Lūk, ieskats akumulatoru tehnoloģiju tuvākajā nākotnē

Līdz brīdim, kad pulkvedis Brents Vilsons kļuva par bāzes komandieri Oahu Camp Smith, viņš bija dislocēts Persijas līča un Irākas karos un vadīja daudzas aizsardzības operācijas Kosovā. Taču ienaidnieks, ar kuru viņš saskārās Havaju bāzē, atšķīrās no jebkura, ko viņš bija redzējis kaujas laukā kā jūras korpusa helikoptera pilots. Viņam bija jācīnās ar novecojošo enerģētikas infrastruktūru, ko regulāri mīda tropiskie laikapstākļi.

"Viss elektrotīkls regulāri nojaucās, un tas mūs izbeidza," skaidro Vilsons, kurš tajā laikā bija arī daļa no komandas, kas bija atbildīga par aizsardzības operācijām visā Klusajā okeānā. "Tu to īsti nevar iegūt."

Taču cīņai pret sliktu infrastruktūru bija arī nepietiekami izmantots sabiedrotais: Saules gaisma. Vilsons sāka instalēšanas kampaņu saules paneļi un industriālie akumulatori, kas vētras laikā varētu nodrošināt operācijas būtiskās daļas tiešsaistē. Šī pieredze galu galā palīdzēja viņam atrasties otrajā karjerā: pārdodot pietiekami lielas baterijas, lai jūsu māja tiktu izslēgta no tīkla.

Akumulatora bums

Akumulatoru tirgus pēdējo desmitgažu laikā ir palielinājies, un paredzams, ka nākamajos piecos gados tas pieaugs vēl par 12%, liecina Mordoras izlūkošana. Līdz 2025. gadam tas būs 90 miljardu dolāru liels tirgus. Pēdējo desmit gadu laikā tādi uzņēmumi kā Tesla, Dyson un Daimler ir veikuši miljardu dolāru investīcijas šajā nozarē, iegādājoties mazākus uzņēmumus vai būvējot jaunas rūpnīcas. Ja ka klasiskā aina no Absolvents Šodien tika filmēti, Dastina Hofmana varonim sniegtie karjeras padomi, kas ietverti vienā vārdā, nebūtu “plastmasa”, bet gan “akumulatori”.

Kas veicinās visu šo izaugsmi? Litija jonu akumulatoru cena samazinās, personīgā elektronika un elektromobiļi griežas caur tiem, un, cita starpā, vairāk māju īpašnieku un elektroenerģijas uzņēmumu, kas vēlas uzglabāt saules un vēja enerģiju enerģiju.

Kopā ar šo izaugsmi rodas daudz atkritumu. Diemžēl lielākā daļa bateriju nonāk poligonos. Litija jonu elementu pārstrādes rādītāji ir šausminoši: Aptuveni 5% Amerikas Savienotajām Valstīm un Eiropas Savienībai. Pētnieki atrod veidus, kā padarīt litija jonu akumulatorus vairāk pārstrādājamus, taču, pat ja tas notiek, mums joprojām ir mainīt to cilvēku un korporāciju ieradumus, kuri akumulatorus nemaz nepārstrādā, un atbrīvoties no tiem, izmetot tos atkritumi.

Turklāt daži eksperti saka, ka ir pieejams ierobežots litija daudzums, lai gan tas, cik ierobežots, ir diskutējams. Tā un kobalta (ko parasti izmanto litija jonu akumulatora pozitīvajam elektrodam) ieguve notiek augstā vides un cilvēku izmaksas. Turklāt kobalta cena pēdējos gados ir ievērojami pieaugusi.

Tas viss liek uzdot jautājumu: vai ir lētāki, videi draudzīgāki akumulatori? Vai mēs varētu izmantot kaut ko labāku? Kāda ir nākotne?

Daudzi cilvēki pēta iespējas. Kopš 90. gadiem vairāk nekā 300 000 ar akumulatoriem saistīti patenti ir iesniegti (vairāk nekā 30 000 2017. gadā vien). Lai gan liela daļa šo izgudrojumu ir saistīti ar litija jonu tehnoloģiju, daudz tiek strādāts pie cietvielu elektrolīta, silīcija bāzes anoda, litija-gaiss, grafēns un citas iespējas, no kurām dažas ir videi draudzīgas, bet citas, kas nav videi labākas par litija jonu, bet, iespējams, vairāk efektīvs.

Lai gan lielākā daļa no šiem jaunajiem akumulatoru veidiem, visticamāk, netiks pārdoti tik plaši kā litija jonu (vismaz nākamo pāris gadu desmitu laikā), tie var kalpot patiešām lieliem nišas tirgiem. Šeit ir daži no populārākajiem.

Litija dzelzs fosfāts

Drīz pēc plkv. Vilsons aizgāja pensijā no militārā dienesta, saules paneļu uzņēmuma vadītāji lūdza viņu iedziļināties viņa enerģijas uzkrāšanas gados. zināšanas (militārpersonas ir viens no lielākajiem akumulatoru lietotājiem pasaulē), dodieties ceļojumā uz CES Lasvegasā un apskatiet pašreizējo mājas ražu baterijas. Pēc ceļojuma viņš izveidoja milzu izklājlapu, lai izskaidrotu, kāpēc viņš nav apmierināts ar piedāvātajām iespējām. Labākās baterijas bija vai nu pārāk dārgas vidējam mājas īpašniekam (30 000 $ plus), vai arī tām nebija pietiekami daudz jaudas. Pēc tam viņš strādāja ar NeoVolta lai izveidotu akumulatoru līniju, kas parasti maksā ļoti zemos divciparu skaitļos.

Videi noskaņotie ķīmiskie vadītāji to ātri pateiks litija-dzelzs fosfāts enerģijas uzglabāšana ir tikai cita veida litija jonu akumulators, lai gan tam ir dažas ievērojamas priekšrocības: tas ir lētāks, ir blīvāka enerģija, ilgāks mūžs un neaizdegsies, ja iekšpuse plīsīs (kas var notikt ar litija jonu baterijas). Negatīvās puses? Tas ir ārkārtīgi smags (tāpēc ir labāk, ja tas atrodas jūsu aizmugurējā verandā, nevis tālrunī), korpusā joprojām ir litijs, un pārstrādes ceļš nav skaidrs.

Tāpēc tikai daži ir pieņēmuši litija-dzelzs-fosfāta baterijas, tāpēc ir grūti zināt, cik labs ir to pārstrādes līmenis. Daži pētnieki apgalvo, ka tos ir vieglāk sadalīt daļās.

Litijs-sērs

Daži eksperti liek domāt par litija-sēra enerģijas uzkrāšanu, lai aizstātu litija jonu, jo baterijas mēdz būt vieglākas un enerģijas blīvākas. Sērs ir arī daudz un lētāks.

Kāda ir atšķirība starp litija jonu un litija sēra akumulatoru darbību? Profesore Linda Nazara, kura laboratorija Kanādas Vaterlo universitātē ir pētījusi litija-sēra baterijas pēdējos 10 gadus, izmanto autostāvvietas garāžas analoģiju, lai aprakstītu atšķirības. Tā kā litija jonu akumulatora uzlāde un izlāde ir kā automašīnu iebraukšana autostāvvietā un ārā no tās, litija-sēra akumulators "gandrīz nojauc visu autostāvvietas garāžas konstrukciju un pēc tam atjauno to, kad jūs uzlādējat šūna."

Ķīmiskā reakcija ir līdzīga tai, kas notiek svina-skābes akumulatorā, kur notiek pilnīga strukturāla un ķīmiska transformācija. Šīm “pārveidošanas” baterijām ir savas priekšrocības un izaicinājumi. "Viņu priekšrocība ir iespēja uzglabāt vairāk elektronu," saka Nazars. No otras puses, sēram ir salīdzinoši zema vadītspēja, un akumulatoru tilpums pēc izlādes mainās. Vaterlo universitātes laboratorijas komanda pielāgo akumulatora komponentus, lai palielinātu cikla kalpošanas laiku un optimizētu akumulatora reakcijas. Ja dažas ar akumulatoru saistītās problēmas tiek atrisinātas, Nazars paredz, ka tās tiks izmantotas gan aviācijā, gan bezpilota lidaparātos. The Zefīra lidmašīnas un bezpilota lidaparāti, kas ir veikuši dažus no gariem elektriskiem lidojumiem, bieži paļaujas uz litija sēra baterijām.

Nātrija jonu

Kā izrādās, periodiskās tabulas elements, kas ir tik kaitīgs jūsu sirdij, ir diezgan labs akumulatoriem. Nātrija jonu akumulatoru izpēte sākās 1970. gados, aptuveni tajā pašā laikā, kad litija jonu enerģijas uzkrāšana. Abi elementi ir kaimiņi periodiskajā tabulā. Tad litija jons sāka darboties, un nātrija jonu uzskatīja par mazāk enerģisku, un tas darbojās nākamajās trīs desmitgadēs.

"Tas izskatās kā vislabākais," saka Nazars, kura laboratorija strādā arī ar nātrija bāzes enerģijas uzkrāšanu. "Nātrija jonu akumulatori dod iespēju strādāt ar elementiem, kas bagāti ar zemi - pozitīviem elektrodiem, kas izgatavoti no tādām lietām kā dzelzs, mangāns un titāns - elementi, kuru izmaksas ir daudz zemākas. Bet panākt, lai šī ķīmija labi darbotos, ir izaicinājums, jo tas vienkārši nav tas pats, kas litijs.

Nazar atzīmē, ka daži uzņēmumi neuzskata, ka ir vērts ieguldīt nātrija jonu akumulatoros, jo litija jonu akumulatoru izmaksas visu laiku samazinās.

"Es domāju, ka, iespējams, ir vērts ieguldīt daudz resursu nātrija jonu akumulatoros," viņa saka. "Ja ir a-ha brīdis, kad nātrija jonu akumulatori darbojas patiešām labi un ar augstu enerģijas blīvumu, tas būtu milzīgs solis uz priekšu."

Cukurs

Ticiet vai nē, bet jūs varat darbināt akumulatoru ar cukuru, piemēram, mazulis, kas uzlēca uz kūkām. Sony pirmo reizi publicēja pētījumu par reakciju, kurā maltodekstrīns tiek oksidēts, lai radītu enerģiju 2007. gadā. Lai gan cukura akumulatoru materiālu pieejamība un videi draudzīgums ir daudz augstāks nekā litija jonu akumulatoriem, to ķīmiskās reakcijas radītais spriegums ir ievērojami zemāks. Tātad, jūs, iespējams, vēlēsities nebarot savai Teslai kasti ar kraukšķīgām ogām.

Lai gan sākotnējā koncepcija pirmo reizi parādījās 2007. gadā, cukura akumulators koncepcijā joprojām ir palikusi sula. 2016. gadā Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta komanda profesora Maikla Strano vadībā izveidoja ierīci ar nosaukumu Thermopower Wave, kas ir daudz efektīvāks nekā iepriekšējie cukura bateriju iemiesojumi un var darbināt komerciālu LED gaisma. Šī ir aizraujoša attīstība, jo cukurs ir ļoti daudz, tāpēc, ja mēs varam izdomāt dzīvotspējīgu veidu, kā ražot šīs baterijas, mēs, iespējams, varētu ātri paplašināt šo tehnoloģiju. Diemžēl komerciālā pieejamība, iespējams, būs pēc vairākiem gadiem.

Plūsma

Plūsmas akumulators ir strukturēts savādāk nekā vairums citu: tā vietā, lai vienā blokā iepakotu virkni reaktīvo materiālu. (tāpat kā parastās baterijas), plūsmas akumulatori uzglabā reaktīvos šķidrumus atsevišķos traukos un pēc tam iesūknē tos sistēmā, lai izveidotu enerģiju. Tie ir arī milzīgi un paredzēti tīkla enerģijas uzglabāšanai, nevis elektronikai un lietām, kas var ērti ievietoties jūsu plaukstā.

Oriģināls plūsmas akumulators ziņots, ka svēra 1000 mārciņas un tika izgudrots 19. gadsimta beigās, lai gudri darbinātu Nosaukts franču dirižablis "La France". Kopš tā laika interese par modulāro enerģijas uzglabāšanu ir palielinājusies un mazinājusies tad.

"Es domāju, ka tas, kas patiešām izraisa sprādzienu un interesi par plūsmas akumulatoriem, nav tik daudz par nākamās paaudzes akumulatoru ražošanu tālruņi vai datori, bet vidēja līdz liela mēroga enerģijas uzglabāšana,” skaidro Timotijs Kuks, Ķīmijas profesors no Universitātes. Buffalo. Tātad, ja vien nebūvējat steampunk mobilo tālruni, maz ticams, ka nēsāsit līdzi plūsmas akumulatorus, kas aktivizēti ar mikroskopiskiem sūkņiem. Tomēr, tā kā arvien vairāk māju uzstāda saules enerģiju, “personalizētās enerģijas” uzglabāšanas tirgus pieaugs.

Padarot litija jonu akumulatorus jaudīgākus, tas nozīmē palielināt akumulatora izmēru un dizainu plūsmas akumulatori ļauj palielināt enerģiju, palielinot šķidruma izmēru rezervuāri. San Diego Power and Electric nesen uzstādīja vienu, kas var barot 1000 māju.

"Jums nav jāmaina neviens no membrānas izmēriem [kur notiek ķīmiskā reakcija], jums vienkārši ir plūst cauri lielākam šķidruma daudzumam ilgāku laiku, un jūs varat izvilkt šo enerģiju,” skaidro Pavārs. "Tātad ir daudz vieglāk palielināt vai samazināt mērogošanu, vai arī jūs varat to pielāgot instalācijai."

Plūsmas akumulatoriem ir arī daudz vairāk uzlādes ciklu nekā lielākajai daļai akumulatoru. Iespēja nomainīt šķidrumus vai nomainīt citas moduļu daļas nozīmē, ka akumulatora potenciālais kalpošanas laiks ir gandrīz neierobežots.

Lai gan uzņēmumi pašlaik pārdod rūpnieciska izmēra plūsmas baterijas, profesors Kuks negaida plašu piekrišanu vēl piecus līdz 10 gadus. Viņš pat iedomājas dienu, kad elektromobiļi varētu izmantot šo tehnoloģiju. Kuks apraksta automašīnu, kas piebrauc pie “degvielas uzpildes stacijas”, iztukšo izlietoto elektrolītu un pēc tam uzpilda ar tikko uzlādētu. Tā vietā, lai gaidītu pusstundu, līdz automašīna tiks restartēta, riteņi var atkal griezties dažu minūšu laikā. Bet, protams, šī nākotne ir vēl priekšā.

Papīrs

Akumulatora izgatavošanai no papīra ir daudz priekšrocību: tas ir plāns, elastīgs un, ja tas ir izgatavots no pareiziem materiāliem, bioloģiski noārdās. Stenfordas universitātes komanda izstrādāja agrīnās papīra baterijas, pārklājot plānas loksnes ar oglekļa un sudraba piesātinātu tinti. Pavisam nesen ekogalvas ir sajūsmā par akumulatoriem, kas tiek izstrādāti Binghemtonas universitātē. Profesors Seokheuns “Šons” Čoi ir izveidojis dažus dažādus iemiesojumus, tostarp vienu, ko darbina iesma — vai zinātniskāk sakot, cilvēka siekalas, bet otru — baktērijas. Nesenajā Choi un profesora Omowunmi Sadik izstrādātās bioakumulatora iemiesojumā izmanto poli (amīnskābe) un poli (piromelīta dianhidrīda-p-fenilēndiamīns), lai iegūtu enerģijas avotus bioloģiski noārdāms.

"Mūsu hibrīda papīra akumulators uzrādīja daudz augstāku jaudas un izmaksu attiecību nekā visām iepriekš ziņotajām papīra mikrobu baterijām," sacīja Choi, kad tika ieviests jauninājums. tika paziņots. Lai gan šo videi draudzīgo papīra bateriju komerciālā izmantošana ir ierobežota, ņemot vērā to zemo elektrisko jaudu (var darbināt LED gaismu apmēram 20 minūtes), pētnieki cer tos izmantot elektronikā, bezvadu ierīcēs, medicīniskos lietojumos, piemēram, elektrokardiostimulatoros, lidmašīnās un automašīnām. Choi ir uzrakstījis dokumentu par to izmantošanu kā vienreiz lietojamus barošanas avotus aprūpes punktu diagnostikas instrumentiem jaunattīstības valstīs, kur baterijas var nebūt viegli pieejamas.

Gaiss

Gaiss patiesībā var būt elektrisks, un ne tikai tajā brīdī, kad jūs atlaižat apkakli pēc tam, kad no jūsu Ferrari skaļruņiem atskan Fila Kolinsa melodija. Cinka-gaisa baterijas, kas ir aptuveni Smarties konfekšu lielumā un ko darbina skābekļa un cinka reakcija, dzirdes aparātos tiek izmantoti jau daudzus gadus. Cinks ir arī lēts un bagātīgs, padarot tehnoloģiju ekonomisku, kā arī videi draudzīgu.

Bet, mēģinot izveidot šo tehnoloģiju, ir ierobežojumi uzlādējams. Uzlādes laikā var veidoties dendrīta kristāli un izraisīt akumulatora īssavienojumu. Ir pārbaudīti veidi, kā aizstāt cinku, piemēram, “mehāniski uzlādējot” akumulatoru, fiziski nomainot materiālus. Šī pieeja ir izmēģināta Singapūras elektriskajos autobusos. Ir veikti daudzi citi eksperimenti ar litija-gaisa un metāla-gaisa akumulatoriem ar dažādu enerģijas blīvuma, jaudas līmeņa un izmaksu pakāpi. Pēdējo desmit gadu laikā Tesla ir iesniegusi vairākus patentus, kas saistīti ar uzlādi litija-gaisa baterijas, tāpēc to potenciāls var būt daudz plašāks nekā jūsu dzirdes aparāti.

Dzelzs

Pirms dažiem gadiem Aidaho Universitātes ķīmijas profesors Pīters Alens vietnē YouTube sāka paust savu aizraušanos ar akumulatoru zinātni. Gandrīz uzreiz viņš atklāja, ka skatītāji patiešām reaģē uz akumulatora materiālu, kas viņu iedvesmoja izveidot uzlādējamu dzelzs akumulatoru kā izglītojošu demonstrāciju. Šī projekta rezultātā ir izveidoti vairāk nekā 100 demonstrācijas videoklipi, kuros izskaidroti izglītojoša akumulatora projekta soļi, problēmas un mācības.

"Es nevēlos sevi izvirzīt par bateriju ekspertu pats par sevi," atzīst profesors, kura specializācijas joma ir bioloģiskā ķīmija. Veidojot YouTube videoklipus, viņš saprata, ka ir daudz kas jāiemāca un jāiemācās, izveidojot salīdzinoši lētu akumulatoru, ko var izgatavot pats.

"Daļas dzelzs bateriju tehnoloģijas ir pastāvējušas jau 100 gadus, tāpēc es domāju, ka daudzi cilvēki, kas varētu nonākt ar to daudzas ārzemju zināšanas vienkārši teiktu: “Nu, tā ir nomīdīta zeme — tur nekas nav atrodams,” viņš saka. "Bet, būdams nedaudz naivs, es iegāju tajā un teicu:" Nu, pamēģināsim, jūs jebkurā gadījumā varat atrast kaut ko interesantu.

Pēc diviem gadiem Allens ir saņēmis vairāk nekā 30 akumulatoru variantus un daudz palīdzības no bakalaura studentiem iemācījās līdzsvarot šķidros un cietos materiālus, lai izveidotu optimālu enerģijas blīvuma daudzumu, bet ar zemu jauda.

"Tad mēs nonācām pie visa šī jautājuma: "Ja jums ir ķīmija, kas darbojas, bet darbojas lēni, kā jūs to paātrināt?""

Pat ja komanda atrisina šo izaicinājumu, pašreizējā tehnoloģija nosaka, ka vislabākie dzelzs akumulatora pielietojumi, visticamāk, būs kaimiņattiecību mikrotīkla enerģijas uzglabāšanas vienība vai saules saimniecības enerģijas uztveršana, ņemot vērā nepieciešamo vietu un no tās nosūtītās enerģijas ātrumu vienība.

Kurš uzvarēs?

Vai Allena dzelzs akumulators kādreiz būs komerciāli dzīvotspējīgs? Viņš nav pārliecināts, ka viņa komandas pašreizējie atklājumi, kas ir publicēti zinātniskā žurnālā, tos nodos.

Pārskatījis daudzus akumulatoru izgudrojumus, viņš saprot, ka tikai daži no tiem patiešām nonāks tirgū. Zinātniskajos pētījumos viņš skaidro, ka pastāv "nāves ieleja".

"Jums ir pamatpētījums, kas atklāj kaut ko patiešām foršu," viņš saka. "Ir jautājums, vai to var komercializēt. Un nav naudas, lai uzdotu šo jautājumu. Pētnieki, kuri atradīs pietiekami daudz naudas, lai atbildētu uz šo sākotnējo jautājumu, tad, ja viņiem veiksies, atradīs investorus, kuri vēlas pilnveidot un komercializēt šo ideju. "Bet pastāv plaisa starp pamatpētniecību un nepieciešamo pilnveidošanu, lai izveidotu akumulatoru reklāmu."

2019. gadā nogrima riska kapitālisti 1,7 miljardi dolāru akumulatoru palaišanai, no kuriem 1,4 miljardi tiek novirzīti ar litija jonu pētījumiem. Bet plūsmas akumulatori, cinka-gaiss, šķidrais metāls un daudzas citas tehnoloģijas arī saņēma rakstiskas pārbaudes. Lai gan litija jonu enerģijas uzglabāšana, visticamāk, dominēs enerģijas uzglabāšanā vēl vismaz 10 gadus, daudzi citi jau izskatās, ka viņi spēs izkļūt no nāves ielejas.

Redaktoru ieteikumi

• Ilgtspējības nākotne: skats uz nākamo vides tehnoloģiju attīstību
• Desmitiem gadu vēlāk litija jonu akumulatoru izgudrotāji iegūst Nobela prēmiju ķīmijā
• Inženieri ir izveidojuši jauna veida litija akumulatoru, kas nesprāgs