Tässä on kurkistus akkuteknologian lähitulevaisuuteen

Kun eversti Brent Wilsonista tuli tukikohdan komentaja Oahun Camp Smithissä, hän oli ollut mukana Persianlahden ja Irakin sodissa ja johti lukuisia puolustusoperaatioita Kosovossa. Mutta vihollinen, jonka hän kohtasi Havaijin tukikohdassa, oli erilainen kuin kukaan, jonka hän oli nähnyt taistelukentällä merijalkaväen helikopterin lentäjänä. Hän joutui kamppailemaan ikääntyvän energiainfrastruktuurin kanssa, jota trooppinen sää tallaa säännöllisesti.

"Koko sähköverkko oli romahtamassa rutiininomaisesti ja lopetti toimintamme", selittää Wilson, joka oli tuolloin myös osa tiimiä, joka vastasi puolustusoperaatioista koko Tyynenmeren alueella. "Et todellakaan voi saada sitä."

Mutta taistelussa huonoa infrastruktuuria vastaan ​​oli myös vajaakäyttöinen liittolainen: Sunlight. Wilson aloitti asennuskampanjan aurinkopaneelit ja teollisuusakut, jotka voivat pitää toiminnan tärkeät osat verkossa myrskyjen iskiessä. Tämä kokemus auttoi häntä lopulta toiselle uralle: myymään tarpeeksi suuria akkuja, jotta kotisi virta katkeaa.

Akun puomi

Akkumarkkinat ovat nousseet viimeisten vuosikymmenten aikana, ja sen odotetaan kasvavan vielä 12 % seuraavan viiden vuoden aikana. Mordorin tiedustelu. Vuoteen 2025 mennessä markkinat ovat 90 miljardia dollaria. Viimeisen vuosikymmenen aikana yritykset, kuten Tesla, Dyson ja Daimler, ovat kaikki tehneet miljardin dollarin investointeja alalle joko ostamalla pienempiä yrityksiä tai rakentamalla uusia tehtaita. Jos tuo klassinen kohtaus Valmistunut Kuvattiin tänään, Dustin Hoffmanin hahmolle annetut yhden sanan uraohjeet eivät olisi "muoveja", vaan "paristoja".

Mikä saa kaiken tämän kasvun liikkeelle? Litiumioniakkujen hinta laskee, henkilökohtainen elektroniikka ja sähköautot pyörivät niiden läpi, ja muiden tekijöiden lisäksi yhä useammat asunnonomistajat ja sähköyhtiöt, jotka haluavat varastoida aurinkoa ja tuulta energiaa.

Kasvun mukana tulee paljon hukkaa. Valitettavasti useimmat akut päätyvät kaatopaikoille. Litiumionikennojen kierrätysasteet ovat hirvittäviä: Noin 5% Yhdysvaltoihin ja Euroopan unioniin. Tutkijat etsivät tapoja tehdä litiumioniakuista kierrätettäviä, mutta vaikka näin tapahtuisi, meidän on silti muuttaa ihmisten ja yritysten tottumuksia, jotka eivät kierrätä paristoja ollenkaan ja hävittää ne heittämällä ne roskakoriin.

Lisäksi jotkut asiantuntijat sanovat, että saatavilla on rajoitettu määrä litiumia, vaikka kuinka rajallinen määrä on keskustelunalainen. Sen ja koboltin (jota käytetään yleisesti litiumioniakun positiivisessa elektrodissa) louhinta tapahtuu korkeissa ympäristö- ja inhimilliset kustannukset. Lisäksi koboltin hinta on noussut huomattavasti viime vuosina.

Tämä kaikki herättää kysymyksen: Onko olemassa halvempia, ympäristöystävällisempiä akkuja? Voisimmeko käyttää jotain parempaa? Mitä tulevaisuus tuo tullessaan?

Monet ihmiset tutkivat mahdollisuuksia. 1990-luvulta lähtien yli 300 000 akkuihin liittyvät patentit on jätetty (yli 30 000 pelkästään vuonna 2017). Vaikka suuri osa näistä keksinnöistä liittyy litiumioniteknologiaan, paljon työtä tehdään solid-state-elektrolyytin, piipohjaisen anodin, litium-ilma, grafeeni ja muut vaihtoehdot, joista osa on ympäristöystävällisiä ja toiset, jotka eivät ole ympäristön kannalta parempia kuin litium-ioni, mutta mahdollisesti enemmän tehokas.

Vaikka useimpia näistä uusista akkutyypeistä ei todennäköisesti markkinoida yhtä laajasti kuin litiumioniakkuja (ainakin seuraavien parin vuosikymmenen aikana), ne voivat palvella todella suuria markkinarakoja. Tässä on joitain suosituimmista.

Litiumrautafosfaatti

Pian sen jälkeen, kun Col. Wilson jäi eläkkeelle armeijasta, aurinkopaneeliyhtiön johtajat pyysivät häntä sukeltamaan vuosien energian varastointihankintaan. tietoa (armeija on yksi maailman suurimmista akun käyttäjistä), tee matka CES: iin Las Vegasiin ja tutki kodin nykyistä satoa paristot. Matkan jälkeen hän loi jättimäisen laskentataulukon selittääkseen, miksi hän oli tyytymätön näkemiinsä vaihtoehtoihin. Parhaat akut olivat joko ylihinnoiteltuja keskimääräiselle asunnonomistajalle (yli 30 000 dollaria) tai niissä ei ollut tarpeeksi tehoa. Sitten hän työskenteli kanssa NeoVolta luodaksesi sarjan akkuja, jotka tyypillisesti maksavat erittäin alhaisia ​​kaksinumeroisia.

Ympäristömieliset kemikaalipäät kertovat sen sinulle nopeasti litium-rauta-fosfaatti energian varastointi on vain toinen litiumioniakkutyyppi, vaikkakin sillä on joitain merkittäviä etuja: Se on halvempi, siinä on tiheämpää energiaa, pidempi käyttöikä ja se ei syty tuleen, jos sisäosat repeävät (mitä voi tapahtua litium-ionin kanssa paristot). Huonot puolet? Se on erittäin painava (siksi on parempi, jos se istuu takakuistillasi eikä puhelimessasi), kotelossa on edelleen litiumia, ja kierrätysreitti on epäselvä.

Sellaisenaan harvat ovat ottaneet käyttöön litium-rauta-fosfaattiakkuja, joten on vaikea tietää, kuinka hyvä niiden kierrätysaste on. Jotkut tutkijat väittävät, että ne on helpompi jakaa osiin.

Litium-rikki

Jotkut asiantuntijat lyövät vetoa litium-rikkienergian varastoinnista litiumionien korvaamiseen, koska akut ovat yleensä kevyempiä ja energiatiheämpiä. Rikkiä on myös runsaasti ja halvempaa.

Mitä eroa on litiumioniakkujen ja litiumrikkiakkujen toiminnan välillä? Professori Linda Nazar, jonka laboratorio Kanadan Waterloon yliopistossa on tutkinut litium-rikkiakkuja viimeisen 10 vuoden ajan, käyttää parkkihallin analogiaa kuvaamaan eroja. Litiumioniakun lataaminen ja purkaminen on kuin autojen ajamista pysäköintihalliin ja sieltä ulos, litium-rikkiakku "melkein repii koko parkkihallin rakenteen ja rakentaa sen sitten uudelleen, kun lataat solu."

Kemiallinen reaktio on samankaltainen kuin lyijyakussa, jossa tapahtuu täydellinen rakenteellinen ja kemiallinen muutos. Näillä "muunnosakuilla" on omat etunsa ja haasteensa. "Niillä on se etu, että ne pystyvät varastoimaan enemmän elektroneja", Nazar sanoo. Toisaalta rikillä on suhteellisen alhainen johtavuus ja akkujen tilavuus muuttuu purkamisen jälkeen. Waterloon yliopiston laboratorion tiimi säätää akun komponentteja pidentääkseen syklin käyttöikää ja optimoidakseen akun reaktioita. Jos osa akun haasteista ratkeaa, Nazar kuvittelee niiden käytettävän ilmailussa sekä droneissa. The Zephyr lentokoneet ja UAV: t, jotka ovat lentäneet osan pitkistä sähkökäyttöisistä lennoista, käyttävät usein litium-rikkiakkuja.

Natrium-ioni

Kuten käy ilmi, jaksollisen taulukon elementti, joka on niin huono sydämellesi, on melko hyvä paristoille. Natrium-ioni-akkujen tutkimus alkoi 1970-luvulla, suunnilleen samaan aikaan kuin litiumionienergian varastointi. Nämä kaksi elementtiä ovat naapureita jaksollisessa taulukossa. Sitten litium-ioni lähti nousuun ja natrium-ionia pidettiin vähemmän energisenä myös seuraavan kolmen vuosikymmenen ajan.

"Se näyttää parhaalta", sanoo Nazar, jonka laboratorio työskentelee myös natriumpohjaisen energian varastoinnin kanssa. "Natriumioniakut antavat mahdollisuuden työskennellä runsaasti maaperää sisältävien elementtien - positiivisten elektrodien, kuten raudasta, mangaanista ja titaanista - kanssa - elementtien kanssa, jotka ovat paljon halvempia. Mutta sen kemian saaminen toimimaan hyvin on haaste, koska se ei yksinkertaisesti ole sama asia kuin litium."

Nazar huomauttaa, että joidenkin yritysten mielestä natrium-ioniakkuihin ei kannata investoida, koska litiumioniakkujen hinta laskee koko ajan.

"Mielestäni kannattaa todennäköisesti investoida paljon resursseja natrium-ioni-akkuihin", hän sanoo. "Jos on a-ha hetki, jolloin natrium-ioni-akut toimivat todella hyvin ja korkealla energiatiheydellä, se olisi valtava askel eteenpäin."

Sokeri

Usko tai älä, mutta voit käyttää akkua sokerilla kuin taapero hyppäsi kakkupoppiin. Sony julkaisi ensimmäisen kerran vuonna 2007 tutkimuksen reaktiosta, jossa maltodekstriini hapettuu energiaksi. Vaikka sokeriakkujen materiaalin saatavuus ja ympäristöystävällisyys on paljon litiumioniakkuja korkeampi, on niiden kemiallisesta reaktiosta muodostuva jännite huomattavasti pienempi. Joten, sinun kannattaa luultavasti jättää syöttämättä Teslallesi laatikko muruja.

Vaikka alkuperäinen konsepti ilmestyi ensimmäisen kerran vuonna 2007, sokeri akku konseptissa on vielä mehua jäljellä. Vuonna 2016 professori Michael Stranon johtama Massachusetts Institute of Technology -tiimi loi laitteen nimeltä Thermopower Wave, joka on paljon tehokkaampi kuin aikaisemmat sokeriakkujen inkarnaatiot ja voi käyttää kaupallista LEDiä valoa. Tämä on jännittävä kehitys, koska sokeria on erittäin runsaasti, joten jos voimme keksiä toimivan tavan valmistaa näitä akkuja, voisimme oletettavasti skaalata tätä tekniikkaa nopeasti. Valitettavasti kaupallinen saatavuus on todennäköisesti muutaman vuoden kuluttua.

Virtaus

Virtausakku on rakenteeltaan erilainen kuin useimmat muut: Sen sijaan, että pakattaisiin joukko reaktiivisia materiaaleja yhteen yksikköön (kuten normaalit akut), virtausakut varastoivat reaktiiviset nesteet erillisiin säiliöihin ja pumppaavat ne sitten järjestelmään luomaan energiaa. Ne ovat myös valtavia, ja ne on suunniteltu verkkoenergian varastointiin – ei elektroniikkaan tai asioihin, jotka mahtuvat mukavasti kämmenelle.

Alkuperäinen virtausakku kuulemma painoi 1000 kiloa ja se keksittiin 1800-luvun lopulla ottamaan voimaa älykkäästi nimeltään ranskalainen ilmalaiva "La France". Kiinnostus modulaarista energian varastointia kohtaan on kasvanut ja vähentynyt sen jälkeen sitten.

"Mielestäni se, mikä todella aiheuttaa räjähdyksen ja kiinnostuksen virtausakkuihin, ei ole niinkään seuraavan sukupolven akkujen valmistaminen puhelimet tai tietokoneet, mutta keskisuuren tai suuren mittakaavan energian varastointi”, selittää Timothy Cook, kemian professori yliopistosta. Buffalo. Joten ellet rakenna steampunk-matkapuhelinta, on epätodennäköistä, että kuljetat mukanasi mikroskooppisilla pumpuilla aktivoituja virtausakkuja. Kuitenkin, kun yhä useammat kodit asentavat aurinkovoimaa, "henkilökohtaisen energian" varastoinnin markkinat kasvavat.

Vaikka litiumioniakkujen tehostaminen tarkoittaa akun koon, suunnittelun kasvattamista virtausparistot mahdollistavat energian lisäämisen lisäämällä nesteen kokoa säiliöt. San Diego Power and Electric asensi äskettäin sellaisen, joka voi toimia 1000 kotia.

"Sinun ei tarvitse muuttaa mitään kalvon [jossa kemiallinen reaktio tapahtuu] mittoja, sinulla on vain virtaamaan suurempi määrä nestettä sen läpi pidempään ja voit ottaa sen energian pois”, selittää Kokki. "Joten sitä on paljon paljon helpompi skaalata ylös tai pienentää tai voit periaatteessa mukauttaa sen asennukseen."

Flow-akuilla on myös paljon enemmän latausjaksoja kuin useimmilla akuilla. Mahdollisuus vaihtaa nesteitä tai vaihtaa muita modulaarisia osia tarkoittaa, että akun potentiaalinen käyttöikä on lähes rajoittamaton.

Vaikka yritykset myyvät tällä hetkellä teollisuuskokoisia virtausakkuja, professori Cook ei odota laajaa hyväksyntää vielä viiteen kymmeneen vuoteen. Hän jopa kuvittelee päivän, jolloin sähköautot voisivat käyttää tekniikkaa. Cook kuvailee autoa, joka ajaa "huoltoasemalle", joka purkaa käytetyn elektrolyytin ja täyttää sitten vasta ladatulla. Sen sijaan, että odottaisit puoli tuntia auton käynnistymistä uudelleen, pyörät voivat pyöriä uudelleen muutamassa minuutissa. Mutta se tulevaisuus on tietysti tiellä.

Paperi

Akun valmistamisella paperista on monia etuja: se on ohut, joustava ja oikeista materiaaleista valmistettuna biohajoava. Stanfordin yliopiston tiimi kehitti varhaisia ​​paperiakkuja päällystämällä ohuita levyjä hiili- ja hopeakyllästetyllä musteella. Viime aikoina ekopäät ovat innostuneet Binghamtonin yliopistossa kehitettävistä akuista. Professori Seokheun "Sean" Choi on tehnyt siitä muutamia erilaisia ​​inkarnaatioita, mukaan lukien yhden sylkellä - tai tieteellisemmin sanottuna ihmisen syljellä - ja toisen bakteerilla. Choin ja professori Omowunmi Sadikin kehittämä bioakku äskettäin inkarnaatiossa käyttää polyesteriä. (amiini)happo ja poly(pyromelliittidianhydridi-p-fenyleenidiamiini) energialähteiden valmistamiseksi biohajoava.

"Hybridipaperiakkumme osoitti paljon korkeampaa teho-kustannussuhdetta kuin kaikki aiemmin raportoidut paperipohjaiset mikrobiakut", Choi sanoi innovaation yhteydessä. ilmoitettiin. Vaikka näiden ympäristöystävällisten paperiakkujen kaupallista käyttöä on rajoitettu niiden alhaisen sähkötehon vuoksi (LED-valoa voi käyttää noin 20 minuuttia), tutkijat toivovat näkevänsä niitä elektroniikassa, langattomissa laitteissa, lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten sydämentahdistimissa, lentokoneissa ja autot. Choi on kirjoittanut paperin niiden käyttämisestä kertakäyttöisinä virtalähteinä hoitopisteiden diagnostisissa työkaluissa kehitysmaissa, joissa paristoja ei ehkä ole helposti saatavilla.

ilmaa

Ilma voi itse asiassa olla sähköistä, eikä vain sillä hetkellä, kun painat kauluksesi sen jälkeen, kun Phil Collins -kappale kuuluu Ferrarisi kaiuttimista. Sinkki-ilma-akut, jotka ovat suunnilleen Smarties-karkkien kokoisia ja saavat voimansa hapen ja sinkin välisestä reaktiosta, on käytetty kuulokojeissa jo vuosia. Sinkki on myös halpaa ja runsaasti, mikä tekee tekniikasta taloudellisen ja ympäristöystävällisen.

Mutta tämän tekniikan tekemisessä on rajoituksia ladattava. Dendriittikiteitä voi muodostua latauksen aikana ja aiheuttaa akun oikosulun. Sinkin korvaamiseksi on testattu tapoja, kuten akun "mekaaninen lataaminen" vaihtamalla materiaalit fyysisesti, mikä on Singaporen sähköbusseissa kokeiltu lähestymistapa. Lukuisia muita kokeita on yritetty litium-ilma- ja metalli-ilma-akuilla, joiden energiatiheys, tehotaso ja hinta vaihtelevat. Tesla on viimeisen vuosikymmenen aikana hakenut useita lataukseen liittyviä patentteja litium-ilma-akut, joten niiden potentiaali saattaa olla kaukana kuulokojeistasi.

Rauta

Muutama vuosi sitten Idahon yliopiston kemian professori Peter Allen alkoi ilmaista kiinnostuksensa akkutieteeseen YouTubessa. Melkein heti hän huomasi, että katsojat todella reagoivat akkumateriaaliin, mikä inspiroi häntä rakentamaan ladattavan rauta-akun opetukseksi. Tämä projekti on johtanut yli 100 esittelyvideoon, joissa selitetään opetusakkuprojektin vaiheita, ongelmia ja oppimista.

"En halua esitellä itseäni akkuasiantuntijana sinänsä", myöntää professori, jonka osaamisalue on biologinen kemia. YouTube-videoita tehdessään hän tajusi, että suhteellisen halvan tee-se-itse-akun rakentamisessa oli paljon opetettavaa ja opittavaa.

"Osia rautaparistoteknologiasta on ollut olemassa 100 vuotta, joten uskon, että monet ihmiset, jotka saattavat joutua tähän monet ulkomaiset tiedot sanoisivat vain: "No, se on tallattua maata - sieltä ei löydy mitään", hän sanoo. "Mutta koska olen hieman naiivi, kävelin siihen ja sanoin: "No, kokeillaanpa, voit löytää jotain mielenkiintoista joka tapauksessa."

Kahden vuoden jälkeen Allenilla on yli 30 akkumuunnelmaa ja paljon apua perustutkinto-opiskelijoilta oppii tasapainottamaan nestemäisiä ja kiinteitä materiaaleja optimaalisen energiatiheyden luomiseksi, mutta pienellä energiatiheydellä tehoa.

"Sitten päädyimme tähän kysymykseen: "Jos sinulla on kemia, joka toimii, mutta toimii hitaasti, kuinka nopeuttaa sitä?""

Vaikka tiimi ratkaisisikin haasteen, nykyinen tekniikka sanelee, että rauta-akun parhaat sovellukset ovat todennäköisesti naapuruston mikrogrid-energian varastointiyksikkö tai aurinkoenergian talteenotto, kun otetaan huomioon tarvittava tila ja osoitteesta lähetettävän energian nopeus yksikkö.

Kuka voittaa?

Onko Allenin rauta-akku koskaan kaupallisesti kannattava? Hän ei ole varma, että hänen tiiminsä nykyiset havainnot, jotka on julkaistu tieteellisessä lehdessä, vievät ne sinne.

Tarkasteltuaan lukuisia akkukeksintöjä hän ymmärtää, että vain harvat niistä tulevat markkinoille. Tieteellisessä tutkimuksessa hän selittää, että siellä on "kuoleman laakso".

"Sinulla on perustutkimus, joka tuottaa jotain todella siistiä", hän sanoo. "On kysymys, voidaanko se kaupallistaa. Eikä ole rahaa kysyä tätä kysymystä." Tutkijat, jotka löytävät tarpeeksi rahaa vastatakseen tähän alkuperäiseen kysymykseen, löytävät sitten, jos he ovat onnekkaita, sijoittajia, jotka haluavat jalostaa ja kaupallistaa ideaa. "Mutta perustutkimuksen ja paristomainoksen tekemiseen tarvittavan jalostuksen välillä on kuilu."

Vuonna 2019 pääomasijoittajat upposivat 1,7 miljardia dollaria akkujen käynnistämiseen, josta 1,4 miljardia menee litiumionitutkimukseen. Mutta virtausakut, sinkki-ilma, nestemäinen metalli ja monet muut tekniikat saivat myös kirjalliset tarkastukset. Vaikka litiumionienergian varastointi hallitsee energian varastointia todennäköisesti vielä ainakin 10 vuotta, monet muut näyttävät jo pääsevän ulos kuolemanlaaksosta.

Toimittajien suositukset

• Kestävän kehityksen tulevaisuus: Katsaus ympäristötekniikan seuraavaan kehitykseen
• Vuosikymmeniä myöhemmin litiumioniakun keksijät voittivat kemian Nobelin
• Insinöörit ovat tehneet uudentyyppisen litiumakun, joka ei räjähdy