Íme egy pillantás az akkumulátortechnológia közeljövőjébe

Mire Brent Wilson ezredes az oahui Camp Smith bázisparancsnoka lett, az Öböl- és az iraki háborúban is bevetették, és számos védelmi műveletet vezetett Koszovóban. De az ellenség, amellyel a hawaii bázison szembesült, különbözött attól, akit a tengerészgyalogság helikopterpilótájaként látott a csatatéren. Meg kellett küzdenie az elöregedő energiainfrastruktúrával, amelyet rendszeresen eltapos a trópusi időjárás.

„Az egész elektromos hálózat rutinszerűen leállt, és kiállított minket az üzletből” – magyarázza Wilson, aki akkoriban a Csendes-óceánon belüli védelmi műveletekért felelős csapat tagja volt. – Ezt igazán nem kaphatod meg.

A rossz infrastruktúra elleni harcnak azonban volt egy kihasználatlan szövetségese is: a Napfény. Wilson kampányt indított a telepítéshez napelemek és ipari akkumulátorok, amelyek a működés létfontosságú részeit online tudták tartani vihar esetén. Ez a tapasztalat végül ugródeszkával segítette őt egy második karrier felé: elég nagy akkumulátorok eladása ahhoz, hogy otthonát lekapcsolja a hálózatról.

Az akkumulátor bumm

Az akkumulátorok piaca az elmúlt évtizedekben fellendült, és a következő öt évben további 12%-os növekedés várható. Mordor Intelligencia. 2025-re 90 milliárd dolláros piac lesz. Az elmúlt évtizedben az olyan cégek, mint a Tesla, a Dyson és a Daimler, milliárd dolláros befektetéseket hajtottak végre az iparágban, akár kisebb cégek felvásárlásával, akár új gyárak építésével. Ha abból a klasszikus jelenetből A végzős ma forgatták, a Dustin Hoffman karakterének adott egyszavas karriertanács nem „műanyagok”, hanem „elemek”.

Mi fogja mozgatni ezt a növekedést? Csökken a lítium-ion akkumulátorok ára, a személyi elektronika és az elektromos autók kavarnak rajtuk, és egyebek mellett több háztulajdonos és áramszolgáltató cég, aki nap- és szélenergia tárolására törekszik energia.

Ezzel a növekedéssel sok pazarlás is jár. Sajnos a legtöbb akkumulátor a hulladéklerakókba kerül. A lítium-ion cellák újrahasznosítási aránya borzasztó: kb 5% az Egyesült Államok és az Európai Unió számára. A kutatók keresik a módját annak, hogyan tegyék újrahasznosíthatóbbá a lítium-ion akkumulátorokat, de még ha ez meg is történik, akkor is megváltoztatni azoknak az embereknek és vállalatoknak a szokásait, akik egyáltalán nem hasznosítják újra az elemeket, és a hulladékba dobva dobják ki azokat. szemét.

Ezenkívül egyes szakértők szerint korlátozott mennyiségű lítium áll rendelkezésre, bár vita tárgyát képezi, hogy mennyire korlátozott. Ennek és a kobaltnak (amelyet általában a lítium-ion akkumulátor pozitív elektródájához használnak) bányászata magas környezeti és emberi költség. Ráadásul a kobalt ára jelentősen emelkedett az elmúlt néhány évben.

Mindez felveti a kérdést: vannak olcsóbb, környezetbarátabb akkumulátorok? Használhatnánk valami jobbat? Mit hoz a jövő?

Sokan kutatják a lehetőségeket. Az 1990-es évek óta több mint 300 000 akkumulátorral kapcsolatos szabadalmak benyújtottak (csak 2017-ben több mint 30 000). Míg e találmányok nagy százaléka a lítium-ion technológiához kapcsolódik, rengeteg munka folyik a szilárdtest-elektrolitok, szilícium alapú anódok fejlesztésén, lítium-levegő, grafén és más lehetőségek, amelyek közül néhány környezetbarát, mások pedig környezeti szempontból nem jobbak, mint a lítium-ion, de talán több hatékony.

Bár ezen új akkumulátortípusok többsége valószínűleg nem kerül olyan széles körben forgalomba, mint a lítium-ion (legalábbis az elkövetkező néhány évtizedben), igazán nagy piaci réseket szolgálhatnak ki. Íme néhány a legnépszerűbbek közül.

Lítium-vas-foszfát

Nem sokkal azután, hogy pl. Wilson nyugdíjba vonult a katonaságtól, egy napelemes cég vezetői megkérték, hogy merüljön el az energiatárolási beszerzések során. tudással (a katonaság a világ egyik legnagyobb akkumulátorhasználója), tegyen egy kirándulást a Las Vegas-i CES-re, és tekintse meg az otthon jelenlegi termését akkumulátorok. Az utazás után készített egy óriási táblázatot, hogy elmagyarázza, miért elégedetlen a látott lehetőségekkel. A legjobb akkumulátorok vagy túlárazottak voltak az átlagos lakástulajdonos számára (több mint 30 000 dollár), vagy nem volt elegendő teljesítményük. Aztán dolgozott vele NeoVolta elemsor létrehozásához, amelyek költsége általában nagyon alacsony kétszámjegyű.

A környezettudatos vegyészek gyorsan elmondják ezt lítium-vas-foszfát Az energiatároló csak egy másik típusú lítium-ion akkumulátor, bár van néhány jelentős előnye: olcsóbb, Sűrűbb energia, hosszabb élettartam és nem gyullad meg, ha a belső rész megreped (ez megtörténhet lítium-ionnál akkumulátorok). A hátrányai? Rendkívül nehéz (ezért jobb, ha a hátsó verandán ül, és nem a telefonban), a tokban még mindig van lítium, és az újrahasznosítás útja nem egyértelmű.

Mint ilyen, kevesen alkalmaztak lítium-vas-foszfát akkumulátorokat, így nehéz tudni, milyen jó az újrahasznosítási arányuk. Egyes kutatók azt állítják, hogy könnyebben bonthatók fel alkatrészekre.

Lítium-kén

Egyes szakértők a lítium-kén energiatárolásra tippelnek a lítium-ion helyett, mivel az akkumulátorok általában könnyebbek és energiasűrűbbek. A kén is bőven és olcsóbb.

Mi a különbség a lítium-ion és a lítium-kén akkumulátorok működése között? Linda Nazar professzor, akinek a kanadai Waterloo Egyetem laborja az elmúlt 10 évben lítium-kén akkumulátorokat tanulmányozott, egy parkolóházi hasonlatot használ a különbségek leírására. Míg a lítium-ion akkumulátor töltése és kisütése olyan, mintha az autókat be- és kihajtaná a parkolóházba, lítium-kén akkumulátor „majdnem lebontja az egész parkolóház szerkezetét, majd újjáépíti, amikor újratöltjük a sejt."

A kémiai reakció hasonló ahhoz, ami egy ólom-savas akkumulátorban történik, ahol teljes szerkezeti és kémiai átalakulás megy végbe. Ezeknek az „átalakító” akkumulátoroknak megvannak a maguk előnyei és kihívásai. „Az az előnyük, hogy több elektront tudnak tárolni” – mondja Nazar. Másrészt a kén viszonylag alacsony vezetőképességű, és az akkumulátorok térfogata kisütés után változik. A Waterloo Egyetem laboratóriumának csapata az akkumulátor komponenseit módosítja, hogy növelje a ciklus élettartamát és optimalizálja az akkumulátor reakcióit. Ha az akkumulátorral kapcsolatos néhány kihívás megoldódik, Nazar úgy képzeli, hogy a repülésben és a drónokban is felhasználják őket. A Zephyr repülőgépek és az UAV-k, amelyek a hosszú elektromos meghajtású repülések egy részét teljesítették, gyakran lítium-kén akkumulátorokra támaszkodnak.

Nátrium-ion

Mint kiderült, a periódusos rendszer olyan eleme, amely annyira káros a szívére, nagyon jó az elemek számára. A nátrium-ion akkumulátorok kutatása az 1970-es években kezdődött, nagyjából egy időben a lítium-ion energiatárolással. A két elem szomszédos a periódusos rendszerben. Aztán a lítium-ion felszállt, és a nátrium-ion kevésbé energikusnak számított a következő három évtizedben.

„Úgy tűnik, ez a legjobb dolog a környéken” – mondja Nazar, akinek laboratóriumában nátrium-alapú energiatárolás is működik. „A nátrium-ion akkumulátorok lehetőséget adnak arra, hogy földben gazdag elemekkel – például vasból, mangánból és titánból készült pozitív elektródákkal – sokkal olcsóbb elemekkel dolgozzunk. De ennek a kémiának a működése kihívást jelent, mert egyszerűen nem ugyanaz, mint a lítium.”

Nazar megjegyzi, hogy egyes vállalatok szerint nem érdemes beruházni nátrium-ion akkumulátorokba, mert a lítium-ion akkumulátorok ára folyamatosan csökken.

„Szerintem érdemes sok erőforrást befektetni nátrium-ion akkumulátorokba” – mondja. "Ha van olyan pillanat, amikor a nátrium-ion akkumulátorok nagyon jól működnek, nagy energiasűrűséggel, az óriási előrelépés lenne."

Cukor

Akár hiszi, akár nem, az akkumulátort úgy működtetheti a cukorral, mint egy kisgyermek, aki felpattan a tortára. A Sony először 2007-ben publikált kutatást arról a reakcióról, amelyben a maltodextrin oxidálódik, hogy energia keletkezzen. Bár a cukor akkumulátorok anyag-elérhetősége és környezetbarátsága jóval magasabb, mint a lítium-ion akkumulátoroké, a kémiai reakciójukból származó feszültség lényegesen alacsonyabb. Tehát valószínűleg nem szeretné megetetni Tesláját egy doboz ropogóssal.

Bár az eredeti koncepció először 2007-ben jelent meg, a cukor akkumulátor koncepcióban még maradt némi lé. 2016-ban a Massachusetts Institute of Technology csapata Michael Strano professzor vezetésével megalkotta az úgynevezett Thermopower Wave, amely sokkal hatékonyabb, mint a korábbi cukorelemes inkarnációk, és képes táplálni egy kereskedelmi LED-et fény. Ez egy izgalmas fejlemény, mivel a cukor nagyon bőséges, így ha kitalálunk egy életképes módot ezeknek az akkumulátoroknak az előállítására, feltehetően gyorsan bővíthetjük ezt a technológiát. Sajnos a kereskedelmi forgalomba kerülés valószínűleg több év múlva lesz.

Folyam

Az áramlási akkumulátor felépítése más, mint a legtöbb más: Ahelyett, hogy egy csomó reaktív anyagot egy egységbe csomagolna (a normál akkumulátorokhoz hasonlóan) az áramlási akkumulátorok külön tartályokban tárolják a reaktív folyadékokat, majd a rendszerbe pumpálják őket energia. Hatalmasak és hálózati energiatárolásra tervezték – nem pedig elektronikára és olyan dolgokra, amelyek kényelmesen elférnek a tenyerében.

Az eredeti flow akkumulátor állítólag 1000 fontot nyomott, és a 19. század végén találták ki, hogy okosan erősítse meg a francia léghajó „La France” nevet kapta. A moduláris energiatárolás iránti érdeklődés azóta nőtt és alábbhagyott akkor.

„Úgy gondolom, hogy ami igazán robbanást és érdeklődést vált ki a flow akkumulátorok iránt, az nem annyira az akkumulátorok következő generációjának elkészítése telefonok vagy számítógépek, hanem közepes vagy nagy méretű energiatároló” – magyarázza Timothy Cook, a University of the University kémia professzora. Bivaly. Tehát, hacsak nem steampunk mobiltelefont épít, nem valószínű, hogy magával viszi a mikroszkopikus pumpákkal aktivált áramlási akkumulátorokat. Ahogy azonban egyre több otthon telepít napenergiát, a „személyre szabott energiatárolás” piaca növekedni fog.

Míg a lítium-ion akkumulátorok erősebbé tétele az akkumulátor méretének, a kialakításának növelését jelenti Az áramlási akkumulátorok lehetővé teszik az energia növelését a folyadék méretének növelésével tározók. A San Diego Power and Electric nemrégiben telepített egyet, amely képes táplálni 1000 ház.

„Nem kell megváltoztatnia a membrán egyetlen méretét sem [ahol a kémiai reakció játszódik le], csak hogy hosszabb ideig áramoltassa át rajta a nagyobb térfogatú folyadékot, és ezt az energiát ki tudja vonni” – magyarázza Szakács. "Tehát sokkal egyszerűbb a méretarány növelése vagy kicsinyítése, vagy alapvetően testreszabhatja a telepítéshez."

Az áramlási akkumulátoroknak sokkal több töltési ciklusuk van, mint a legtöbb akkumulátornak. A folyadékok vagy más moduláris alkatrészek cseréjének lehetősége azt jelenti, hogy az akkumulátor potenciális élettartama szinte határozatlan.

Annak ellenére, hogy a vállalatok jelenleg ipari méretű áramlási akkumulátorokat árulnak, Cook professzor még 5-10 évig nem számít széles körű elfogadásra. Elképzel egy napot, amikor az elektromos autók használhatják a technológiát. Cook leír egy autót, amely elhúz egy „benzinkúthoz”, kiüríti az elhasznált elektrolitot, majd újratölti egy frissen feltöltött elektrolittal. Ahelyett, hogy fél órát várna az autó újraindítására, a kerekek percek alatt újra foroghatnak. De természetesen ez a jövő még mindig az úton jár.

Papír

Az akkumulátor papírból való elkészítésének számos előnye van: vékony, rugalmas, és ha megfelelő anyagokból készül, biológiailag lebomlik. A Stanford Egyetem csapata korai papírelemeket fejlesztett ki úgy, hogy vékony lapokat szénnel és ezüsttel telített tintával vont be. A közelmúltban az ökofejek izgatottá váltak a Binghamton Egyetemen kifejlesztett akkumulátorok miatt. Seokheun „Sean” Choi professzor elkészített belőle néhány különböző inkarnációt, köztük egyet, amelyet köpéssel – vagy tudományosabban emberi nyállal –, egy másikat pedig baktériumok hajtanak meg. A Choi és Omowunmi Sadik professzor által kifejlesztett bioakkumulátor legújabb megtestesülése polietilén. (amino)sav és poli (piromellit-dianhidrid-p-fenilén-diamin) az energiaforrások előállításához biológiailag lebomló.

„Hibrid papírakkumulátorunk sokkal magasabb energia-költség arányt mutatott, mint az összes korábban bejelentett papíralapú mikrobiális akkumulátor” – mondta Choi, amikor az innováció bejelentették. Bár ezeknek a környezetbarát papírelemeknek a kereskedelmi felhasználása korlátozott volt az alacsony elektromos teljesítményük miatt (LED lámpát is lehet táplálni körülbelül 20 perc) a kutatók azt remélik, hogy elektronikában, vezeték nélküli eszközökben, orvosi alkalmazásokban, például szívritmus-szabályozókban, repülőgépekben és autók. Choi írt egy tanulmányt arról, hogy egyszer használatos áramforrásként használják ezeket a diagnosztikai eszközökhöz a fejlődő országokban, ahol előfordulhat, hogy nem állnak rendelkezésre akkumulátorok.

Levegő

A levegő valójában lehet elektromos, és nem csak abban a pillanatban, amikor felpattan a nyakörve, miután egy Phil Collins dallam felhangzik a Ferrari hangszóróiból. Cink-levegő akkumulátorok, amelyek körülbelül akkorák, mint a Smarties cukorkák, és az oxigén és a cink reakciójával működnek, évek óta használják hallókészülékekben. A cink olcsó és bőséges is, így a technológia gazdaságos és környezetbarát.

Ennek a technológiának a megalkotása során azonban vannak korlátok újratölthető. Töltés közben dendritkristályok keletkezhetnek, amelyek rövidre zárhatják az akkumulátort. A cink cseréjének módjait tesztelték, például az akkumulátor „mechanikus újratöltését” az anyagok fizikai cseréjével, ezt a megközelítést a szingapúri elektromos buszoknál is kipróbálták. Számos más kísérletet is megkíséreltek lítium-levegő és fém-levegő akkumulátorokkal, különböző fokú energiasűrűséggel, teljesítményszinttel és költséggel. Az elmúlt évtizedben a Tesla több szabadalmat nyújtott be a töltéssel kapcsolatban lítium-levegő akkumulátorok, így lehetőségük messze túlmutat az Ön hallókészülékén.

Vas

Néhány évvel ezelőtt az Idaho Egyetem kémiaprofesszora, Peter Allen a YouTube-on kezdte kifejezni az akkumulátortudomány iránti rajongását. Szinte azonnal rájött, hogy a nézők nagyon reagálnak az akkumulátoros anyagokra, ami arra inspirálta, hogy oktatási bemutatóként egy újratölthető vaselemet építsen. Ez a projekt több mint 100 bemutató videóhoz vezetett, amelyek elmagyarázzák egy oktatási akkumulátorprojekt lépéseit, problémáit és tanulságait.

„Én önmagában nem akarom akkumulátor-szakértőnek mutatkozni” – ismeri el a professzor, akinek szakterülete a biológiai kémia. A YouTube-videók készítésekor rájött, hogy sokat kell tanítani és tanulni egy viszonylag olcsó barkács-akkumulátor megépítésével.

„A vaselem-technológia egyes részei már 100 éve léteznek, úgyhogy azt hiszem, sok ember, aki belevághat ebbe sok külföldi tudás csak azt mondaná: „Nos, ez egy kitaposott talaj – nincs ott semmi” – mondja. "De kicsit naiv lévén belesétáltam, és azt mondtam: 'Nos, próbáljuk ki, úgyis találsz valami érdekeset."

Két év után több mint 30 akkumulátorvariáció és sok segítség az egyetemi hallgatóktól, Allennek van megtanulta, hogyan kell egyensúlyba hozni a folyékony és szilárd anyagokat, hogy optimális mennyiségű energiasűrűséget hozzon létre, de alacsony szinten erő.

Aztán belevágtunk ebbe az egész kérdésbe: „Ha van egy kémiája, amely működik, de lassan működik, hogyan gyorsíthatja fel?”

Még ha a csapat megoldja is ezt a kihívást, a jelenlegi technológia azt diktálja, hogy a vaselemek legjobb alkalmazásai valószínűleg a szomszédságában mikrogrid energiatároló egység vagy napelemes farm energiafelvétel, tekintettel a helyigényre és az abból küldött energia sebességére Mértékegység.

Ki fog nyerni?

Vajon valaha is életképes lesz Allen vaseleme? Nem biztos benne, hogy csapata jelenlegi eredményei, amelyek egy tudományos folyóiratban jelentek meg, eljuttatják őket.

Számos akkumulátor-találmány áttekintése után rájön, hogy ezek közül csak néhány kerül majd a piacra. A tudományos kutatásban – magyarázza – létezik egy „halál völgye”.

„Megvan az alapkutatása, ami valami igazán klassz dolgot eredményez” – mondja. „Kérdés, hogy kereskedelmi forgalomba kerülhet-e. És nincs pénz erre a kérdésre." Azok a kutatók, akik elegendő pénzt találnak a kezdeti kérdés megválaszolásához, szerencsés esetben találnak olyan befektetőket, akik szeretnék finomítani és kereskedelmi forgalomba hozni az ötletet. "De szakadék van az alapkutatás és az akkumulátorreklám elkészítéséhez szükséges finomítás között."

2019-ben elsüllyedtek a kockázati tőkések 1,7 milliárd dollár az akkumulátorindításokba, ebből 1,4 milliárdot a lítium-ionokkal kapcsolatos kutatásokra fordítanak. De az áramlási akkumulátorok, a cink-levegő, a folyékony fém és sok más technológia is írásos ellenőrzést kapott. Míg a lítium-ion energiatárolás valószínűleg még legalább 10 évig uralni fogja az energiatárolást, sokan mások már úgy néznek ki, hogy kijutnak a halál völgyéből.

Szerkesztői ajánlások

• A fenntarthatóság jövője: Egy pillantás a környezetvédelmi technológia következő fejlődésére
• Évtizedekkel később a lítium-ion akkumulátor feltalálói elnyerték a kémiai Nobel-díjat
• A mérnökök új típusú lítium akkumulátort készítettek, amely nem fog felrobbanni