Tu je pohľad na blízku budúcnosť technológie batérií

V čase, keď sa plukovník Brent Wilson stal veliteľom základne na Oahu's Camp Smith, bol nasadený vo vojnách v Perzskom zálive a Iraku a viedol početné obranné operácie v Kosove. Nepriateľ, ktorému čelil na havajskej základni, sa však líšil od všetkých, ktorých videl na bojisku ako pilot helikoptér námornej pechoty. Musel zápasiť so starnúcou energetickou infraštruktúrou, ktorú pravidelne pošliapalo tropické počasie.

„Celá elektrická sieť sa rutinne vypínala a vyradila nás z prevádzky,“ vysvetľuje Wilson, ktorý bol v tom čase tiež súčasťou tímu zodpovedného za obranné operácie v Tichomorí. "To naozaj nemôžeš mať."

Ale boj proti zlej infraštruktúre mal aj nedostatočne využívaného spojenca: slnečné svetlo. Wilson začal kampaň na inštaláciu solárne panely a priemyselné batérie, ktoré dokážu udržať dôležité časti prevádzky online, keď zasiahnu búrky. Táto skúsenosť mu nakoniec pomohla k druhej kariére: Predaj batérií dostatočne veľkých na to, aby napájali váš domov zo siete.

Výbuch batérie

Trh s batériami sa za posledných niekoľko desaťročí rozrástol a očakáva sa, že v nasledujúcich piatich rokoch vzrastie o ďalších 12 %. Mordorská inteligencia. Do roku 2025 to bude trh s hodnotou 90 miliárd dolárov. Za posledné desaťročie spoločnosti ako Tesla, Dyson a Daimler investovali do tohto odvetvia miliardové investície, buď akvizíciou menších spoločností, alebo výstavbou nových tovární. Ak tá klasická scéna z Absolvent boli natočené dnes, jednoslovná kariérna rada poskytnutá postave Dustina Hoffmana by nebola „plasty“, boli by to „batérie“.

Čo poháňa celý ten rast? Cena lítium-iónových batérií klesá, hýbe sa nimi osobná elektronika a elektrické autá, a okrem iných faktorov aj viac majiteľov domov a energetických spoločností, ktoré chcú skladovať solárnu a veternú energiu energie.

Spolu s týmto rastom prichádza veľa odpadu. Bohužiaľ, väčšina batérií končí na skládkach. Miera recyklácie lítium-iónových článkov je strašná: Približne 5% pre Spojené štáty americké a Európsku úniu. Výskumníci nachádzajú spôsoby, ako urobiť lítium-iónové batérie lepšie recyklovateľné, ale aj keby sa to stalo, stále to potrebujeme zmeniť návyky ľudí a korporácií, ktoré batérie vôbec nerecyklujú a zlikvidovať ich tak, že ich vyhodia do smeti.

Niektorí odborníci ďalej tvrdia, že je k dispozícii obmedzené množstvo lítia, aj keď o tom, aké obmedzené, je potrebné diskutovať. Jeho ťažba a kobalt (ktorý sa bežne používa pre kladnú elektródu lítium-iónovej batérie) prichádza s vysokým environmentálnym a ľudské náklady. Navyše cena kobaltu za posledných niekoľko rokov výrazne vzrástla.

To všetko vyvoláva otázku: Existujú lacnejšie a ekologickejšie batérie? Mohli by sme použiť niečo lepšie? Čo prinesie budúcnosť?

Veľa ľudí skúma možnosti. Od 90. rokov viac ako 300-tisíc patenty týkajúce sa batérií boli podané (len v roku 2017 viac ako 30 000). Zatiaľ čo veľké percento týchto vynálezov súvisí s lítium-iónovou technológiou, veľa práce sa robí na pevnom elektrolyte, anóde na báze kremíka, lítium-vzduch, grafén a ďalšie možnosti, z ktorých niektoré sú šetrné k životnému prostrediu a iné, ktoré nie sú z hľadiska životného prostredia o nič lepšie ako lítium-iónové, ale možno ešte viac efektívne.

Zatiaľ čo väčšina týchto nových typov batérií sa pravdepodobne nebude predávať tak široko ako lítium-iónové batérie (aspoň v najbližších niekoľkých desaťročiach), môžu slúžiť skutočne veľkým špecializovaným trhom. Tu sú niektoré z populárnych.

Fosforečnan lítno-železitý

Čoskoro potom, čo plk. Wilson odišiel z armády a vedúci pracovníci spoločnosti so solárnymi panelmi ho požiadali, aby sa ponoril do svojich rokov získavania skladovania energie znalosti (armáda je jedným z najväčších používateľov batérií na svete), urobte si výlet na CES v Las Vegas a preskúmajte aktuálnu úrodu batérie. Po výlete vytvoril obrovskú tabuľku, aby vysvetlil, prečo nebol spokojný s možnosťami, ktoré videl. Najlepšie batérie boli pre priemerného majiteľa domu buď predražené (viac ako 30 000 dolárov), alebo nemali dostatok energie. Potom pracoval s NeoVolta na vytvorenie radu batérií, ktorých cena sa zvyčajne pohybuje vo veľmi nízkych dvojciferných číslach.

Ekologicky zmýšľajúci chemici vám to rýchlo povedia lítium-železo-fosfát skladovanie energie je len ďalší typ lítium-iónovej batérie, aj keď má niekoľko pozoruhodných výhod: je lacnejšia, má hustejšia energia, dlhšia životnosť a nevznieti sa, ak praskne vnútro (čo sa môže stať pri lítium-iónových batérie). Nevýhody? Je extrémne ťažký (preto je lepšie, ak sedí na vašej zadnej verande a nie vo vašom telefóne), puzdro stále obsahuje lítium a cesta recyklácie je nejasná.

Len málo z nich si osvojilo lítium-železo-fosfátové batérie, takže je ťažké zistiť, aká dobrá je miera ich recyklácie. Niektorí výskumníci tvrdia, že je ľahšie ich rozdeliť na jednotlivé časti.

Lítium-síra

Niektorí odborníci vsádzajú na skladovanie lítium-sírovej energie, aby nahradili lítium-iónové, pretože batérie majú tendenciu byť ľahšie a energeticky hustejšie. Síra je tiež hojná a lacnejšia.

Aký je rozdiel medzi tým, ako fungujú lítium-iónové a lítium-sírové batérie? Profesor Linda Nazar, ktorej laboratórium na kanadskej University of Waterloo študuje lítium-sírové batérie posledných 10 rokov, používa na opísanie rozdielov analógiu s parkovacím domom. Zatiaľ čo nabíjanie a vybíjanie lítium-iónovej batérie je ako vozenie auta do parkovacej garáže a von z nej, Lítium-sírová batéria „takmer zbúra celú konštrukciu parkovacej garáže a potom ju znovu postaví, keď ju dobijete bunka."

Chemická reakcia je podobná tomu, čo sa deje v olovenej batérii, kde dochádza k úplnej štrukturálnej a chemickej transformácii. Tieto „konverzné“ batérie majú svoje výhody a výzvy. „Majú tú výhodu, že dokážu uložiť viac elektrónov,“ hovorí Nazar. Na druhej strane má síra relatívne nízku vodivosť a objem batérií sa po vybití mení. Tím z laboratória University of Waterloo vylepšuje komponenty v batérii, aby zvýšil životnosť cyklu a optimalizoval reakcie batérie. Ak sa vyriešia niektoré problémy s batériou, Nazar si predstavuje, že sa použijú v letectve, ako aj v dronoch. The Lietadlá Zephyr a UAV, ktoré absolvovali niektoré dlhé lety na elektrický pohon, sa často spoliehajú na lítium-sírové batérie.

Sodík-ión

Ako sa ukázalo, prvok periodickej tabuľky, ktorý je taký zlý pre vaše srdce, je celkom dobrý pre batérie. Výskum sodíkovo-iónových batérií sa začal v sedemdesiatych rokoch minulého storočia, približne v rovnakom čase ako ukladanie lítium-iónovej energie. Tieto dva prvky sú susedmi v periodickej tabuľke. Potom lítium-ión vzlietol a sodíkový ión bol považovaný za menej energický, ktorý bežal počas nasledujúcich troch desaťročí.

"Vyzerá to ako najlepšia vec na svete," hovorí Nazar, ktorého laboratórium tiež pracuje s ukladaním energie na báze sodíka. „Sodíkovo-iónové batérie dávajú možnosť pracovať s prvkami bohatými na zem – kladnými elektródami vyrobenými z vecí ako železo, mangán a titán – s prvkami, ktoré sú oveľa lacnejšie. Ale zabezpečiť, aby táto chémia dobre fungovala, je výzvou, pretože to jednoducho nie je to isté ako lítium.“

Nazar poznamenáva, že niektoré spoločnosti si nemyslia, že sa oplatí investovať do sodíkovo-iónových batérií, pretože náklady na lítium-iónové batérie neustále klesajú.

„Myslím si, že sa pravdepodobne oplatí investovať veľa zdrojov do sodíkových iónových batérií,“ hovorí. "Ak existuje a-ha moment, ktorý má sodíkovo-iónové batérie fungujúce naozaj dobre, s vysokou hustotou energie, bol by to obrovský krok vpred."

Cukor

Verte tomu alebo nie, môžete napájať batériu na cukor ako batoľa, ktoré skočilo na tortu. Spoločnosť Sony prvýkrát zverejnila výskum o reakcii, pri ktorej sa maltodextrín oxiduje na energiu v roku 2007. Hoci materiálová dostupnosť a ekologickosť cukrových batérií je oveľa vyššia ako u lítium-iónových, napätie vytvorené ich chemickou reakciou je výrazne nižšie. Takže pravdepodobne budete chcieť odložiť kŕmenie vašej Tesly krabicou Crunchberries.

Hoci pôvodný koncept sa prvýkrát objavil v roku 2007, cukrová batéria koncept má v sebe ešte šťavu. V roku 2016 tím Massachusetts Institute of Technology pod vedením profesora Michaela Strana vytvoril zariadenie s názvom Thermopower Wave, ktorá je oveľa efektívnejšia ako predchádzajúce inkarnácie cukrovej batérie a môže napájať komerčnú LED svetlo. Toto je vzrušujúci vývoj, pretože cukor je veľmi bohatý, takže ak dokážeme nájsť životaschopný spôsob výroby týchto batérií, pravdepodobne by sme mohli túto technológiu rýchlo rozšíriť. Bohužiaľ, komerčná dostupnosť je pravdepodobne až o niekoľko rokov.

Prietok

Prietoková batéria je štruktúrovaná inak ako väčšina ostatných: Namiesto toho, aby sa do jednej jednotky zbalila skupina reaktívnych materiálov (ako bežné batérie), prietokové batérie uchovávajú reaktívne kvapaliny v samostatných nádobách a potom ich čerpajú do systému, aby vytvorili energie. Sú tiež obrovské a určené na skladovanie energie v sieti – nie na elektroniku a veci, ktoré sa pohodlne zmestia do dlane.

Pôvodné prietoková batéria údajne vážil 1000 libier a bol vynájdený koncom 19. storočia, aby poháňal šikovne s názvom francúzska vzducholoď „La France“. Záujem o modulárne úložisko energie odvtedy stúpal a klesal potom.

„Myslím si, že to, čo skutočne vedie k explózii a záujmu o prietokové batérie, nie je ani tak o výrobe batérií ďalšej generácie telefóny alebo počítače, ale stredné až veľké úložisko energie,“ vysvetľuje Timothy Cook, profesor chémie na Univerzite Buffalo. Takže, pokiaľ nevyrábate steampunkový mobilný telefón, je nepravdepodobné, že budete so sebou nosiť nejaké prietokové batérie aktivované mikroskopickými pumpami. Keďže však viac domácností inštaluje solárnu energiu, trh s „personalizovaným ukladaním energie“ bude rásť.

Zatiaľ čo výkon lítium-iónových batérií znamená zvýšenie veľkosti batérie, dizajnu prietokových batérií umožňuje zvýšiť energiu zväčšením veľkosti kvapaliny nádrží. Spoločnosť San Diego Power and Electric nedávno nainštalovala zariadenie, ktoré dokáže napájať 1000 domov.

„Nemusíte meniť žiadne rozmery membrány [kde prebieha chemická reakcia], stačí aby cez ňu pretekal väčší objem kvapaliny dlhší čas a tú energiu môžete extrahovať von,“ vysvetľuje Cook. "Takže je oveľa oveľa jednoduchšie zväčšiť alebo zmenšiť alebo si to v podstate môžete prispôsobiť podľa inštalácie."

Prietokové batérie majú tiež oveľa viac nabíjacích cyklov ako väčšina batérií. Schopnosť nahradiť kvapaliny alebo nahradiť iné modulárne časti znamená, že potenciálna životnosť batérie je takmer neobmedzená.

Aj keď spoločnosti v súčasnosti predávajú prietokové batérie priemyselnej veľkosti, profesor Cook neočakáva rozšírené prijatie na ďalších päť až desať rokov. Dokonca si predstavuje deň, kedy by túto technológiu mohli využívať elektromobily. Cook opisuje auto pristavujúce sa k „čerpacej stanici“, vypúšťajúce spotrebovaný elektrolyt a potom ho dopĺňajúce čerstvo nabitým. Namiesto polhodinového čakania, kým sa vaše auto reštartuje, sa kolesá môžu v priebehu niekoľkých minút znova pretočiť. Ale, samozrejme, táto budúcnosť je ďaleko.

Papier

Výroba batérie z papiera má mnoho výhod: Je tenká, flexibilná a ak je vyrobená zo správnych materiálov, biologicky odbúrateľná. Tím na Stanfordskej univerzite vyvinul prvé papierové batérie potiahnutím tenkých listov atramentom nasýteným uhlíkom a striebrom. V poslednej dobe sú eko-hlavy nadšené z batérií vyvíjaných na Binghamtonskej univerzite. Profesor Seokheun „Sean“ Choi z nej urobil niekoľko rôznych inkarnácií, vrátane jednej poháňanej pľuvancami – alebo vedecky povedané, ľudskými slinami – a ďalšej poháňanej baktériami. Nedávna inkarnácia biobatérie, ktorú vyvinuli Choi a profesor Omowunmi Sadik, využíva poly (amová) kyselina a poly(pyromellitic dianhydrid-p-fenyléndiamín) na výrobu zdrojov energie biologicky odbúrateľný.

„Naša hybridná papierová batéria vykazovala oveľa vyšší pomer energie k nákladom ako všetky predtým uvádzané papierové mikrobiálne batérie,“ povedal Choi pri inovácii. bolo oznámené. Hoci komerčné využitie týchto ekologických papierových batérií je obmedzené vzhľadom na ich nízky elektrický výkon (možno napájať LED svetlo napr. asi 20 minút), vedci dúfajú, že ich uvidia používať v elektronike, bezdrôtových zariadeniach, medicínskych aplikáciách, ako sú kardiostimulátory, lietadlá a automobiloch. Choi napísal dokument o ich využívaní ako jednorazových zdrojov energie pre diagnostické nástroje na mieste starostlivosti v rozvojových krajinách, kde batérie nemusia byť ľahko dostupné.

Vzduch

Vzduch môže byť skutočne elektrický, a to nielen v momente, keď si natiahnete golier po tom, čo z reproduktorov vášho Ferrari zaznie melódia Phila Collinsa. Zinkovo-vzduchové batérie, ktoré sú veľké asi ako cukríky Smarties a poháňané reakciou medzi kyslíkom a zinkom, sa v načúvacích prístrojoch používajú už mnoho rokov. Zinok je tiež lacný a hojný, vďaka čomu je technológia ekonomická a zároveň šetrná k životnému prostrediu.

Pri pokuse o vytvorenie tejto technológie však existujú obmedzenia dobíjacie. Počas nabíjania sa môžu vytvoriť kryštály dendritu a spôsobiť skrat batérie. Boli testované spôsoby výmeny zinku, ako je „mechanické dobíjanie“ batérie fyzickou výmenou materiálov, prístup, ktorý bol vyskúšaný v singapurských elektrických autobusoch. Boli uskutočnené mnohé ďalšie experimenty s lítium-vzduchovými a kov-vzduchovými batériami s rôznym stupňom hustoty energie, úrovne výkonu a ceny. Za posledných desať rokov spoločnosť Tesla podala niekoľko patentov súvisiacich s nabíjaním lítium-vzduchové batérie, takže ich potenciál môže existovať ďaleko za hranicami vašich načúvacích prístrojov.

Železo

Pred niekoľkými rokmi profesor chémie z University of Idaho Peter Allen začal na YouTube vyjadrovať svoju fascináciu vedou o batériách. Takmer okamžite zistil, že diváci skutočne reagujú na materiál batérie, čo ho inšpirovalo k zostrojeniu dobíjacej železnej batérie ako vzdelávacej demonštrácie. Tento projekt viedol k viac ako 100 demonštračným videám vysvetľujúcim kroky, problémy a poznatky zo vzdelávacieho projektu batérie.

„Nechcem sa sám osebe stavať ako odborník na batérie,“ uznáva profesor, ktorého oblasťou odbornosti je biologická chémia. Pri vytváraní videí na YouTube si uvedomil, že sa toho dá veľa naučiť a naučiť sa vytvorením relatívne lacnej batérie pre domácich majstrov.

„Časti technológie železných batérií existujú už 100 rokov, takže si myslím, že veľa ľudí by mohlo prísť do toho s veľa zahraničných poznatkov by len povedalo: ‚No, to je prešľapaná zem – nič sa tam nedá nájsť,‘“ hovorí. "Ale keďže som bol trochu naivný, vošiel som do toho a povedal som: ,No, skúsme to, aj tak nájdete niečo zaujímavé."

Po dvoch rokoch, viac ako 30 variantoch batérií a veľkej pomoci od vysokoškolských študentov, má Allen naučili, ako vyvážiť tekuté a pevné materiály, aby sa vytvorilo optimálne množstvo hustoty energie, ale s nízkou moc.

„Potom sme sa dostali k celej tejto otázke: ‚Ak máte chémiu, ktorá funguje, ale funguje pomaly, ako ju urýchlite?‘“

Aj keď tím vyrieši túto výzvu, súčasná technológia diktuje, že najlepšie aplikácie pre železnú batériu budú pravdepodobne a susedná mikrosieťová jednotka na ukladanie energie alebo zachytávanie energie zo solárnej farmy vzhľadom na požadovaný priestor a rýchlosť odoslanej energie jednotka.

Kto vyhrá?

Bude Allenova železná batéria niekedy komerčne životaschopná? Nie je si istý, či sa tam dostanú aktuálne zistenia jeho tímu, ktoré boli publikované vo vedeckom časopise.

Po preskúmaní mnohých vynálezov batérií si uvedomuje, že len niekoľko z nich sa skutočne dostane na trh. Vo vedeckom výskume, vysvetľuje, existuje „údolie smrti“.

"Máte základný výskum, ktorý prichádza s niečím naozaj skvelým," hovorí. „Je tu otázka, či sa to dá komercializovať. A na položenie tejto otázky nie sú peniaze." Výskumníci, ktorí nájdu dostatok peňazí na zodpovedanie tejto počiatočnej otázky, potom, ak budú mať šťastie, nájdu investorov, ktorí chcú túto myšlienku vylepšiť a komercializovať. "Je tu však priepasť medzi základným výskumom a nevyhnutnou rafináciou, aby sa batérie dostali na trh."

V roku 2019 sa potopili investori rizikového kapitálu 1,7 miliardy dolárov na spustenie výroby batérií, pričom 1,4 miliardy z toho ide na výskum súvisiaci s lítium-iónmi. Ale prietokové batérie, zinok-vzduch, tekutý kov a mnohé ďalšie technológie tiež dostali písomné kontroly. Zatiaľ čo skladovanie lítium-iónovej energie bude pravdepodobne dominovať skladovaniu energie najmenej ďalších 10 rokov, mnohí ďalší už vyzerajú, že sa dostanú von z údolia smrti.

Odporúčania redaktorov

• Budúcnosť udržateľnosti: Pohľad na ďalší vývoj environmentálnych technológií
• O niekoľko desaťročí neskôr vynálezcovia lítium-iónových batérií získali Nobelovu cenu za chémiu
• Inžinieri vytvorili nový typ lítiovej batérie, ktorá nevybuchne