Her er en titt på den nære fremtiden for batteriteknologi

Da oberst Brent Wilson ble basekommandant ved Oahus Camp Smith, hadde han blitt utplassert i Gulf- og Irak-krigene og ledet en rekke forsvarsoperasjoner i Kosovo. Men fienden han møtte på Hawaii-basen var annerledes enn den han hadde sett på slagmarken som Marine Corps-helikopterpilot. Han måtte kjempe med en aldrende energiinfrastruktur som regelmessig ble trampet ned av tropisk vær.

"Hele strømnettet gikk rutinemessig ned og satte oss ut av drift," forklarer Wilson som på det tidspunktet også var en del av teamet som var ansvarlig for forsvarsoperasjoner i hele Stillehavet. "Det kan du egentlig ikke ha."

Men kampen mot dårlig infrastruktur hadde også en underutnyttet alliert: Sollys. Wilson startet en kampanje for å installere solcellepaneler og industribatterier som kan holde de vitale delene av operasjonen online når stormer rammer. Den erfaringen hjalp ham til slutt inn i en ny karriere: Å selge batterier som er store nok til å drive hjemmet ditt fra nettet.

Batteribommen

Batterimarkedet har økt de siste tiårene og forventes å øke med ytterligere 12 % i løpet av de neste fem årene, ifølge Mordor etterretning. Innen 2025 vil det være et marked på 90 milliarder dollar. I løpet av det siste tiåret har selskaper som Tesla, Dyson og Daimler alle gjort milliardinvesteringer i industrien, enten ved å kjøpe opp mindre selskaper eller bygge nye fabrikker. Hvis den klassiske scenen fra Avgangseleven ble filmet i dag, ville ikke et-ords karriereråd gitt til Dustin Hoffmans karakter være «plast», det ville være «batterier».

Hva vil drive all den veksten? Prisen på litium-ion-batterier faller, personlig elektronikk og elektriske biler som kretser gjennom dem, og, blant andre faktorer, flere huseiere og kraftselskaper som ønsker å lagre sol og vind energi.

Sammen med den veksten kommer mye avfall. Dessverre havner de fleste batterier på søppelfyllinger. Gjenvinningshastigheter for litiumionceller er forferdelige: Omtrent 5% for USA og EU. Forskere finner måter å gjøre litium-ion-batterier mer resirkulerbare på, men selv om det skjer, må vi fortsatt endre vanene til mennesker og selskaper som ikke resirkulerer batterier i det hele tatt, og kast dem ved å kaste dem i søppel.

Videre sier noen eksperter at det er en begrenset mengde litium tilgjengelig, selv om hvor begrenset det er opp til debatt. Utvinningen av det og kobolt (som vanligvis brukes til litiumionbatteriets positive elektrode) har høye miljø- og menneskelige kostnader. I tillegg har koboltprisen steget merkbart de siste årene.

Alt dette reiser spørsmålet: Finnes det billigere, mer miljøvennlige batterier der ute? Kan vi bruke noe bedre? Hva bringer fremtiden?

Mange mennesker forsker på muligheter. Siden 1990-tallet har mer enn 300 000 batterirelaterte patenter har blitt arkivert (mer enn 30 000 i 2017 alene). Mens en stor prosentandel av disse oppfinnelsene er relatert til litium-ion-teknologi, gjøres det mye arbeid på solid-state elektrolytt, silisium-basert anode, litium-luft, grafen og andre alternativer, hvorav noen er miljøvennlige, og andre som ikke er miljømessig bedre enn litium-ion, men muligens mer effektiv.

Selv om de fleste av disse nye batteritypene sannsynligvis ikke vil bli markedsført så bredt som litiumion (i hvert fall i løpet av de neste par tiårene), kan de betjene virkelig store nisjemarkeder. Her er noen av de populære.

Litiumjernfosfat

Rett etter Col. Wilson trakk seg ut av militæret, ledere fra et solcellepanelselskap ba ham om å dykke ned i årene med energilagring. kunnskap (militæret er en av verdens største batteribrukere), ta en tur til CES i Las Vegas, og undersøk den nåværende avlingen av hjemmet batterier. Etter turen laget han et gigantisk regneark for å forklare hvorfor han var misfornøyd med alternativene han så. De beste batteriene var enten overpriset for den gjennomsnittlige huseieren ($30 000 pluss) eller hadde ikke nok strøm. Han jobbet da med NeoVolta å lage en linje med batterier, som vanligvis koster i svært lave tosifrede.

Miljøvennlige kjemikalier vil raskt fortelle deg det litium-jern-fosfat energilagring er bare en annen type litium-ion-batteri, om enn en med noen bemerkelsesverdige fordeler: Det er billigere, har tettere energi, lengre levetid og vil ikke ta fyr hvis innsiden brister (noe som kan skje med litium-ion batterier). Ulempene? Det er ekstremt tungt (det er derfor det er bedre hvis det sitter på verandaen din og ikke i telefonen), dekselet har fortsatt litium i seg, og resirkuleringsveien er uklar.

Som sådan har få tatt i bruk litium-jern-fosfat-batterier, noe som gjør det vanskelig å vite hvor god gjenvinningsgraden deres er. Noen forskere hevder at de er lettere å bryte inn i komponenter.

Litium-svovel

Noen eksperter satser på litium-svovel-energilagring for å erstatte litium-ion siden batteriene har en tendens til å være lettere og mer energitette. Svovel er også rikelig og billigere.

Hva er forskjellen mellom hvordan litiumion- og litium-svovelbatterier fungerer? Professor Linda Nazar, hvis laboratorium ved Canadas University of Waterloo har studert litium-svovelbatterier de siste 10 årene, bruker en parkeringshusanalogi for å beskrive forskjellene. Mens lading og utlading av et litiumionbatteri er som å kjøre biler inn og ut av et parkeringshus, litium-svovel-batteriet "nesten river ned hele parkeringshusstrukturen og bygger den opp igjen når du lader cellen."

Den kjemiske reaksjonen er beslektet med det som skjer i et blybatteri hvor det er en fullstendig strukturell og kjemisk transformasjon. Disse "konverterings"-batteriene har sine egne fordeler og utfordringer. "De har fordelen av å kunne lagre flere elektroner," sier Nazar. På den annen side har svovel relativt lav ledningsevne og volumet på batteriene endres etter utlading. Teamet ved University of Waterloo lab justerer komponentene i batteriet for å øke syklusens levetid og optimalisere batteriets reaksjoner. Hvis noen av batteriets utfordringer løses, ser Nazar for seg at de kan brukes i luftfart så vel som droner. De Zephyr-fly og UAV-er, som har fløyet og utført noen av de lange elektriske flyvningene, er ofte avhengige av litium-svovel-batterier.

Natrium-ion

Som det viser seg, er elementet i det periodiske system som er så dårlig for hjertet ditt, ganske bra for batterier. Forskning på natrium-ion-batterier startet på 1970-tallet, omtrent samtidig som litium-ion energilagring. De to grunnstoffene er naboer i det periodiske systemet. Så tok litium-ion av og natrium-ion ble ansett som en mindre energisk også-løp i de neste tre tiårene.

"Det ser ut som det beste som finnes," sier Nazar, hvis laboratorium også jobber med natriumbasert energilagring. "Natrium-ion-batterier gir en muligheten til å jobbe med jordrike elementer - positive elektroder laget av ting som jern, mangan og titan - elementer som er mye lavere kostnader. Men å få den kjemien til å fungere bra er en utfordring fordi den ikke er det samme som litium.»

Nazar bemerker at noen selskaper ikke synes det er verdt å investere i natrium-ion-batterier fordi prisen på litium-ion-batterier synker hele tiden.

"Jeg tror det sannsynligvis er verdt å investere mye ressurser i natriumionbatterier," sier hun. "Hvis det er et a-ha-øyeblikk som har natriumion-batterier som fungerer veldig bra, med høy energitetthet, ville det være et stort skritt fremover."

Sukker

Tro det eller ei, du kan kjøre et batteri på sukker som en pjokk hoppet opp på cake pops. Sony publiserte først forskning om reaksjonen der maltodekstrin oksideres for å skape energi i 2007. Selv om materialetilgjengeligheten og miljøvennligheten til sukkerbatterier er mye høyere enn litiumionbatterier, er spenningen som skapes av deres kjemiske reaksjon betydelig lavere. Så du vil sannsynligvis vente med å mate Teslaen din med en boks med knattebær.

Selv om det originale konseptet først dukket opp i 2007, sukkerbatteri konseptet har fortsatt litt juice igjen. I 2016 opprettet et Massachusetts Institute of Technology-team ledet av professor Michael Strano en enhet kalt Thermopower Wave, som er mye mer effektiv enn tidligere sukkerbatteriinkarnasjoner og kan drive en kommersiell LED lys. Dette er en spennende utvikling fordi sukker er svært rikelig, så hvis vi kan finne ut en levedyktig måte å produsere disse batteriene på, kan vi antagelig skalere opp teknologien raskt. Dessverre er kommersiell tilgjengelighet sannsynligvis flere år unna.

Strømme

Et strømningsbatteri er strukturert annerledes enn de fleste andre: I stedet for å pakke en haug med reaktive materialer sammen i en enhet (som vanlige batterier gjør), lagrer strømningsbatterier reaktive væsker i separate beholdere og pumper dem deretter inn i systemet for å lage energi. De er også enorme og designet for nettenergilagring - ikke for elektronikk og ting som kan passe komfortabelt i håndflaten din.

Den opprinnelige strømningsbatteri veide angivelig 1000 pund og ble oppfunnet på slutten av 1800-tallet for å drive den smarte kalt det franske luftskipet "La France". Interessen for den modulære energilagringen har vokst og avtatt siden deretter.

"Jeg tror det som egentlig driver en eksplosjon og interessen for strømningsbatterier ikke handler så mye om å lage neste generasjon batterier for telefoner eller datamaskiner, men energilagring i middels til stor skala, forklarer Timothy Cook, professor i kjemi ved University of Bøffel. Så, med mindre du bygger en steampunk-mobiltelefon, er det usannsynlig at du kommer til å bære rundt på strømningsbatterier aktivert med mikroskopiske pumper. Men etter hvert som flere hjem installerer solenergi, vil markedet for "personlig tilpasset energi"-lagring vokse.

Mens du gjør litium-ion-batterier kraftigere, betyr det å øke størrelsen på batteriet, designet av strømningsbatteriene gjør det mulig å øke energien ved å øke størrelsen på væsken reservoarer. San Diego Power and Electric installerte nylig en som kan strøm 1000 boliger.

"Du trenger ikke å endre noen av dimensjonene til membranen [der den kjemiske reaksjonen skjer], du må bare å strømme det større volumet av væske gjennom det i lengre tid, og du kan trekke ut den energien, forklarer det Kokk. "Så det er mye mye mye enklere å skalere opp eller ned, eller du kan i utgangspunktet tilpasse det til installasjonen."

Flow-batterier har også mange flere ladesykluser enn de fleste batterier. Muligheten til å erstatte væskene eller erstatte andre modulære deler betyr at den potensielle levetiden til et batteri er nesten ubestemt.

Selv om selskaper for tiden selger strømningsbatterier i industriell størrelse, forventer ikke professor Cook utbredt aksept før om fem til ti år. Han ser til og med for seg en dag da elbiler kan bruke teknologien. Cook beskriver en bil som kjører opp til en "bensinstasjon", tømmer ut den brukte elektrolytten, og deretter fyller på med en nyladet. I stedet for å vente en halvtime på at bilen starter på nytt, kan hjulene snurre igjen i løpet av få minutter. Men, selvfølgelig, den fremtiden er langt på vei.

Papir

Å lage et batteri av papir har mange fordeler: Det er tynt, fleksibelt og, hvis det er laget med de riktige materialene, biologisk nedbrytbart. Et team ved Stanford University utviklet tidlige papirbatterier ved å belegge tynne ark med karbon- og sølvmettet blekk. Mer nylig har øko-hoder blitt begeistret for batteriene som utvikles ved Binghamton University. Professor Seokheun "Sean" Choi har laget noen forskjellige inkarnasjoner av det, inkludert en drevet av spytt - eller mer vitenskapelig, menneskelig spytt - og en annen drevet av bakterier. En nylig inkarnasjon av biobatteriet utviklet av Choi og professor Omowunmi Sadik bruker poly (amisk) syre og poly (pyromellittisk dianhydrid-p-fenylendiamin) for å lage energikildene biologisk nedbrytbart.

"Vårt hybridpapirbatteri viste et mye høyere effekt-til-kostnadsforhold enn alle tidligere rapporterte papirbaserte mikrobielle batterier," sa Choi da innovasjonen ble annonsert. Selv om den kommersielle bruken av disse miljøvennlige papirbatteriene har vært begrenset på grunn av deres lave elektriske effekt (man kan drive et LED-lys for 20 minutter), håper forskere å se dem brukt i elektronikk, trådløse enheter, medisinske applikasjoner som pacemakere, fly og biler. Choi har skrevet en artikkel om å bruke dem som engangsstrømkilder for diagnostiske verktøy i utviklingsland der batterier kanskje ikke er lett tilgjengelige.

Luft

Luft kan faktisk være elektrisk, og ikke bare i det øyeblikket når du trykker kragen etter at en Phil Collins-låt kommer buldrende ut av Ferrari-høyttalerne. Sink-luft batterier, som er omtrent på størrelse med Smarties-godteri og drevet av reaksjonen mellom oksygen og sink, har blitt brukt i høreapparater i mange år. Sink er også billig og rikelig, noe som gjør teknologien økonomisk så vel som miljøvennlig.

Men det er begrensninger når du prøver å lage denne teknologien oppladbar. Dendrittkrystaller kan dannes under lading og kortslutte batteriet. Måter har blitt testet for å erstatte sinken, for eksempel å "lade opp batteriet mekanisk" ved fysisk å erstatte materialene, en tilnærming som har blitt prøvd i Singapores elektriske busser. Tallrike andre eksperimenter har blitt forsøkt med litium-luft- og metall-luft-batterier med varierende grader av energitetthet, effektnivå og kostnad. I løpet av det siste tiåret har Tesla innlevert flere patenter knyttet til lading litium-luft-batterier, så potensialet deres kan eksistere langt utover høreapparatene dine.

Jern

For noen år siden begynte kjemiprofessor Peter Allen ved University of Idaho å uttrykke sin fascinasjon for batterivitenskap på YouTube. Nesten umiddelbart fant han ut at seerne virkelig reagerer på batterimateriale, noe som inspirerte ham til å bygge et oppladbart jernbatteri som en pedagogisk demonstrasjon. Dette prosjektet har ført til mer enn 100 demonstrasjonsvideoer som forklarer trinnene, problemene og lærdommene til et pedagogisk batteriprosjekt.

"Jeg ønsker ikke å pitche meg selv som en batteriekspert, per se," erkjenner professoren, hvis ekspertiseområde er biologisk kjemi. Ved å lage YouTube-videoene innså han at det var mye å lære og lære ved å bygge et relativt billig gjør-det-selv-batteri.

"Deler av jernbatteriteknologien har eksistert i 100 år, så jeg tror mange som kan komme inn på dette med mye utenlandsk kunnskap ville bare si: 'Vel, det er det som er opptråkket mark - det er ingenting å finne der,' sier han. "Men da jeg var litt naiv, gikk jeg inn i den og sa: 'Vel, la oss prøve det, du kan finne noe interessant uansett.'"

Etter to år, mer enn 30 batterivarianter, og mye hjelp fra studenter, har Allen lært hvordan man balanserer flytende og faste materialer for å skape en optimal mengde energitetthet, men med lav makt.

"Så kom vi inn på hele dette spørsmålet om: 'Hvis du har en kjemi som fungerer, men som fungerer sakte, hvordan får du fart på den?'"

Selv om teamet løser den utfordringen, tilsier dagens teknologi at de beste bruksområdene for et jernbatteri sannsynligvis vil være et nabolaget microgrid energilagringsenhet eller solar farm power capture, gitt plassen som kreves og hastigheten på energien som sendes fra enhet.

Hvem vil vinne?

Vil Allens jernbatteri noen gang være kommersielt levedyktig? Han er ikke sikker på at teamets nåværende funn, som har blitt publisert i et vitenskapelig tidsskrift, vil bringe dem dit.

Etter å ha gjennomgått en rekke batterioppfinnelser, innser han at bare noen få av dem faktisk vil komme på markedet. I vitenskapelig forskning, forklarer han, er det en "dødsdal."

"Du har grunnforskningen som kommer opp med noe veldig kult," sier han. «Det er et spørsmål om det kan kommersialiseres. Og det er ingen penger til å stille det spørsmålet.» Forskere som finner nok penger til å svare på det første spørsmålet, vil da, hvis de er heldige, finne investorer som ønsker å foredle og kommersialisere ideen. "Men det er et gap mellom grunnforskningen og nødvendig raffinering for å lage en batterireklam."

I 2019 sank venturekapitalister 1,7 milliarder dollar til oppstart av batterier, med 1,4 milliarder av det som går til litium-ion-relatert forskning. Men strømningsbatterier, sink-luft, flytende metall og mange andre teknologier fikk også skriftlige sjekker. Mens litiumion-energilagring sannsynligvis vil dominere energilagring i minst 10 år til, ser mange andre allerede ut som om de vil komme seg ut av dødens dal.

Redaktørenes anbefalinger

• Fremtiden for bærekraft: En titt på den neste utviklingen av miljøteknologi
• Tiår senere vinner oppfinnerne av litium-ion-batterier Nobelprisen i kjemi
• Ingeniører har laget en ny type litiumbatteri som ikke vil eksplodere