Ево завиривања у блиску будућност технологије батерија

У време када је пуковник Брент Вилсон постао командант базе у кампу Смит на Оахуу, био је ангажован у ратовима у Заливу и Ираку и водио је бројне одбрамбене операције на Косову. Али непријатељ са којим се суочио у хавајској бази био је другачији од свих које је видео на бојном пољу као пилот хеликоптера маринског корпуса. Морао је да се бори са застарелом енергетском инфраструктуром коју је редовно газило тропско време.

„Читава електроенергетска мрежа се рутински кварила и искључила нас из посла“, објашњава Вилсон који је у то време такође био део тима одговорног за одбрамбене операције широм Пацифика. "Не можете то заиста имати."

Али борба против лоше инфраструктуре имала је и недовољно искоришћеног савезника: Сунчеву светлост. Вилсон је започео кампању за инсталацију соларни панели и индустријске батерије које би могле да одржавају виталне делове операције на мрежи када ударе олује. То искуство му је на крају помогло у другој каријери: продавати батерије довољно велике да напајају ваш дом без мреже.

Бум батерије

Тржиште батерија је порасло у протеклих неколико деценија и очекује се да ће порасти за још 12% у наредних пет година, према Мордор Интеллигенце. До 2025. то ће бити тржиште од 90 милијарди долара. Током протекле деценије, компаније попут Тесле, Дајсона и Дајмлера су уложиле милијарде долара у ову индустрију, било у стицању мањих компанија или у изградњи нових фабрика. Ако та класична сцена из Дипломац када су снимљени данас, савет од једне речи о каријери дат лику Дастина Хофмана не би био „пластика“, то би биле „батерије“.

Шта ће покренути сав тај раст? Пада цена литијум-јонских батерија, лична електроника и електрични аутомобили пробијају кроз њих, и, између осталих фактора, више власника кућа и енергетских компанија које желе да складиште соларну енергију и ветар енергије.

Уз тај раст долази и много отпада. Нажалост, већина батерија заврши на депонијама. Стопе рециклирања литијум-јонских ћелија су ужасне: Отприлике 5% за Сједињене Државе и Европску унију. Истраживачи проналазе начине да литијум-јонске батерије учине више рециклирајућим, али чак и ако се то догоди, још увек морамо да промените навике људи и корпорација који уопште не рециклирају батерије и одлажу их бацајући их у смеће.

Даље, неки стручњаци кажу да је доступна ограничена количина литијума, иако је питање колико је ограничено. Ископавање њега и кобалта (који се обично користи за позитивну електроду литијум-јонске батерије) долази на високој еколошкој и људски трошак. Осим тога, цена кобалта је значајно порасла у последњих неколико година.

Све ово поставља питање: да ли постоје јефтиније, еколошки прихватљивије батерије? Можемо ли користити нешто боље? Шта доноси будућност?

Многи људи истражују могућности. Од 1990-их, више од 300.000 патенти везани за батерије су поднети (више од 30.000 само у 2017. години). Док се велики проценат ових проналазака односи на литијум-јонску технологију, доста се ради на електролиту у чврстом стању, аноди на бази силицијума, литијум-ваздух, графен и друге опције, од којих су неке еколошки прихватљиве, а друге које по животну средину нису ништа боље од литијум-јонских, али можда и више ефикасан.

Иако већина ових нових типова батерија вероватно неће бити пласирана тако широко као литијум-јонска (барем у наредних неколико деценија), они могу послужити заиста великим тржиштима. Ево неких од популарних.

Литијум гвожђе фосфат

Убрзо након што је Цол. Вилсон се повукао из војске, руководиоци компаније за соларне панеле замолили су га да урони у своје године стицања складишта енергије знања (војска је један од највећих светских корисника батерија), идите на ЦЕС у Лас Вегасу и истражите тренутни усев код куће батерије. Након путовања, направио је огромну табелу да објасни зашто је био незадовољан опцијама које је видео. Најбоље батерије су биле или прескупе за просечног власника куће (више од 30.000 долара) или нису имале довољно снаге. Затим је радио са НеоВолта да створи линију батерија, које обично коштају веома ниске двоцифрене бројке.

Еколошки оријентисани хемичари ће вам то брзо рећи литијум-гвожђе-фосфат Складиштење енергије је само још један тип литијум-јонске батерије, иако са неким значајним предностима: Јефтинија је, има гушћа енергија, дужи животни век и неће се запалити ако се унутрашњост пукне (што се може десити са литијум-јонским батерије). Лоше стране? Изузетно је тежак (због чега је боље да седи на задњој веранди, а не у вашем телефону), кућиште још увек има литијум у себи, а пут рециклаже је нејасан.

Као такве, мало њих је усвојило литијум-гвожђе-фосфатне батерије, што отежава да се зна колико је добра њихова стопа рециклирања. Неки истраживачи тврде да их је лакше разбити на саставне делове.

Литијум-сумпор

Неки стручњаци се кладе на складиштење литијум-сумпорне енергије за замену литијум-јонских јер су батерије лакше и енергетски гушће. Сумпора је такође у изобиљу и јефтиније.

Која је разлика између функционисања литијум-јонских и литијум-сумпорних батерија? професор Линда Назар, чија лабораторија на канадском Универзитету Ватерло проучава литијум-сумпорне батерије последњих 10 година, користи аналогију са паркинг гаражом да опише разлике. Док је пуњење и пражњење литијум-јонске батерије попут вожње аутомобила у и из паркинг гараже, литијум-сумпорна батерија „скоро руши целу структуру паркинг гараже, а затим је поново гради када напуните Ћелија."

Хемијска реакција је слична ономе што се дешава у оловно-киселинском акумулатору где постоји потпуна структурна и хемијска трансформација. Ове „конверзивне“ батерије имају своје предности и изазове. „Они имају предност што могу да складиште више електрона“, каже Назар. С друге стране, сумпор има релативно ниску проводљивост и запремина батерија се мења након пражњења. Тим у лабораторији Универзитета Ватерло подешава компоненте у батерији како би продужио животни век и оптимизовао реакције батерије. Ако се неки од изазова батерије реше, Назар предвиђа да се они користе у ваздухопловству, као и у дронове. Тхе Зепхир авиони и беспилотне летелице, које су летеле обавиле неке од дугих летова на електрични погон, често се ослањају на литијум-сумпорне батерије.

Натријум-јон

Како се испоставило, елемент периодичне табеле који је толико лош за ваше срце је прилично добар за батерије. Истраживање натријум-јонских батерија почело је 1970-их, отприлике у исто време када и складиштење литијум-јонске енергије. Два елемента су суседи на периодном систему. Затим је литијум-јон узео маха и натријум-јон се такође сматрао мање енергичним - радио је наредне три деценије.

„Изгледа као најбоља ствар“, каже Назар, чија лабораторија такође ради са складиштењем енергије на бази натријума. „Натријум-јонске батерије дају могућност рада са елементима богатим земљом — позитивним електродама направљеним од гвожђа, мангана и титанијума — елементима који су много јефтинији. Али натерати да та хемија добро функционише је изазов јер једноставно није исто што и литијум.

Назар напомиње да неке компаније не мисле да је вредно улагати у натријум-јонске батерије јер цена литијум-јонских батерија све време опада.

„Мислим да је вероватно вредно уложити много ресурса у натријум-јонске батерије“, каже она. „Ако постоји а-ха тренутак у коме натријум-јонске батерије раде заиста добро, са високом густином енергије, то би био огроман корак напред.

Шећер

Веровали или не, можете да напајате батерију на шећер као што је малишан скочио на цаке попс. Сони је први пут објавио истраживање о реакцији у којој се малтодекстрин оксидира да би се створила енергија 2007. године. Иако је доступност материјала и еколошка прихватљивост шећерних батерија много већа од литијум-јонских, напон који настаје њиховом хемијском реакцијом је знатно нижи. Дакле, вероватно ћете желети да одложите да храните свог Теслу кутијом Црунцхберриес.

Иако се оригинални концепт први пут појавио 2007 шећерна батерија концепт још увек има мало сока у себи. Године 2016, тим Масачусетског института за технологију на челу са професором Мајклом Страном креирао је уређај под називом Тхермоповер Ваве, који је много ефикаснији од претходних инкарнација шећерних батерија и може напајати комерцијални ЛЕД светлости. Ово је узбудљив развој јер је шећера у изобиљу, тако да ако можемо да смислимо одржив начин за производњу ових батерија, вероватно бисмо могли брзо да повећамо ту технологију. Нажалост, комерцијална доступност је вероватно удаљена неколико година.

Флов

Проточна батерија је структурирана другачије од већине других: уместо да се скуп реактивних материјала спакује у једну јединицу (као и нормалне батерије), проточне батерије складиште реактивне течности у одвојеним посудама, а затим их пумпају у систем да би створиле енергије. Такође су огромни и дизајнирани за складиштење енергије у мрежи - не за електронику и ствари које могу удобно да стану на длан.

Оригинални проточна батерија наводно је био тежак 1.000 фунти и измишљен је крајем 19. века да покреће паметне назван француски дирижабл „Ла Франце“. Интересовање за модуларно складиште енергије од тада је расло и опадало онда.

„Мислим да оно што заиста изазива експлозију и интересовање за проточне батерије није толико у изради следеће генерације батерија за телефоне или компјутере, али средње до веће складиште енергије“, објашњава Тимоти Кук, професор хемије на Универзитету у Биво. Дакле, осим ако не правите стеампунк ​​мобилни телефон, мало је вероватно да ћете са собом носити било какве проточне батерије активиране микроскопским пумпама. Међутим, како све више домова инсталира соларну енергију, тржиште за складиштење „персонализоване енергије“ ће расти.

Док повећање снаге литијум-јонских батерија значи повећање величине батерије, дизајна проточних батерија омогућава повећање енергије повећањем величине течности резервоари. Сан Диего Повер анд Елецтриц је недавно инсталирао један који може да напаја 1.000 домова.

„Не морате да мењате ниједну од димензија мембране [где се дешава хемијска реакција], само морате да кроз њега тече већа запремина течности дуже време и ту енергију можете да извучете,“ објашњава кувати. „Дакле, много је много лакше повећати или смањити или га у основи можете прилагодити инсталацији.“

Проточне батерије такође имају много више циклуса пуњења од већине батерија. Могућност замене течности или замене других модуларних делова значи да је потенцијални век батерије скоро неограничен.

Иако компаније тренутно продају проточне батерије индустријске величине, професор Цоок не очекује широко прихватање још пет до 10 година. Он чак замишља дан када би електрични аутомобили могли користити технологију. Кук описује аутомобил који се зауставља до „бензинске пумпе“, испушта истрошени електролит, а затим га поново пуни свеже напуњеним. Уместо да чекате пола сата да се ваш аутомобил поново покрене, точкови се могу поново окретати за неколико минута. Али, наравно, та будућност је далеко на путу.

Папир

Прављење батерије од папира има много предности: танка је, флексибилна и, ако је направљена од правих материјала, биоразградива. Тим са Универзитета Стенфорд развио је ране папирне батерије премазивањем танких листова мастилом засићеним угљеником и сребром. У скорије време, еко-главе су постале узбуђене због батерија које се развијају на Универзитету Бингхамтон. Професор Сеокхеун „Шон“ Чои је направио неколико различитих инкарнација, укључујући једну коју покреће пљувачка – или, научније, људска пљувачка – и другу коју покреће бактерија. Недавна инкарнација биобатерије коју су развили Цхои и професор Омовунми Садик користи поли (аминска) киселина и поли (пиромелитни дианхидрид-п-фенилендиамин) за стварање извора енергије биоразградив.

„Наша хибридна папирна батерија је показала много већи однос снаге и цене од свих претходно пријављених микробних батерија на бази папира“, рекао је Чои када је иновација објављено је. Иако је комерцијална употреба ових еколошки прихватљивих папирних батерија ограничена с обзиром на њихову ниску електричну снагу (може се напајати ЛЕД светло за око 20 минута), истраживачи се надају да ће их видети како се користе у електроници, бежичним уређајима, медицинским апликацијама као што су пејсмејкери, авиони и аутомобили. Цхои је написао чланак о њиховом коришћењу као изворима напајања за једнократну употребу за дијагностичке алате на месту неге у земљама у развоју где батерије можда нису лако доступне.

Ваздух

Ваздух заправо може бити електричан, и то не само у том тренутку када гурнете крагну након што мелодија Фила Колинса одјекне из звучника вашег Ферарија. Цинк-ваздушне батерије, који су величине Смартиес бомбона и покретани реакцијом између кисеоника и цинка, користе се у слушним апаратима дуги низ година. Цинк је такође јефтин и у изобиљу, што ову технологију чини економичном и еколошки прихватљивом.

Али постоје ограничења када покушавате да направите ову технологију пуњив. Кристали дендрита се могу формирати током пуњења и изазвати кратки спој на батерији. Тестирани су начини да се замени цинк, као што је „механичко пуњење“ батерије физичком заменом материјала, приступ који је испробан у сингапурским електричним аутобусима. Бројни други експерименти су покушани са литијум-ваздушним и метал-ваздух батеријама са различитим степеном густине енергије, нивоа снаге и цене. Током протекле деценије, Тесла је поднео неколико патената у вези са пуњењем литијум-ваздушне батерије, тако да њихов потенцијал може постојати далеко изван ваших слушних апарата.

Гвожђе

Пре неколико година, професор хемије Универзитета у Ајдаху Питер Ален почео је да изражава своју фасцинацију науком о батеријама на Јутјубу. Скоро одмах је открио да гледаоци заиста реагују на материјал за батерије, што га је инспирисало да направи пуњиву гвоздену батерију као образовну демонстрацију. Тај пројекат је довео до више од 100 демонстрационих видео записа који објашњавају кораке, проблеме и сазнања образовног пројекта батерије.

„Не желим да се представљам као стручњак за батерије, сам по себи“, признаје професор, чија је област стручности биолошка хемија. Снимајући ИоуТубе видео снимке, схватио је да има много тога што се може научити и научити изградњом релативно јефтине батерије за „уради сам“.

„Делови технологије гвоздених батерија постоје већ 100 година, тако да мислим да ће многи људи који би могли да уђу у ово са много страног знања би само рекло: 'Па то је утабано тло - ту нема шта да се нађе'“, каже он. „Али, као мало наиван, ушао сам у њега и рекао: ’Па, хајде да пробамо, ионако можеш да нађеш нешто занимљиво.“

После две године, више од 30 варијација батерија и велике помоћи студената основних студија, Ален је научили како да избалансирају течне и чврсте материјале да би створили оптималну количину густине енергије, али са ниском снага.

„Онда смо ушли у читаво ово питање: „Ако имате хемију која функционише, али ради споро, како да је убрзате?“

Чак и ако тим реши тај изазов, тренутна технологија налаже да ће најбоље апликације за гвоздену батерију вероватно бити а Јединица за складиштење енергије микромрежа у окружењу или захватање енергије соларне фарме, с обзиром на потребан простор и брзину енергије која се шаље из јединица.

Ко ће победити?

Да ли ће Алленова гвоздена батерија икада бити комерцијално одржива? Није сигуран да ће их тренутни налази његовог тима, који су објављени у научном часопису, довести тамо.

Након што је прегледао бројне изуме батерија, схвата да ће само неколико њих заиста доћи на тржиште. У научним истраживањима, објашњава он, постоји „долина смрти“.

„Имате основно истраживање које долази до нечег заиста кул“, каже он. „Постоји питање да ли се то може комерцијализовати. И нема новца да се то питање постави." Истраживачи који пронађу довољно новца да одговоре на то почетно питање онда ће, ако буду имали среће, пронаћи инвеститоре који желе да усаврше и комерцијализују идеју. „Али постоји јаз између основног истраживања и неопходног усавршавања да би се направила реклама за батерије.

У 2019, ризични капиталисти су потонули 1,7 милијарди долара за покретање батерија, од чега 1,4 милијарде иде на истраживања везана за литијум-јонске. Али проточне батерије, цинк-ваздух, течни метал и многе друге технологије такође су добили писмене чекове. Док ће складиштење литијум-јонске енергије вероватно доминирати складиштењем енергије још најмање 10 година, многи други већ изгледају као да ће снаћи свој пут из долине смрти.

Препоруке уредника

• Будућност одрживости: Поглед на следећу еволуцију еколошких технологија
• Деценијама касније, проналазачи литијум-јонске батерије добијају Нобелову награду за хемију
• Инжењери су направили нову врсту литијумске батерије која неће експлодирати