Štai žvilgsnis į artimiausią baterijų technologijos ateitį

Kol pulkininkas Brentas Wilsonas tapo bazės vadu Oahu stovykloje Smith, jis buvo dislokuotas Persijos įlankos ir Irako karuose ir vadovavo daugeliui gynybos operacijų Kosove. Tačiau priešas, su kuriuo jis susidūrė Havajų bazėje, skyrėsi nuo visų, kuriuos jis matė mūšio lauke būdamas jūrų pėstininkų sraigtasparnio pilotu. Jam teko kovoti su senstančia energetikos infrastruktūra, kurią nuolat trypia atogrąžų orai.

„Visas elektros tinklas nuolat dingdavo ir išmušdavo mus iš verslo“, – aiškina Wilsonas, kuris tuo metu taip pat buvo komandos, atsakingos už gynybos operacijas visame Ramiajame vandenyne, dalis. „Tu to tikrai negali turėti“.

Tačiau kova su bloga infrastruktūra taip pat turėjo nepakankamai išnaudotą sąjungininką: Saulės šviesą. Wilsonas pradėjo diegimo kampaniją saulės elementai ir pramoninės baterijos, kurios galėtų užtikrinti gyvybiškai svarbias operacijos dalis, kai užklumpa audros. Ši patirtis galiausiai padėjo jam pereiti prie antrosios karjeros: parduoti pakankamai dideles baterijas, kad jūsų namas būtų išjungtas iš tinklo.

Akumuliatoriaus strėlė

Akumuliatorių rinka per pastaruosius kelis dešimtmečius išaugo ir per ateinančius penkerius metus turėtų padidėti dar 12 proc. Mordoro žvalgyba. Iki 2025 m. rinka bus 90 mlrd. Per pastarąjį dešimtmetį visos įmonės, tokios kaip Tesla, Dyson ir Daimler, investavo milijardus dolerių į pramonę, įsigydamos mažesnes įmones arba statydamos naujas gamyklas. Jeigu ta klasikinė scena iš Absolventas buvo nufilmuoti šiandien, Dustino Hoffmano personažui duotas karjeros patarimas būtų ne „plastikas“, o „baterijos“.

Kas paskatins visą tą augimą? Ličio jonų baterijų kaina mažėja, per jas rieda asmeninė elektronika ir elektromobiliai, ir, be kitų veiksnių, daugiau namų savininkų ir elektros energijos įmonių, norinčių saugoti saulės ir vėjo energiją energijos.

Kartu su tuo augimu atsiranda daug atliekų. Deja, dauguma baterijų patenka į sąvartynus. Ličio jonų elementų perdirbimo rodikliai yra siaubingi: apie 5% JAV ir Europos Sąjungai. Tyrėjai randa būdų, kaip padaryti ličio jonų baterijas labiau perdirbamas, tačiau net jei taip atsitiks, vis tiek turime pakeisti žmonių ir korporacijų, kurios visiškai neperdirba baterijų, įpročius ir išmeskite jas į šiukšlių.

Be to, kai kurie ekspertai teigia, kad yra ribotas ličio kiekis, tačiau dėl jo trūkumo galima diskutuoti. Jo ir kobalto (kuris dažniausiai naudojamas ličio jonų akumuliatoriaus teigiamajam elektrodui) gavyba yra labai pavojinga aplinkai ir žmogiškųjų išlaidų. Be to, per pastaruosius kelerius metus kobalto kaina labai išaugo.

Visa tai kelia klausimą: ar yra pigesnių, ekologiškesnių baterijų? Ar galėtume panaudoti ką nors geresnio? Kokia ateitis?

Daugelis žmonių tiria galimybės. Nuo 1990-ųjų daugiau nei 300 tūkst su baterijomis susiję patentai buvo pateikti (vien 2017 m. daugiau nei 30 tūkst.). Nors didelė dalis šių išradimų yra susiję su ličio jonų technologija, daug dirbama su kietojo kūno elektrolitu, silicio pagrindu veikiančiu anodu, ličio-oro, grafeno ir kitų variantų, kai kurie iš jų yra ekologiški, o kiti yra ekologiškesni už ličio jonus, bet galbūt labiau efektyvus.

Nors dauguma šių naujų baterijų tipų tikriausiai nebus parduodami taip plačiai kaip ličio jonų (bent jau per ateinančius porą dešimtmečių), jie gali tarnauti tikrai didelėms nišinėms rinkoms. Štai keletas populiariausių.

Ličio geležies fosfatas

Netrukus po plk. Wilsonas išėjo į pensiją iš kariuomenės, saulės baterijų bendrovės vadovai paprašė jo pasinerti į energijos kaupimo metus. žinių (kariškiai yra viena didžiausių baterijų vartotojų pasaulyje), nuvykite į CES Las Vegase ir apžiūrėkite dabartinį namų derlių baterijos. Po kelionės jis sukūrė milžinišką skaičiuoklę, kad paaiškintų, kodėl jis nepatenkintas matomomis galimybėmis. Geriausios baterijos buvo arba per brangios vidutiniam namų savininkui (30 000 USD plius), arba neturėjo pakankamai energijos. Tada jis dirbo su NeoVolta sukurti baterijų liniją, kurios paprastai kainuoja labai mažais dviženkliais skaitmenimis.

Aplinką tausojantys chemijos vadovai greitai tai pasakys ličio-geležies fosfatas energijos kaupimas yra tik dar vienas ličio jonų akumuliatoriaus tipas, nors ir turintis tam tikrų pranašumų: jis pigesnis, turi tankesnė energija, ilgesnis tarnavimo laikas ir neužsidegs, jei plyš vidus (tai gali atsitikti su ličio jonais baterijas). Minusai? Jis itin sunkus (todėl geriau, jei jis sėdi ant galinės verandos, o ne telefone), dėkle vis dar yra ličio, o perdirbimo kelias neaiškus.

Todėl nedaugelis naudoja ličio-geležies-fosfato baterijas, todėl sunku žinoti, koks geras jų perdirbimo greitis. Kai kurie tyrinėtojai teigia, kad juos lengviau suskaidyti į sudedamąsias dalis.

Ličio-siera

Kai kurie ekspertai tikisi, kad ličio ir sieros energijos kaupimas pakeis ličio jonus, nes baterijos paprastai yra lengvesnės ir energijos tankesnės. Sieros taip pat gausu ir pigiau.

Kuo skiriasi ličio jonų ir ličio sieros baterijų veikimo principas? Profesorė Linda Nazar, kurios laboratorija Kanados Vaterlo universitete pastaruosius 10 metų tyrinėjo ličio ir sieros baterijas, skirtumams apibūdinti naudoja automobilių stovėjimo garažo analogiją. Ličio jonų akumuliatoriaus įkrovimas ir iškrovimas prilygsta automobilių važiavimui į stovėjimo garažą ir iš jo, ličio ir sieros akumuliatorius „beveik išardo visą automobilių stovėjimo garažo konstrukciją, o tada atstato ją, kai įkraunate ląstelė."

Cheminė reakcija yra panaši į tai, kas vyksta švino-rūgšties akumuliatoriuje, kur vyksta visiška struktūrinė ir cheminė transformacija. Šios „konversijos“ baterijos turi savų privalumų ir iššūkių. „Jie turi pranašumą, nes gali saugoti daugiau elektronų“, – sako Nazaras. Kita vertus, sieros laidumas yra palyginti mažas, o akumuliatorių tūris po išsikrovimo kinta. Vaterlo universiteto laboratorijos komanda tobulina akumuliatoriaus komponentus, kad padidintų ciklo tarnavimo laiką ir optimizuotų akumuliatoriaus reakcijas. Jei kai kurie akumuliatoriaus iššūkiai bus išspręsti, Nazaras numato, kad jie bus naudojami aviacijoje ir dronuose. The Zefyro lėktuvai ir UAV, kurie įvykdė kai kuriuos ilgus elektra varomus skrydžius, dažnai remiasi ličio sieros baterijomis.

Natrio jonai

Pasirodo, periodinės lentelės elementas, kuris taip kenkia jūsų širdžiai, yra gana geras baterijoms. Natrio jonų baterijų tyrimai buvo pradėti aštuntajame dešimtmetyje, maždaug tuo pačiu metu kaip ir ličio jonų energijos kaupimas. Du elementai yra periodinės lentelės kaimynai. Tada ličio jonai pakilo, o natrio jonai buvo laikomi mažiau energingais – taip pat veikė kitus tris dešimtmečius.

„Atrodo, kad tai geriausias dalykas“, - sako Nazaras, kurio laboratorija taip pat dirba su natrio pagrindu veikiančiu energijos kaupimu. „Natrio jonų baterijos suteikia galimybę dirbti su daug žemėje esančiais elementais – teigiamais elektrodais, pagamintais iš geležies, mangano ir titano – elementų, kurių kaina yra daug mažesnė. Tačiau užtikrinti, kad ši chemija veiktų gerai, yra iššūkis, nes tai nėra tas pats, kas litis.

Nazar pažymi, kad kai kurios įmonės nemano, kad verta investuoti į natrio jonų baterijas, nes ličio jonų baterijų kaina nuolat mažėja.

„Manau, kad tikriausiai verta investuoti daug išteklių į natrio jonų baterijas“, – sako ji. „Jei yra akimirka, kai natrio jonų baterijos veikia tikrai gerai ir turi didelį energijos tankį, tai būtų didžiulis žingsnis į priekį.

Cukrus

Tikėkite ar ne, akumuliatorių galite paleisti su cukrumi, kaip mažylis, užšokęs ant pyragaičių. „Sony“ pirmą kartą paskelbė tyrimą apie reakciją, kurios metu maltodekstrinas oksiduojamas ir sukuriama energija 2007 m. Nors cukraus baterijų medžiagų prieinamumas ir ekologiškumas yra daug didesnis nei ličio jonų, jų cheminės reakcijos sukuriama įtampa yra žymiai mažesnė. Taigi, tikriausiai norėsite nemaitinti savo Teslai dėžute traškių uogų.

Nors originali koncepcija pirmą kartą pasirodė 2007 m., cukraus baterija koncepcijoje dar liko šiek tiek sulčių. 2016 m. Masačusetso technologijos instituto komanda, vadovaujama profesoriaus Michaelio Strano, sukūrė įrenginį, pavadintą Thermopower Wave, kuri yra daug efektyvesnė nei ankstesni cukraus baterijų įsikūnijimai ir gali maitinti komercinį šviesos diodą šviesos. Tai jaudinantis pokytis, nes cukraus yra labai daug, todėl, jei rastume perspektyvų būdą gaminti šias baterijas, tikriausiai galėtume greitai išplėsti šią technologiją. Deja, komercinis prieinamumas greičiausiai bus po kelerių metų.

Srautas

Srauto akumuliatoriaus struktūra skiriasi nuo daugelio kitų: užuot pakavus krūvą reaktyvių medžiagų į vieną įrenginį (kaip ir įprastos baterijos), srauto baterijos kaupia reaktyvius skysčius atskiruose konteineriuose ir pumpuoja juos į sistemą, kad sukurtų energijos. Jie taip pat didžiuliai ir skirti elektros energijos kaupimui tinkle – ne elektronikai ir daiktams, kurie gali patogiai tilpti delne.

Originalus srauto baterija pranešama, kad jis svėrė 1000 svarų ir buvo išrastas 19 amžiaus pabaigoje, kad sumaniai valdytų Prancūzijos dirižablis pavadintas „La France“. Nuo tada susidomėjimas moduliniu energijos kaupimu išaugo ir sumažėjo tada.

„Manau, kad tai, kas iš tikrųjų skatina sprogimą ir susidomėjimą srauto baterijomis, yra ne tiek naujos kartos baterijų kūrimas. telefonai ar kompiuteriai, bet vidutinio ir didelio masto energijos kaupimas“, – aiškina Timothy Cookas, chemijos profesorius iš Universiteto. Buffalo. Taigi, nebent kursite „steampunk“ mobilųjį telefoną, mažai tikėtina, kad nešiosite su savimi mikroskopiniais siurbliais aktyvuojamų srauto baterijų. Tačiau kai vis daugiau namų įrengia saulės energiją, „asmeninės energijos“ saugojimo rinka augs.

Didinant ličio jonų akumuliatorių galingumą, reikia padidinti baterijos dydį, dizainą srauto baterijos leidžia padidinti energiją didinant skysčio dydį rezervuarai. „San Diego Power and Electric“ neseniai įdiegė vieną, kuri gali maitinti 1000 namų.

„Jūs neturite keisti jokių membranos [kur vyksta cheminė reakcija] matmenų, jūs tiesiog turite per jį ilgiau tekėti didesnį skysčio tūrį ir tą energiją išgauti“, – aiškina Virkite. "Taigi daug lengviau padidinti arba sumažinti mastelį arba galite iš esmės pritaikyti jį prie įrenginio."

Flow baterijos taip pat turi daug daugiau įkrovimo ciklų nei dauguma baterijų. Galimybė pakeisti skysčius arba kitas modulines dalis reiškia, kad galimas akumuliatoriaus tarnavimo laikas yra beveik neribotas.

Nors įmonės šiuo metu parduoda pramoninio dydžio srauto baterijas, profesorius Cookas nesitiki plataus pripažinimo dar penkerius–10 metų. Jis netgi įsivaizduoja dieną, kai elektromobiliai gali panaudoti šią technologiją. Cookas aprašo automobilį, kuris važiuoja prie „degalinės“, išleidžia panaudotą elektrolitą ir vėl užpildo šviežiai įkrautą. Užuot laukę pusvalandį, kol automobilis persikraus, ratai gali vėl suktis po kelių minučių. Bet, žinoma, ta ateitis yra toli nuo kelio.

Popierius

Baterijos gaminimas iš popieriaus turi daug privalumų: jis plonas, lankstus ir, jei pagamintas iš tinkamų medžiagų, biologiškai skaidomas. Stanfordo universiteto komanda sukūrė ankstyvąsias popierines baterijas, padengdama plonus lakštus anglies ir sidabro prisotintu rašalu. Visai neseniai ekologiniai vadovai susijaudino dėl Binghamtono universitete kuriamų baterijų. Profesorius Seokheunas „Seanas“ Choi sukūrė kelis skirtingus jo įsikūnijimus, įskaitant vieną, varomą nerijos arba, moksliškai tariant, žmogaus seilėmis, ir kitą, maitinamą bakterijų. Neseniai Choi ir profesoriaus Omowunmi Sadik sukurtas biobaterijos įsikūnijimas naudoja poli (amino) rūgštis ir poli (piromelito dianhidridas-p-fenilendiaminas) energijos šaltiniams gaminti biologiškai skaidomas.

„Mūsų hibridinės popierinės baterijos galios ir sąnaudų santykis buvo daug didesnis nei visų anksčiau praneštų popierinių mikrobų baterijų“, – sakė Choi, kai buvo įdiegta naujovė. buvo paskelbta. Nors šių ekologiškų popierinių baterijų komercinis naudojimas buvo ribotas dėl mažos elektros galios (galima maitinti LED lemputę apie 20 minučių), mokslininkai tikisi, kad jie bus naudojami elektronikoje, belaidžiuose įrenginiuose, medicinos srityse, pvz., širdies stimuliatoriuose, orlaiviuose ir automobiliai. Choi parašė dokumentą apie tai, kaip juos naudoti kaip vienkartinius maitinimo šaltinius diagnostikos įrankiams besivystančiose šalyse, kur baterijos gali būti neprieinamos.

Oras

Oras iš tikrųjų gali būti elektrinis, ir ne tik tą akimirką, kai iš Ferrari garsiakalbių išsklinda Philo Collinso melodija, kai išspaudžiate apykaklę. Cinko-oro baterijos, kurie yra maždaug Smarties saldainių dydžio ir veikia deguonies ir cinko reakcija, klausos aparatuose naudojami jau daugelį metų. Cinkas taip pat yra pigus ir gausus, todėl technologija yra ekonomiška ir ekologiška.

Tačiau bandant sukurti šią technologiją yra apribojimų įkraunamas. Įkrovimo metu gali susidaryti dendrito kristalai, dėl kurių gali sutrumpėti akumuliatorius. Buvo išbandyti būdai, kaip pakeisti cinką, pavyzdžiui, „mechaniškai įkrauti“ akumuliatorių fiziškai pakeičiant medžiagas. Šis metodas buvo išbandytas Singapūro elektriniuose autobusuose. Buvo bandoma atlikti daugybę kitų eksperimentų su ličio-oro ir metalo-oro baterijomis, kurių energijos tankis, galios lygis ir kaina skiriasi. Per pastarąjį dešimtmetį „Tesla“ pateikė keletą patentų, susijusių su įkrovimu ličio-oro baterijos, todėl jų potencialas gali būti daug didesnis nei jūsų klausos aparatai.

Geležis

Prieš kelerius metus Aidaho universiteto chemijos profesorius Peteris Allenas „YouTube“ pradėjo reikšti savo susižavėjimą baterijų mokslu. Beveik iš karto jis pastebėjo, kad žiūrovai tikrai reaguoja į baterijų medžiagą, kuri paskatino jį sukurti įkraunamą geležies bateriją kaip edukacinę demonstraciją. Dėl šio projekto buvo sukurta daugiau nei 100 demonstracinių vaizdo įrašų, kuriuose paaiškinami mokomojo akumuliatoriaus projekto žingsniai, problemos ir mokymasis.

„Per se nenoriu savęs vadinti baterijų ekspertu“, – pripažįsta profesorius, kurio specializacija yra biologinė chemija. Kurdamas „YouTube“ vaizdo įrašus, jis suprato, kad kurdamas palyginti pigią „pasidaryk pats“ bateriją, reikia daug ko išmokti ir išmokti.

„Kai kurios geležinių baterijų technologijos buvo naudojamos jau 100 metų, todėl manau, kad daugelis žmonių gali tai padaryti Daugelis užsienio žinių tiesiog pasakytų: „Taigi, tai yra numinta žemė – ten nieko nerasi“, – sako jis. „Bet būdamas šiek tiek naivus, įėjau į jį ir pasakiau: „Na, pabandykime, vis tiek galite rasti ką nors įdomaus“.

Po dvejų metų Allenas gavo daugiau nei 30 baterijų variantų ir daug pagalbos iš bakalauro studentų išmoko subalansuoti skystas ir kietas medžiagas, kad būtų sukurtas optimalus energijos tankis, bet su mažu galia.

„Tada mes įsitraukėme į visą šį klausimą: „Jei turite chemiją, kuri veikia, bet veikia lėtai, kaip ją pagreitinti?

Net jei komanda išspręs šį iššūkį, dabartinės technologijos rodo, kad geriausias geležies akumuliatoriaus pritaikymas greičiausiai bus kaimynystėje esančios mikrotinklo energijos kaupimo blokas arba saulės energijos ūkio energijos surinkimas, atsižvelgiant į reikalingą erdvę ir iš jos siunčiamos energijos greitį vienetas.

Kas laimės?

Ar Alleno geležinė baterija kada nors bus komerciškai perspektyvi? Jis nėra tikras, kad dabartinės jo komandos išvados, paskelbtos moksliniame žurnale, pateks juos ten.

Peržiūrėjęs daugybę baterijų išradimų, jis supranta, kad tik keli iš jų iš tikrųjų pateks į rinką. Jis aiškina, kad moksliniuose tyrimuose yra „mirties slėnis“.

„Jūs turite pagrindinį tyrimą, kuris duoda kažką tikrai šaunaus“, - sako jis. „Kyla klausimas, ar tai gali būti komercializuota. Ir nėra pinigų šiam klausimui užduoti“. Tyrėjai, radę pakankamai pinigų atsakyti į šį pradinį klausimą, tada, jei jiems pasiseks, suras investuotojus, norinčius patobulinti ir komercializuoti idėją. „Tačiau yra atotrūkis tarp pagrindinių tyrimų ir būtino tobulinimo, kad akumuliatorius būtų reklamuojamas.

2019 metais rizikos kapitalistai nuskendo 1,7 milijardo dolerių baterijų paleidimui1,4 milijardo iš jų skiriama su ličio jonais susijusiems tyrimams. Tačiau srauto akumuliatoriai, cinko-oras, skystas metalas ir daugelis kitų technologijų taip pat gavo raštiškus patikrinimus. Nors ličio jonų energijos kaupimas greičiausiai dominuos energijos kaupime dar mažiausiai 10 metų, daugelis kitų jau atrodo, kad jie gali ištrūkti iš mirties slėnio.

Redaktorių rekomendacijos

• Tvarumo ateitis: žvilgsnis į kitą aplinkosaugos technologijų raidą
• Po kelių dešimtmečių ličio jonų baterijų išradėjai laimi Nobelio chemijos premiją
• Inžinieriai sukūrė naujo tipo ličio bateriją, kuri nesprogs