Hier is een kijkje in de nabije toekomst van batterijtechnologie

Tegen de tijd dat kolonel Brent Wilson basiscommandant werd in Camp Smith in Oahu, was hij ingezet in de Golf- en Irak-oorlogen en leidde hij talloze defensieoperaties in Kosovo. Maar de vijand waarmee hij op de Hawaiiaanse basis te maken kreeg, was anders dan de vijanden die hij als helikopterpiloot van het Korps Mariniers op het slagveld had gezien. Hij had te maken met een verouderende energie-infrastructuur die regelmatig werd vertrapt door tropisch weer.

“Het hele elektriciteitsnet viel routinematig uit en zorgde ervoor dat we failliet gingen”, legt Wilson uit, die destijds ook deel uitmaakte van het team dat verantwoordelijk was voor defensieoperaties in de Stille Oceaan. “Dat kun je eigenlijk niet hebben.”

Maar de strijd tegen de slechte infrastructuur had ook een onderbenutte bondgenoot: zonlicht. Wilson startte een campagne om te installeren

zonnepanelen en industriële batterijen die de vitale delen van de operatie online kunnen houden als er storm toeslaat. Die ervaring hielp hem uiteindelijk naar een tweede carrière: het verkopen van batterijen die groot genoeg waren om je huis van elektriciteit te voorzien.

De batterijboom

De batterijmarkt is de afgelopen decennia explosief gegroeid en zal naar verwachting de komende vijf jaar met nog eens 12% groeien. Mordor-inlichtingendienst. In 2025 zal het een markt van $90 miljard zijn. De afgelopen tien jaar hebben bedrijven als Tesla, Dyson en Daimler allemaal miljardeninvesteringen in de sector gedaan, door kleinere bedrijven over te nemen of nieuwe fabrieken te bouwen. Als die klassieke scène uit De afgestudeerde vandaag zouden worden gefilmd, zou het carrièreadvies van één woord aan het personage van Dustin Hoffman niet ‘plastics’ zijn, maar ‘batterijen’.

Wat zal al die groei voortstuwen? De prijs van lithium-ionbatterijen daalt, persoonlijke elektronica en elektrische auto’s razen er doorheen, en, naast andere factoren, meer huiseigenaren en energiebedrijven die zonne- en windenergie willen opslaan energie.

Met die groei gepaard gaat veel verspilling. Helaas belanden de meeste batterijen op stortplaatsen. De recyclingpercentages voor lithium-ioncellen zijn verschrikkelijk: ongeveer 5% voor de Verenigde Staten en de Europese Unie. Onderzoekers vinden manieren om lithium-ionbatterijen beter recycleerbaar te maken, maar zelfs als dat gebeurt, moeten we dat nog steeds doen verander de gewoonten van mensen en bedrijven die helemaal geen batterijen recyclen en deze weggooien door ze in de vuilnisbak te gooien afval.

Verder zeggen sommige experts dat er een beperkte hoeveelheid lithium beschikbaar is, hoewel de vraag hoe beperkt dit is. De winning ervan en kobalt (dat gewoonlijk wordt gebruikt voor de positieve elektrode van een lithium-ionbatterij) brengt hoge milieu- en kostenbesparingen met zich mee. menselijke kosten. Bovendien is de prijs van kobalt de afgelopen jaren aanzienlijk gestegen.

Dit roept allemaal de vraag op: zijn er goedkopere, milieuvriendelijkere batterijen verkrijgbaar? Kunnen we iets beters gebruiken? Wat brengt de toekomst?

Veel mensen doen onderzoek naar de mogelijkheden. Sinds de jaren negentig zijn dat er ruim 300.000 geweest batterijgerelateerde patenten ingediend (meer dan 30.000 alleen al in 2017). Hoewel een groot percentage van deze uitvindingen verband houdt met lithium-iontechnologie, wordt er ook veel werk verricht op het gebied van vastestofelektrolyten en op silicium gebaseerde anoden. lithium-lucht, grafeen en andere opties, waarvan sommige milieuvriendelijk zijn, en andere die voor het milieu niet beter zijn dan lithium-ion, maar mogelijk wel beter efficiënt.

Hoewel de meeste van deze nieuwe batterijtypen waarschijnlijk niet zo breed op de markt zullen worden gebracht als lithium-ion (althans in de komende decennia), kunnen ze hele grote nichemarkten bedienen. Hier zijn enkele van de populaire.

Lithium-ijzerfosfaat

Kort nadat Kol. Wilson ging met pensioen uit het leger en leidinggevenden van een zonnepaneelbedrijf vroegen hem om zich te verdiepen in zijn jarenlange acquisitie van energieopslag kennis (het leger is een van 's werelds grootste batterijgebruikers), maak een uitstapje naar CES in Las Vegas en bekijk de huidige oogst van thuis batterijen. Na de reis maakte hij een gigantische spreadsheet om uit te leggen waarom hij ontevreden was over de opties die hij zag. De beste batterijen waren ofwel te duur voor de gemiddelde huiseigenaar ($30.000-plus) of hadden niet genoeg stroom. Vervolgens heeft hij mee gewerkt NeoVolta om een ​​reeks batterijen te creëren, die doorgaans in de zeer lage dubbele cijfers kosten.

Milieubewuste chem-heads zullen je dat snel vertellen lithium-ijzerfosfaat Energieopslag is gewoon een ander type lithium-ionbatterij, zij het met een aantal opmerkelijke voordelen: het is goedkoper, heeft heeft een hogere energiedichtheid, een langere levensduur en vat geen vlam als de binnenkant scheurt (wat kan gebeuren met lithium-ion batterijen). De nadelen? Het is extreem zwaar (daarom is het beter als het op je veranda staat en niet in je telefoon), er zit nog steeds lithium in de hoes en het recyclingtraject is onduidelijk.

Als zodanig hebben maar weinigen lithium-ijzerfosfaatbatterijen gebruikt, waardoor het moeilijk is om te weten hoe goed hun recyclingpercentage is. Sommige onderzoekers beweren dat ze gemakkelijker in onderdelen kunnen worden opgedeeld.

Lithium-zwavel

Sommige deskundigen wedden op lithium-zwavel-energieopslag ter vervanging van lithium-ion, omdat de batterijen doorgaans lichter en energiedichter zijn. Zwavel is ook overvloedig aanwezig en goedkoper.

Wat is het verschil tussen de manier waarop lithium-ion- en lithium-zwavelbatterijen werken? Professor Linda Nazar, wiens laboratorium aan de Canadese Universiteit van Waterloo de afgelopen tien jaar lithium-zwavelbatterijen heeft bestudeerd, gebruikt de analogie van een parkeergarage om de verschillen te beschrijven. Terwijl het opladen en ontladen van een lithium-ionbatterij vergelijkbaar is met het in en uit een parkeergarage rijden van auto's De lithium-zwavelbatterij “breekt bijna de hele structuur van de parkeergarage af en bouwt deze vervolgens weer op als je hem oplaadt de cel."

De chemische reactie is vergelijkbaar met wat er gebeurt in een loodzuurbatterij, waar een volledige structurele en chemische transformatie plaatsvindt. Deze ‘conversie’-batterijen hebben hun eigen voordelen en uitdagingen. “Ze hebben het voordeel dat ze meer elektronen kunnen opslaan”, zegt Nazar. Aan de andere kant heeft zwavel een relatief lage geleidbaarheid en verandert het volume van de batterijen na het ontladen. Het team van het laboratorium van de Universiteit van Waterloo is bezig met het aanpassen van de componenten in de batterij om de levensduur van de batterij te verlengen en de reacties van de batterij te optimaliseren. Als een aantal problemen met de batterij opgelost zijn, verwacht Nazar dat deze zowel in de luchtvaart als in drones gebruikt zullen worden. De Zephyr-vliegtuigen en UAV's, die enkele van de lange elektrisch aangedreven vluchten hebben uitgevoerd, vertrouwen vaak op lithium-zwavelbatterijen.

Natrium-ion

Het blijkt dat het periodiek systeemelement dat zo slecht is voor je hart, behoorlijk goed is voor batterijen. Het onderzoek naar natrium-ionbatterijen begon in de jaren zeventig, rond dezelfde tijd als de opslag van lithium-ion-energie. De twee elementen zijn buren in het periodiek systeem. Toen nam lithium-ion een vlucht en werd natrium-ion de komende drie decennia als een minder energetische variant beschouwd.

"Het lijkt het beste wat er is", zegt Nazar, wiens laboratorium ook werkt met op natrium gebaseerde energieopslag. “Natriumionbatterijen geven je de mogelijkheid om te werken met elementen die overvloedig aanwezig zijn op de aarde – positieve elektroden gemaakt van zaken als ijzer, mangaan en titanium – elementen die veel goedkoper zijn. Maar het is een uitdaging om die chemie goed te laten werken, omdat het gewoon niet hetzelfde is als lithium.”

Nazar merkt op dat sommige bedrijven het niet de moeite waard vinden om in natrium-ionbatterijen te investeren, omdat de kosten van lithium-ionbatterijen voortdurend dalen.

“Ik denk dat het waarschijnlijk de moeite waard is om veel middelen te investeren in natriumionbatterijen”, zegt ze. “Als er een a-ha-moment bestaat waarbij natriumionbatterijen heel goed werken, met een hoge energiedichtheid, zou dat een enorme stap voorwaarts zijn.”

Suiker

Geloof het of niet, je kunt een batterij op suiker laten werken zoals een peuter op cakepops springt. Sony publiceerde in 2007 voor het eerst onderzoek naar de reactie waarbij maltodextrine wordt geoxideerd om energie te creëren. Hoewel de beschikbaarheid van materialen en de milieuvriendelijkheid van suikerbatterijen veel hoger zijn dan die van lithium-ionbatterijen, is de spanning die ontstaat door hun chemische reactie aanzienlijk lager. U wilt dus waarschijnlijk wachten met het voeren van een doos Crunchberries aan uw Tesla.

Hoewel het originele concept voor het eerst verscheen in 2007, is de suiker batterij concept zit nog wat sap in. In 2016 creëerde een team van het Massachusetts Institute of Technology onder leiding van professor Michael Strano een apparaat genaamd de Thermopower Wave, die veel efficiënter is dan eerdere incarnaties van suikerbatterijen en een commerciële LED van stroom kan voorzien licht. Dit is een opwindende ontwikkeling omdat suiker zeer overvloedig aanwezig is, dus als we een haalbare manier kunnen bedenken om deze batterijen te produceren, kunnen we die technologie vermoedelijk snel opschalen. Helaas zal de commerciële beschikbaarheid waarschijnlijk nog enkele jaren duren.

Stroom

Een flowbatterij is anders gestructureerd dan de meeste andere: in plaats van een aantal reactieve materialen samen in één eenheid te verpakken (zoals normale batterijen doen), slaan flowbatterijen reactieve vloeistoffen op in aparte containers en pompen ze vervolgens in het systeem om ze te creëren energie. Ze zijn ook enorm groot en ontworpen voor energieopslag op het elektriciteitsnet – niet voor elektronica en dingen die comfortabel in de palm van je hand passen.

Het origineel stroom batterij woog naar verluidt 1.000 pond en werd aan het einde van de 19e eeuw uitgevonden om de slimme mensen van stroom te voorzien genaamd Frans luchtschip “La France.” De belangstelling voor de modulaire energieopslag is sindsdien toegenomen en afgenomen Dan.

“Ik denk dat wat echt een explosie en interesse in flow-batterijen veroorzaakt, niet zozeer te maken heeft met het maken van de volgende generatie batterijen telefoons of computers, maar energieopslag op middelgrote tot grote schaal”, legt Timothy Cook uit, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Buffel. Dus tenzij je een steampunk-mobiele telefoon bouwt, is het onwaarschijnlijk dat je stroombatterijen met je meedraagt ​​die worden geactiveerd door microscopisch kleine pompen. Naarmate meer huizen zonne-energie installeren, zal de markt voor ‘gepersonaliseerde energie’-opslag echter groeien.

Terwijl het krachtiger maken van lithium-ionbatterijen betekent dat de grootte van de batterij en het ontwerp moeten worden vergroot van de stroombatterijen maakt het mogelijk om de energie te vergroten door de vloeistofgrootte te vergroten reservoirs. San Diego Power and Electric heeft er onlangs een geïnstalleerd die stroom kan leveren 1.000 woningen.

“Je hoeft niets aan de afmetingen van het membraan te veranderen [waar de chemische reactie plaatsvindt], dat heb je gewoon gedaan om het grotere volume vloeistof er langere tijd doorheen te laten stromen en die energie kun je eruit halen”, legt uit Kok. "Het is dus veel eenvoudiger om op- of af te schalen, of je kunt het in principe aanpassen aan de installatie."

Flow-batterijen hebben ook veel meer laadcycli dan de meeste batterijen. De mogelijkheid om de vloeistoffen of andere modulaire onderdelen te vervangen betekent dat de potentiële levensduur van een batterij vrijwel onbeperkt is.

Hoewel bedrijven momenteel flowbatterijen van industriële grootte verkopen, verwacht professor Cook de komende vijf tot tien jaar geen brede acceptatie. Hij stelt zich zelfs een dag voor waarop elektrische auto's de technologie zouden kunnen gebruiken. Cook beschrijft een auto die naar een “benzinestation” rijdt, waarbij de verbruikte elektrolyt wordt afgevoerd en vervolgens wordt bijgevuld met een vers opgeladen exemplaar. In plaats van een half uur te wachten totdat uw auto opnieuw is opgestart, kunnen de wielen binnen enkele minuten weer draaien. Maar die toekomst ligt natuurlijk nog ver weg.

Papier

Het maken van een batterij uit papier heeft veel voordelen: hij is dun, flexibel en, indien vervaardigd met de juiste materialen, biologisch afbreekbaar. Een team van Stanford University ontwikkelde vroege papieren batterijen door dunne vellen te bedekken met een verzadigde koolstof- en zilverinkt. Meer recentelijk zijn eco-heads enthousiast geworden over de batterijen die worden ontwikkeld aan de Binghamton University. Professor Seokheun ‘Sean’ Choi heeft er een paar verschillende incarnaties van gemaakt, waaronder een die wordt aangedreven door spuug – of, meer wetenschappelijk, menselijk speeksel – en een andere die wordt aangedreven door bacteriën. Een recente incarnatie van de biobatterij, ontwikkeld door Choi en professor Omowunmi Sadik, maakt gebruik van poly (aminezuur) en poly(pyromellitisch dianhydride-p-fenyleendiamine) om de energiebronnen te maken biologisch afbreekbaar.

“Onze hybride papierbatterij vertoonde een veel hogere energie-kostenverhouding dan alle eerder gerapporteerde op papier gebaseerde microbiële batterijen”, zei Choi toen de innovatie werd aangekondigd. Hoewel het commerciële gebruik van deze milieuvriendelijke papieren batterijen beperkt is gezien hun lage elektrische output (je kunt er een LED-lamp voor van stroom voorzien). ongeveer 20 minuten), hopen onderzoekers dat ze gebruikt zullen worden in de elektronica, draadloze apparaten, medische toepassingen zoals pacemakers, vliegtuigen en nog veel meer auto's. Choi heeft een artikel geschreven over het gebruik ervan als stroombron voor eenmalig gebruik voor diagnostische hulpmiddelen op het zorgpunt in ontwikkelingslanden waar batterijen mogelijk niet direct verkrijgbaar zijn.

Lucht

Lucht kan echt elektrisch zijn, en niet alleen op het moment dat je je halsband opendoet nadat er een deuntje van Phil Collins uit de luidsprekers van je Ferrari klinkt. Zink-luchtbatterijen, die ongeveer zo groot zijn als Smarties-snoepjes en worden aangedreven door de reactie tussen zuurstof en zink, worden al vele jaren in hoortoestellen gebruikt. Zink is ook goedkoop en overvloedig aanwezig, waardoor de technologie zowel economisch als milieuvriendelijk is.

Maar er zijn beperkingen bij het maken van deze technologie oplaadbaar. Tijdens het opladen kunnen zich dendrietkristallen vormen, waardoor de batterij kan kortsluiten. Er zijn manieren getest om het zink te vervangen, zoals het “mechanisch opladen” van de batterij door de materialen fysiek te vervangen, een aanpak die is uitgeprobeerd in de elektrische bussen van Singapore. Er zijn talloze andere experimenten geprobeerd met lithium-lucht- en metaal-luchtbatterijen met verschillende niveaus van energiedichtheid, vermogensniveau en kosten. De afgelopen tien jaar heeft Tesla verschillende patenten ingediend met betrekking tot opladen lithium-luchtbatterijen, dus hun potentieel kan tot ver buiten uw hoortoestellen bestaan.

Ijzer

Een paar jaar geleden begon scheikundeprofessor Peter Allen van de Universiteit van Idaho op YouTube zijn fascinatie voor batterijwetenschap te uiten. Vrijwel onmiddellijk merkte hij dat kijkers echt reageerden op batterijmateriaal, wat hem inspireerde om als educatieve demonstratie een oplaadbare ijzerbatterij te bouwen. Dat project heeft geleid tot meer dan 100 demonstratievideo's waarin de stappen, problemen en lessen van een educatief batterijproject worden uitgelegd.

“Ik wil mezelf niet per se als batterij-expert profileren”, erkent de professor, wiens expertisegebied de biologische chemie is. Bij het maken van de YouTube-video's realiseerde hij zich dat er veel te leren viel door een relatief goedkope doe-het-zelf-batterij te bouwen.

“Delen van de ijzerbatterijtechnologie bestaan ​​al 100 jaar, dus ik denk dat veel mensen die hiermee in aanraking komen, Veel buitenlandse kennis zou alleen maar zeggen: ‘Nou, dat is platgetreden terrein – daar is niets te vinden’”, zegt hij. “Maar omdat ik een beetje naïef was, liep ik erin en zei: ‘Laten we het proberen, je kunt toch wel iets interessants vinden.’”

Na twee jaar, meer dan dertig batterijvariaties en veel hulp van studenten, heeft Allen dat ook gedaan geleerd hoe je de vloeibare en vaste materialen in evenwicht kunt brengen om een ​​optimale hoeveelheid energiedichtheid te creëren, maar met een lage stroom.

“Toen kwamen we op de hele vraag: ‘Als je een chemie hebt die werkt, maar langzaam werkt, hoe kun je die dan versnellen?’”

Zelfs als het team die uitdaging oplost, dicteert de huidige technologie dat de beste toepassingen voor een ijzeren batterij waarschijnlijk een een microgrid-energieopslageenheid in de buurt of een zonnepark voor het opvangen van energie, gezien de benodigde ruimte en de snelheid van de energie die vanuit de buurt wordt verzonden eenheid.

Wie zal er winnen?

Zal de ijzeren batterij van Allen ooit commercieel levensvatbaar zijn? Hij is er niet zeker van dat de huidige bevindingen van zijn team, die in een wetenschappelijk tijdschrift zijn gepubliceerd, hen daar zullen brengen.

Nadat hij talloze batterij-uitvindingen heeft bekeken, realiseert hij zich dat slechts een paar ervan daadwerkelijk op de markt zullen komen. In wetenschappelijk onderzoek, legt hij uit, bestaat er een ‘vallei des doods’.

"Je hebt het basisonderzoek dat iets heel gaafs oplevert", zegt hij. “Het is de vraag of het gecommercialiseerd kan worden. En er is geen geld om die vraag te stellen.” Onderzoekers die genoeg geld vinden om die initiële vraag te beantwoorden, zullen dan, als ze geluk hebben, investeerders vinden die het idee willen verfijnen en commercialiseren. “Maar er gaapt een kloof tussen het fundamentele onderzoek en de noodzakelijke verfijning om een ​​batterij commercieel te maken.”

In 2019 gingen durfkapitalisten failliet $1,7 miljard aan batterij-startups, waarvan 1,4 miljard naar lithium-iongerelateerd onderzoek gaat. Maar ook stroombatterijen, zink-lucht, vloeibaar metaal en vele andere technologieën kregen schriftelijke cheques. Terwijl lithium-ion-energieopslag waarschijnlijk nog minstens tien jaar de energieopslag zal domineren, zien vele andere er nu al naar uit dat ze zich een weg zullen banen uit de vallei des doods.

Aanbevelingen van de redactie

• De toekomst van duurzaamheid: een blik op de volgende evolutie van milieutechnologie
• Tientallen jaren later winnen de uitvinders van de lithium-ionbatterij de Nobelprijs voor de Scheikunde
• Ingenieurs hebben een nieuw type lithiumbatterij gemaakt die niet ontploft