Tukaj je vpogled v bližnjo prihodnost tehnologije baterij

Do takrat, ko je polkovnik Brent Wilson postal poveljnik baze v Oahuju Camp Smith, je bil napoten v zalivski in iraški vojni ter je vodil številne obrambne operacije na Kosovu. Toda sovražnik, s katerim se je soočil v havajski bazi, je bil drugačen od vseh, ki jih je videl na bojišču kot pilot helikopterja marinarjev. Moral se je boriti s starajočo se energetsko infrastrukturo, ki jo je redno teptalo tropsko vreme.

»Celotno električno omrežje je rutinsko odpovedalo in smo ostali brez posla,« pojasnjuje Wilson, ki je bil takrat tudi del ekipe, odgovorne za obrambne operacije v Tihem oceanu. "Tega res ne moreš imeti."

Toda boj proti slabi infrastrukturi je imel tudi premalo izkoriščenega zaveznika: sončno svetlobo. Wilson je začel kampanjo za namestitev sončni kolektorji in industrijske baterije, ki bi lahko ohranile vitalne dele delovanja na spletu, ko pridejo nevihte. Ta izkušnja mu je sčasoma pomagala pri odskočni deski v drugo kariero: Prodaja baterij, ki so dovolj velike, da vaš dom napajajo iz omrežja.

Baterijski strelec

Trg baterij je v zadnjih nekaj desetletjih močno narasel in pričakuje se, da se bo v naslednjih petih letih povečal še za 12 %. Mordorska inteligenca. Do leta 2025 bo to trg vreden 90 milijard dolarjev. V zadnjem desetletju so podjetja, kot so Tesla, Dyson in Daimler, v industrijo vložila milijarde dolarjev, bodisi z nakupom manjših podjetij ali gradnjo novih tovarn. če tisti klasični prizor iz Diplomant bi bili posneti danes, enobesedni karierni nasvet, dan liku Dustina Hoffmana, ne bi bil "plastika", ampak "baterije".

Kaj bo spodbudilo vso to rast? Cene litij-ionskih baterij se znižujejo, osebna elektronika in električni avtomobili se premikajo po njih, in med drugim več lastnikov stanovanj in energetskih podjetij, ki želijo shranjevati sončno in vetrno energijo energija.

Skupaj s to rastjo prihaja veliko odpadkov. Na žalost večina baterij konča na odlagališčih. Stopnje recikliranja litij-ionskih celic so grozljive: približno 5% za Združene države in Evropsko unijo. Raziskovalci iščejo načine, kako narediti litij-ionske baterije bolj primerne za recikliranje, a tudi če se to zgodi, moramo še vedno spremenite navade ljudi in podjetij, ki baterij sploh ne reciklirajo in jih zavržejo tako, da jih vržejo v smeti.

Poleg tega nekateri strokovnjaki pravijo, da je na voljo omejena količina litija, čeprav je o tem, kako omejena, predmet razprave. Pridobivanje kobalta in kobalta (ki se običajno uporablja za pozitivno elektrodo litij-ionske baterije) je zelo škodljivo za okolje in človeška cena. Poleg tega je cena kobalta v zadnjih nekaj letih opazno narasla.

Vse to postavlja vprašanje: Ali obstajajo cenejše, okolju prijaznejše baterije? Ali bi lahko uporabili kaj boljšega? Kaj prinaša prihodnost?

Veliko ljudi raziskuje možnosti. Od devetdesetih let prejšnjega stoletja več kot 300.000 patenti, povezani z baterijami vloženih (samo v letu 2017 več kot 30.000). Medtem ko je velik odstotek teh izumov povezanih z litij-ionsko tehnologijo, se veliko dela izvaja na elektrolitu v trdnem stanju, anodi na osnovi silicija, litij-zrak, grafen in druge možnosti, od katerih so nekatere okolju prijazne, druge pa okoljsko nič boljše od litij-ionskih, a verjetno več učinkovito.

Medtem ko se večina teh novih vrst baterij verjetno ne bo tržila tako široko kot litij-ionske (vsaj v naslednjih nekaj desetletjih), lahko služijo res velikim tržnim nišam. Tukaj je nekaj priljubljenih.

Litijev železov fosfat

Kmalu za polk. Wilson se je upokojil iz vojske, vodilni v podjetju za proizvodnjo solarnih panelov so ga prosili, naj se poglobi v svoja leta pridobivanja hranilnikov energije znanja (vojska je eden največjih uporabnikov baterij na svetu), se odpravite na sejem CES v Las Vegasu in preglejte trenutni pridelek doma baterije. Po potovanju je ustvaril velikansko preglednico, da bi pojasnil, zakaj ni bil zadovoljen z možnostmi, ki jih je videl. Najboljše baterije so bile bodisi precenjene za povprečnega lastnika stanovanja (30.000 dolarjev več) ali pa niso imele dovolj moči. Nato je delal z NeoVolta ustvariti linijo baterij, ki običajno stanejo v zelo nizkih dvomestnih številkah.

Okoljsko naravnani kemičarji vam bodo to hitro povedali litij-železov fosfat shranjevanje energije je le še ena vrsta litij-ionske baterije, ki ima nekaj opaznih prednosti: je cenejša, ima bolj gosta energija, daljša življenjska doba in se ne vname, če notranjost poči (kar se lahko zgodi pri litij-ionskem baterije). Slabosti? Je izjemno težek (zato je bolje, če stoji na vaši zadnji verandi in ne v telefonu), v ohišju je še vedno litij in pot recikliranja ni jasna.

Le malo jih je sprejelo litij-železo-fosfatne baterije, zaradi česar je težko vedeti, kako dobra je njihova stopnja recikliranja. Nekateri raziskovalci trdijo, da jih je lažje razdeliti na sestavne dele.

Litij-žveplo

Nekateri strokovnjaki stavijo na litij-žveplovo shranjevanje energije, ki bo nadomestilo litij-ionsko, saj so baterije običajno lažje in energijsko gostejše. Tudi žvepla je veliko in je cenejše.

Kakšna je razlika med delovanjem litij-ionskih in litij-žveplovih baterij? Profesorica Linda Nazar, čigar laboratorij na kanadski univerzi Waterloo zadnjih 10 let preučuje litij-žveplove baterije, za opis razlik uporablja analogijo parkirne hiše. Medtem ko je polnjenje in praznjenje litij-ionske baterije podobno vožnji avtomobilov v parkirno hišo in iz nje, litij-žveplova baterija »skoraj poruši celotno strukturo parkirne hiše in jo nato znova zgradi, ko jo ponovno napolnite celica."

Kemična reakcija je podobna temu, kar se zgodi v svinčevi bateriji, kjer pride do popolne strukturne in kemične transformacije. Te "pretvorbene" baterije imajo svoje prednosti in izzive. "Imajo prednost, da lahko shranijo več elektronov," pravi Nazar. Po drugi strani pa ima žveplo razmeroma nizko prevodnost in prostornina baterij se po izpraznitvi spremeni. Ekipa v laboratoriju Univerze Waterloo spreminja komponente v bateriji, da bi podaljšala življenjsko dobo in optimizirala reakcije baterije. Če bodo nekateri izzivi baterije rešeni, Nazar predvideva, da jih bodo uporabljali tako v letalstvu kot tudi v dronih. The letala Zephyr in UAV-ji, ki so opravili nekaj dolgih poletov na električni pogon, se pogosto zanašajo na litij-žveplove baterije.

Natrijev ion

Kot se je izkazalo, je element periodnega sistema, ki je tako slab za vaše srce, precej dober za baterije. Raziskave natrijevih ionskih baterij so se začele v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, približno istočasno kot litij-ionsko shranjevanje energije. Oba elementa sta soseda v periodnem sistemu. Nato je litij-ionska naprava vzletela, natrijeva pa je naslednja tri desetletja veljala za manj energijsko.

»Videti je kot najboljša stvar naokoli,« pravi Nazar, čigar laboratorij dela tudi s shranjevanjem energije na osnovi natrija. »Natrijeve ionske baterije dajejo možnost dela z elementi, ki so bogati z zemljo – pozitivnimi elektrodami, narejenimi iz stvari, kot so železo, mangan in titan – elementi, ki so veliko nižji. Toda doseči, da bo ta kemija dobro delovala, je izziv, ker preprosto ni isto kot litij.«

Nazar ugotavlja, da se nekaterim podjetjem ne zdi vredno vlagati v natrijeve ionske baterije, ker stroški litij-ionskih baterij ves čas padajo.

»Mislim, da je verjetno vredno vložiti veliko sredstev v natrijeve ionske baterije,« pravi. "Če pride a-ha trenutek, ko natrijeve ionske baterije delujejo zelo dobro, z visoko gostoto energije, bi bil to velik korak naprej."

sladkor

Verjeli ali ne, baterijo lahko napajate s sladkorjem, kot bi malček skočil na cake pops. Sony je leta 2007 prvič objavil raziskavo o reakciji, pri kateri maltodekstrin oksidira, da ustvari energijo. Čeprav je dostopnost materiala in okolju prijaznost sladkornih baterij veliko večja od litij-ionskih, je napetost, ki nastane zaradi njihove kemične reakcije, bistveno nižja. Torej, verjetno boste želeli odložiti svojo Teslo s škatlo Crunchberries.

Čeprav se je prvotni koncept prvič pojavil leta 2007, je sladkorna baterija koncept ima še nekaj soka v sebi. Leta 2016 je skupina tehnološkega inštituta v Massachusettsu pod vodstvom profesorja Michaela Strana ustvarila napravo, imenovano Thermopower Wave, ki je veliko bolj učinkovit od prejšnjih inkarnacij sladkornih baterij in lahko napaja komercialne LED svetloba. To je vznemirljiv razvoj dogodkov, saj je sladkorja zelo veliko, tako da če lahko ugotovimo izvedljiv način za proizvodnjo teh baterij, bi verjetno lahko to tehnologijo hitro povečali. Na žalost bo komercialna razpoložljivost verjetno čez nekaj let.

Tok

Pretočna baterija je strukturirana drugače kot večina drugih: namesto da bi v eni enoti združili kup reaktivnih materialov (kot običajne baterije) pretočne baterije shranjujejo reaktivne tekočine v ločenih posodah in jih nato črpajo v sistem, da ustvarijo energija. Prav tako so ogromni in zasnovani za shranjevanje energije v omrežju - ne za elektroniko in stvari, ki se lahko udobno prilegajo vaši dlani.

Izvirnik pretočna baterija naj bi tehtal 1000 funtov in je bil izumljen v poznem 19. stoletju za premeteno napajanje poimenovali francoski cepelin "La France". Zanimanje za modularno shranjevanje energije je od takrat naraščalo in upadalo potem.

»Mislim, da tisto, kar resnično spodbuja eksplozijo in zanimanje za pretočne baterije, ni toliko izdelava naslednje generacije baterij za telefoni ali računalniki, temveč srednje do veliko shranjevanje energije,« pojasnjuje Timothy Cook, profesor kemije na Univerzi v Bivol. Torej, razen če izdelujete steampunk mobilni telefon, je malo verjetno, da boste s seboj nosili pretočne baterije, ki se aktivirajo z mikroskopskimi črpalkami. Vendar ko bo več domov namestilo sončno energijo, bo trg za shranjevanje »personalizirane energije« rasel.

Medtem ko povečanje moči litij-ionskih baterij pomeni povečanje velikosti baterije, dizajn pretočnih baterij omogoča povečanje energije s povečanjem velikosti tekočine rezervoarji. Podjetje San Diego Power and Electric je pred kratkim namestilo napravo, ki lahko napaja 1.000 domov.

»Ni vam treba spremeniti nobene dimenzije membrane [kjer pride do kemične reakcije], samo da skozenj dlje časa pretaka večji volumen tekočine in to energijo lahko črpaš ven,« pojasnjuje Kuhaj. "Torej je veliko veliko lažje povečati ali zmanjšati ali pa ga lahko v bistvu prilagodite namestitvi."

Pretočne baterije imajo tudi veliko več ciklov polnjenja kot večina baterij. Možnost zamenjave tekočin ali zamenjave drugih modularnih delov pomeni, da je potencialna življenjska doba baterije skoraj neomejena.

Čeprav podjetja trenutno prodajajo pretočne baterije industrijske velikosti, profesor Cook ne pričakuje splošnega sprejemanja še naslednjih pet do deset let. Predstavlja si celo dan, ko bi električni avtomobili lahko uporabljali to tehnologijo. Cook opisuje avto, ki se pripelje do »bencinske črpalke«, izprazni porabljeni elektrolit in nato ponovno napolni sveže napolnjenega. Namesto da čakate pol ure, da se vaš avto ponovno zažene, se lahko kolesa spet zavrtijo v nekaj minutah. Toda ta prihodnost je seveda daleč stran.

Papir

Izdelava baterije iz papirja ima veliko prednosti: je tanka, prožna in biološko razgradljiva, če je izdelana iz pravih materialov. Ekipa na Univerzi Stanford je razvila zgodnje papirnate baterije s premazovanjem tankih listov s črnilom, nasičenim z ogljikom in srebrom. V zadnjem času so se eko-vodje navdušile nad baterijami, ki jih razvijajo na univerzi Binghamton. Profesor Seokheun »Sean« Choi je naredil nekaj različnih inkarnacij, vključno z eno, ki jo poganja izpljunek – ali bolj znanstveno, človeška slina – in drugo, ki jo poganjajo bakterije. Nedavna inkarnacija biobaterije, ki sta jo razvila Choi in profesor Omowunmi Sadik, uporablja poli (aminska) kislina in poli (piromelitni dianhidrid-p-fenilendiamin) za izdelavo virov energije biorazgradljivo.

"Naša hibridna papirnata baterija je pokazala veliko višje razmerje med močjo in ceno kot vse doslej poročane mikrobne baterije na osnovi papirja," je dejal Choi ob predstavitvi inovacije. je bil napovedan. Čeprav je bila komercialna uporaba teh okolju prijaznih papirnatih baterij omejena zaradi njihove nizke električne moči (lahko napajate LED-luč za približno 20 minut), raziskovalci upajo, da jih bodo videli uporabljati v elektroniki, brezžičnih napravah, medicinskih aplikacijah, kot so srčni spodbujevalniki, letala in avtomobili. Choi je napisal prispevek o njihovi uporabi kot viri energije za enkratno uporabo za diagnostična orodja na oskrbi v državah v razvoju, kjer baterije morda niso na voljo.

zrak

Zrak je dejansko lahko električen, in to ne samo v tistem trenutku, ko pokličete ovratnik, potem ko iz zvočnikov vašega Ferrarija zagrmi melodija Phila Collinsa. Cink-zrak baterije, ki so približno velikosti bonbonov Smarties in jih poganja reakcija med kisikom in cinkom, se že vrsto let uporabljajo v slušnih aparatih. Cink je tudi poceni in ga je v izobilju, zaradi česar je tehnologija ekonomična in okolju prijazna.

Toda pri ustvarjanju te tehnologije obstajajo omejitve polnilna. Med polnjenjem lahko nastanejo kristali dendritov in pride do kratkega stika v bateriji. Preizkušeni so bili načini za zamenjavo cinka, kot je "mehansko ponovno polnjenje" baterije s fizično zamenjavo materialov, pristop, ki so ga preizkusili v singapurskih električnih avtobusih. Izvedeni so bili številni drugi poskusi z baterijami litij-zrak in kovina-zrak z različnimi stopnjami energijske gostote, ravni moči in stroškov. V zadnjem desetletju je Tesla vložila več patentov, povezanih s polnjenjem litij-zračne baterije, zato lahko njihov potencial obstaja daleč onkraj vaših slušnih aparatov.

Železo

Pred nekaj leti je profesor kemije na Univerzi v Idahu Peter Allen na YouTubu začel izražati svoje navdušenje nad znanostjo o baterijah. Skoraj takoj je ugotovil, da se gledalci resnično odzivajo na baterijski material, kar ga je navdihnilo, da je kot izobraževalno predstavitev izdelal železno baterijo za ponovno polnjenje. Ta projekt je vodil do več kot 100 predstavitvenih videoposnetkov, ki pojasnjujejo korake, težave in učenja izobraževalnega projekta baterij.

"Sam po sebi se ne želim predstavljati kot strokovnjak za baterije," priznava profesor, katerega strokovno področje je biološka kemija. Pri snemanju videoposnetkov na YouTubu je ugotovil, da se je mogoče veliko naučiti in naučiti z izdelavo relativno poceni baterije, ki jo naredi sam.

»Deli tehnologije železnih baterij obstajajo že 100 let, zato menim, da bi veliko ljudi, ki bi se lahko lotili tega veliko tujega znanja bi samo reklo: 'No, to je uhojena tla - tam ni ničesar najti',« pravi. "A ker sem bil nekoliko naiven, sem stopil vanj in rekel: 'No, poskusiva, vseeno lahko najdeš kaj zanimivega.'"

Po dveh letih, več kot 30 različicah baterij in veliki pomoči dodiplomskih študentov je Allen naučili, kako uravnotežiti tekoče in trdne materiale, da ustvarite optimalno količino gostote energije, vendar z nizko moč.

"Potem smo se lotili celotnega vprašanja:" Če imate kemijo, ki deluje, vendar deluje počasi, kako jo pospešite?

Tudi če ekipa reši ta izziv, trenutna tehnologija narekuje, da bodo najboljše aplikacije za železno baterijo verjetno a mikroomrežna enota za shranjevanje energije v soseščini ali zajemanje energije sončne farme glede na potreben prostor in hitrost energije, poslane iz enota.

Kdo bo zmagal?

Ali bo Allenova železna baterija kdaj komercialno uspešna? Ni prepričan, da jih bodo trenutne ugotovitve njegove ekipe, ki so bile objavljene v znanstveni reviji, pripeljale tja.

Po pregledu številnih izumov baterij ugotavlja, da jih bo le nekaj dejansko prišlo na trg. V znanstvenih raziskavah, pojasnjuje, obstaja "dolina smrti".

"Imate temeljne raziskave, s katerimi se odkrije nekaj res kul," pravi. »Postavlja se vprašanje, ali ga je mogoče komercializirati. In ni denarja za to vprašanje." Raziskovalci, ki najdejo dovolj denarja za odgovor na to začetno vprašanje, bodo nato, če bodo imeli srečo, našli vlagatelje, ki želijo izpopolniti in komercializirati idejo. "Vendar obstaja vrzel med osnovnimi raziskavami in potrebnimi izboljšavami za izdelavo reklame za baterije."

Leta 2019 so tvegani kapitalisti potonili 1,7 milijarde dolarjev v zagon baterij, od tega bo 1,4 milijarde namenjenih raziskavam, povezanim z litijem. Toda pretočne baterije, cink-zrak, tekoča kovina in številne druge tehnologije so prejele tudi pisne preglede. Medtem ko bo litij-ionsko shranjevanje energije verjetno še vsaj 10 let prevladovalo nad shranjevanjem energije, se zdi, da se bodo mnogi drugi že izognili iz doline smrti.

Priporočila urednikov

• Prihodnost trajnosti: pogled na naslednji razvoj okoljske tehnologije
• Desetletja pozneje so izumitelji litij-ionske baterije prejeli Nobelovo nagrado za kemijo
• Inženirji so naredili novo vrsto litijeve baterije, ki ne bo eksplodirala