiumväävelakude tööpõhimõttel? Professor Linda Nazar, kelle labor Kanada Waterloo ülikoolis on liitium-väävelakusid uurinud viimased 10 aastat, kasutab erinevuste kirjeldamiseks parkimismaja analoogiat. Kui liitium-ioonaku laadimine ja tühjendamine on nagu autode parkimismajja sisse- ja väljasõit, liitium-väävelaku "lammutab peaaegu kogu parkimismaja konstruktsiooni ja ehitab selle siis uuesti üles, kui laadite rakk."

Keemiline reaktsioon on sarnane sellega, mis toimub pliiakus, kus toimub täielik struktuurne ja keemiline muundumine. Nendel "konversiooni" akudel on oma eelised ja väljakutsed. "Nende eeliseks on see, et nad suudavad salvestada rohkem elektrone, " ütleb Nazar. Teisest küljest on väävli juhtivus suhteliselt madal ja akude maht muutub pärast tühjenemist. Waterloo ülikooli labori meeskond kohandab aku komponente, et pikendada tsükli eluiga ja optimeerida aku reaktsioone. Kui mõned akuprobleemid lahendatakse, näeb Nazar ette, et neid kasutatakse nii lennunduses kui ka droonides. The Zephyr lennukid ja mehitamata õhusõidukid, mis on sooritanud mõned pikad elektri jõul töötavad lennud, toetuvad sageli liitium-väävelakudele.

Naatriumioon

Nagu selgub, on perioodilise tabeli element, mis on teie südamele nii halb, patareide jaoks üsna hea. Naatriumioonakude uurimine algas 1970. aastatel, umbes samal ajal kui liitiumioonenergia salvestamine. Need kaks elementi on perioodilisuse tabeli naabrid. Seejärel tõusis liitiumioon lendu ja naatriumiooni peeti vähem energilisemaks ka järgmise kolme aastakümne jooksul.

"See tundub olevat parim asi," ütleb Nazar, kelle labor töötab ka naatriumipõhise energiasalvestusega. "Naatriumioonakud annavad võimaluse töötada maapinda sisaldavate elementidega - positiivsete elektroodidega, mis on valmistatud sellistest asjadest nagu raud, mangaan ja titaan - elementidega, mis on palju odavamad. Kuid selle keemia hästi toimima panemine on väljakutse, sest see pole lihtsalt sama, mis liitium.

Nazar märgib, et mõned ettevõtted ei arva, et naatriumioonakudesse investeerida tasub, sest liitiumioonakude hind langeb kogu aeg.

"Ma arvan, et tõenäoliselt tasub investeerida palju ressursse naatriumioonakudesse, " ütleb ta. "Kui on a-ha hetk, kus naatriumioonakud töötavad väga hästi ja suure energiatihedusega, oleks see suur samm edasi."

Suhkur

Uskuge või mitte, aga saate aku suhkruga töötada nagu väikelaps, kes hüppab koogipopsile. Sony avaldas 2007. aastal esmakordselt uuringud reaktsiooni kohta, milles maltodekstriin oksüdeeritakse energia saamiseks. Kuigi suhkrupatareide materjalide kättesaadavus ja keskkonnasõbralikkus on palju suurem kui liitiumioonakudel, on nende keemilise reaktsiooni tulemusena tekkiv pinge märgatavalt madalam. Seega tahate tõenäoliselt jätta oma Teslale kasti krõmpsuviljadega toitmata.

Kuigi esialgne kontseptsioon ilmus esmakordselt 2007. aastal, suhkru aku kontseptsioonis on veel veidi mahla jäänud. 2016. aastal lõi Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi meeskond professor Michael Strano juhtimisel seadme nimega Thermopower Wave, mis on palju tõhusam kui eelmised suhkrupatarei kehastused ja suudab toita kaubanduslikku LED-i valgus. See on põnev areng, sest suhkrut on väga palju, nii et kui suudame välja mõelda elujõulise viisi nende patareide tootmiseks, võiksime seda tehnoloogiat tõenäoliselt kiiresti laiendada. Kahjuks on kaubanduslik kättesaadavus tõenäoliselt mitme aasta pärast.

Voolu

Vooluaku on struktureeritud teistmoodi kui enamik teisi: selle asemel, et pakkida hunnik reaktiivseid materjale ühte seadmesse (nagu tavalised akud) hoiavad vooluakud reaktiivseid vedelikke eraldi mahutites ja pumbavad need seejärel süsteemi loomiseks energiat. Need on ka suured ja mõeldud võrguenergia salvestamiseks – mitte elektroonika ja asjade jaoks, mis mahuvad mugavalt teie peopessa.

Originaal voolu aku väidetavalt kaalus 1000 naela ja leiutati 19. sajandi lõpus, et nutikalt toita. nimega Prantsuse õhulaev "La France". Huvi modulaarse energiasalvestuse vastu on sellest ajast peale kasvanud ja kahanenud siis.

"Ma arvan, et see, mis põhjustab plahvatuse ja huvi vooluakude vastu, ei seisne niivõrd järgmise põlvkonna akude valmistamises telefonid või arvutid, vaid keskmise kuni suuremahuline energiasalvesti,“ selgitab Timothy Cook, keemiaprofessor Timothy Cook ülikoolist. Pühvel. Seega, kui te just aurupunk-mobiiltelefoni ei ehita, on ebatõenäoline, et teil on kaasas mikroskoopiliste pumpadega aktiveeritud vooluakusid. Kuna aga rohkem kodusid paigaldab päikeseenergiat, kasvab isikupärastatud energiasalvestuse turg.

Liitium-ioonakude võimsamaks muutmine tähendab aga aku suuruse, disaini suurendamist voolupatareid võimaldab suurendada energiat, suurendades vedeliku suurust reservuaarid. San Diego Power and Electric paigaldasid hiljuti ühe, mis suudab toita 1000 kodu.

"Te ei pea muutma membraani [kus toimub keemiline reaktsioon] mõõtmeid, teil on lihtsalt suuremat kogust vedelikku pikema aja jooksul läbi voolata ja saate selle energia välja tõmmata,” selgitab Küpseta. "Seega on palju lihtsam suurendada või vähendada või saate seda põhimõtteliselt installiga kohandada."

Vooluakudel on ka palju rohkem laadimistsükleid kui enamikul akudel. Võimalus asendada vedelikke või asendada muid modulaarseid osi tähendab, et aku potentsiaalne eluiga on peaaegu määramatu.

Kuigi ettevõtted müüvad praegu tööstusliku suurusega voolupatareisid, ei oota professor Cook laialdast heakskiitu veel viie kuni kümne aasta jooksul. Ta isegi kujutab ette päeva, mil elektriautod võivad seda tehnikat kasutada. Cook kirjeldab autot, mis sõidab tanklasse, tühjendab kasutatud elektrolüüdi ja täidab seejärel uuesti värskelt laetud elektrolüüdiga. Selle asemel, et oodata pool tundi, kuni auto taaskäivitub, võivad rattad mõne minuti pärast uuesti pöörlema ​​hakata. Kuid loomulikult on see tulevik kaugel.

Paber

Paberist aku valmistamisel on palju eeliseid: see on õhuke, paindlik ja õigetest materjalidest valmistatud aku biolagunev. Stanfordi ülikooli meeskond töötas välja varajased paberpatareid, kattes õhukesed lehed süsiniku ja hõbedaga küllastunud tindiga. Viimasel ajal on ökopead Binghamtoni ülikoolis arendatavate patareide pärast innustunud. Professor Seokheun “Sean” Choi on teinud sellest mõned erinevad kehastused, sealhulgas ühe, mis töötab süljega – või teaduslikumalt öeldes, inimese süljega – ja teise, mida toidavad bakterid. Choi ja professor Omowunmi Sadiki välja töötatud bioaku hiljutine kehastus kasutab polü (amiin)hape ja polü (püromelliiddianhüdriid-p-fenüleendiamiin) energiaallikate valmistamiseks biolagunev.

"Meie hübriidpaberaku võimsuse ja kulude suhe oli palju suurem kui kõigil varem teatatud paberil põhinevatel mikroobiakudel," ütles Choi uuenduse käigus. kuulutati välja. Kuigi nende keskkonnasõbralike paberpatareide kaubanduslik kasutamine on nende madala elektrivõimsuse tõttu piiratud (võib toita LED-valgustit umbes 20 minutit), loodavad teadlased neid kasutada elektroonikas, traadita seadmetes, meditsiinilistes rakendustes, nagu südamestimulaatorid, lennukid ja autod. Choi on kirjutanud artikli nende kasutamise kohta ühekordselt kasutatavate toiteallikatena hoolduspunktide diagnostikavahendite jaoks arengumaades, kus patareid ei pruugi olla kergesti kättesaadavad.

Õhk

Õhk võib tegelikult olla elektriline ja mitte ainult sel hetkel, kui tõmbate krae pärast seda, kui Phil Collinsi lugu teie Ferrari kõlaritest kostab. Tsink-õhk akud, mis on umbes Smartiesi kommide suurused ja töötavad hapniku ja tsingi reaktsioonil, on kuuldeaparaatides kasutusel olnud juba aastaid. Tsink on ka odav ja rikkalikult, muutes tehnoloogia ökonoomseks ja keskkonnasõbralikuks.

Kuid selle tehnoloogia loomisel on piiranguid laetav. Laadimise ajal võivad tekkida dendriidikristallid, mis võivad aku lühistada. Tsingi asendamiseks on katsetatud viise, näiteks aku "mehaaniline laadimine" materjalide füüsilise asendamise teel. Seda lähenemisviisi on proovitud Singapuri elektribussides. Erineva energiatiheduse, võimsustaseme ja maksumusega liitium-õhk- ja metall-õhkpatareidega on tehtud palju muid katseid. Viimase kümnendi jooksul on Tesla esitanud mitmeid laadimisega seotud patente liitium-õhk akud, nii et nende potentsiaal võib ulatuda palju kaugemale kui teie kuuldeaparaadid.

Raud

Mõni aasta tagasi hakkas Idaho ülikooli keemiaprofessor Peter Allen YouTube'is väljendama oma vaimustust akuteaduse vastu. Peaaegu kohe avastas ta, et vaatajad reageerivad tõesti akumaterjalile, mis inspireeris teda hariva demonstratsioonina ehitama laetavat raudakut. See projekt on viinud enam kui 100 esitlusvideoni, mis selgitavad hariva akuprojekti samme, probleeme ja õpetusi.

„Iseenesest ma ei taha end akueksperdina näidata,” tunnistab professor, kelle erialaks on biokeemia. YouTube'i videoid tehes mõistis ta, et suhteliselt odava isetegemise aku ehitamisel on palju õppida ja õppida.

"Osa raudpatareide tehnoloogiast on eksisteerinud 100 aastat, nii et ma arvan, et paljud inimesed, kes võivad sellega kokku puutuda paljud välismaised teadmised ütleksid lihtsalt: "Noh, see on tallatud maa - seal pole midagi leida," ütleb ta. "Kuid olles veidi naiivne, astusin asja sisse ja ütlesin: "Noh, proovime, niikuinii leiate midagi huvitavat.""

Kahe aasta pärast on Allenil rohkem kui 30 akuvarianti ja palju abi bakalaureuseõppe üliõpilastelt õppis, kuidas tasakaalustada vedelaid ja tahkeid materjale, et luua optimaalne energiatihedus, kuid madalal tasemel võimsus.

"Siis jõudsime kogu selle küsimuse juurde: "Kui teil on keemia, mis töötab, kuid töötab aeglaselt, kuidas seda kiirendada?"

Isegi kui meeskond selle väljakutse lahendab, dikteerib praegune tehnoloogia, et raudaku parimad rakendused on tõenäoliselt naabruskonna mikrovõrgu energiasalvestusseade või päikesefarmi energia kogumine, võttes arvesse vajalikku ruumi ja energia kiirust, mida saadetakse üksus.

Kes võidab?

Kas Alleni raudaku on kunagi äriliselt elujõuline? Ta pole kindel, kas tema meeskonna praegused leiud, mis on avaldatud teadusajakirjas, jõuavad need sinna.

Olles läbi vaadanud arvukad akuleiutised, mõistab ta, et vaid vähesed neist jõuavad turule. Ta selgitab, et teadusuuringutes on "surmaorg".

"Teil on alusuuringud, mis toovad välja midagi väga lahedat, " ütleb ta. "Tekib küsimus, kas seda saab kommertsialiseerida. Ja selle küsimuse esitamiseks pole raha." Teadlased, kes leiavad sellele esialgsele küsimusele vastamiseks piisavalt raha, leiavad siis, kui neil veab, investoreid, kes soovivad ideed täiustada ja turustada. "Kuid alusuuringute ja akureklaami tegemiseks vajaliku rafineerimise vahel on lõhe."

2019. aastal uppusid riskikapitalistid 1,7 miljardit dollarit aku käivitamiseks, millest 1,4 miljardit läheb liitiumioonidega seotud uuringutele. Kuid vooluakud, tsink-õhk, vedel metall ja paljud muud tehnoloogiad said ka kirjaliku kontrolli. Kuigi liitiumioonenergia salvestamine domineerib energia salvestamises tõenäoliselt veel vähemalt 10 aastat, näivad paljud teised juba nii, et nad pääsevad surmaorust välja.

Toimetajate soovitused

• Jätkusuutlikkuse tulevik: pilk keskkonnatehnoloogia järgmisele arengule
• Aastakümneid hiljem võidavad liitiumioonaku leiutajad Nobeli keemiaauhinna
• Insenerid on valmistanud uut tüüpi liitiumaku, mis ei plahvata