Här är en titt på den nära framtiden för batteriteknik

När överste Brent Wilson blev basbefälhavare vid Oahus Camp Smith, hade han varit utplacerad i Gulf- och Irakkrigen och lett många försvarsoperationer i Kosovo. Men fienden han mötte på Hawaiibasen skilde sig från den han hade sett på slagfältet som helikopterpilot för marinkåren. Han fick brottas med en åldrande energiinfrastruktur som regelbundet trampades ned av tropiskt väder.

"Hela elnätet gick ner rutinmässigt och satte oss i konkurs", förklarar Wilson som vid den tiden också var en del av teamet som ansvarade för försvarsoperationer i hela Stilla havet. "Det kan du verkligen inte ha."

Men kampen mot dålig infrastruktur hade också en underutnyttjad allierad: solljus. Wilson startade en kampanj för att installera solpaneler och industribatterier som kan hålla de vitala delarna av verksamheten online när stormar slår till. Den erfarenheten hjälpte så småningom språngbräda in i en andra karriär: att sälja batterier som är tillräckligt stora för att driva ditt hem från elnätet.

Batteriboomen

Batterimarknaden har exploderat under de senaste decennierna och förväntas öka med ytterligare 12% under de kommande fem åren, enligt Mordor intelligens. År 2025 kommer det att vara en marknad på 90 miljarder dollar. Under det senaste decenniet har företag som Tesla, Dyson och Daimler alla gjort miljardinvesteringar i branschen, antingen genom att förvärva mindre företag eller bygga nya fabriker. Om den där klassiska scenen från The Graduate filmades idag, skulle det enordiga karriärråd som gavs till Dustin Hoffmans karaktär inte vara "plast", det skulle vara "batterier".

Vad kommer att driva all den tillväxten? Priset på litiumjonbatterier sjunker, personlig elektronik och elbilar cirkulerar genom dem, och, bland andra faktorer, fler husägare och kraftbolag som vill lagra sol och vind energi.

Tillsammans med den tillväxten kommer mycket avfall. Tyvärr hamnar de flesta batterier på soptippar. Återvinningshastigheten för litiumjonceller är fruktansvärd: Om 5% för USA och Europeiska unionen. Forskare hittar sätt att göra litiumjonbatterier mer återvinningsbara, men även om det händer måste vi fortfarande ändra vanorna hos människor och företag som inte återvinner batterier alls och kassera dem genom att slänga dem i skräp.

Vidare säger vissa experter att det finns en begränsad mängd litium tillgänglig, även om hur begränsad är upp till diskussion. Brytningen av det och kobolt (som vanligtvis används för ett litiumjonbatteris positiva elektrod) har en hög miljö- och mänskliga kostnader. Dessutom har koboltpriset stigit markant under de senaste åren.

Allt detta väcker frågan: Finns det billigare, mer miljövänliga batterier där ute? Kan vi använda något bättre? Vad har framtiden att erbjuda?

Många människor forskar om möjligheter. Sedan 1990-talet har mer än 300 000 batterirelaterade patent har lämnats in (mer än 30 000 bara under 2017). Medan en stor andel av dessa uppfinningar är relaterade till litiumjonteknik, görs mycket arbete på solid-state elektrolyt, kiselbaserad anod, litium-luft, grafen och andra alternativ, varav några är miljövänliga, och andra som inte är miljömässigt bättre än litiumjon men möjligen mer effektiv.

Även om de flesta av dessa nya batterityper förmodligen inte kommer att marknadsföras lika brett som litiumjon (åtminstone under de kommande decennierna), kan de tjäna riktigt stora nischmarknader. Här är några av de populära.

Litiumjärnfosfat

Strax efter Col. Wilson gick i pension från militären, chefer från ett solpanelsföretag bad honom att fördjupa sig i hans år av energilagringsförvärv kunskap (militären är en av världens största batterianvändare), ta en resa till CES i Las Vegas och undersök den nuvarande skörden av hemmet batterier. Efter resan skapade han ett gigantiskt kalkylblad för att förklara varför han var missnöjd med alternativen han såg. De bästa batterierna var antingen överprissatta för den genomsnittliga husägaren ($30 000 plus) eller hade inte tillräckligt med ström. Han arbetade sedan med NeoVolta för att skapa en rad batterier, som vanligtvis kostar i mycket låga tvåsiffriga siffror.

Miljövänliga kemikalier kommer snabbt att berätta det litium-järn-fosfat energilagring är bara en annan typ av litiumjonbatteri, om än ett med några anmärkningsvärda fördelar: det är billigare, har mer tät energi, längre livslängd och kommer inte att fatta eld om insidan brister (vilket kan hända med litiumjon batterier). Nackdelarna? Det är extremt tungt (det är därför det är bättre om det sitter på din veranda och inte i din telefon), fodralet har fortfarande litium i sig och återvinningsvägen är oklar.

Som sådana har få tagit till sig litium-järn-fosfatbatterier, vilket gör det svårt att veta hur bra deras återvinningsgrad är. Vissa forskare hävdar att de är lättare att bryta in i beståndsdelar.

Litium-svavel

Vissa experter satsar på litium-svavelenergilagring för att ersätta litiumjon eftersom batterierna tenderar att vara lättare och mer energitäta. Svavel är också rikligt och billigare.

Vad är skillnaden mellan hur litiumjon- och litium-svavelbatterier fungerar? Professor Linda Nazar, vars labb vid Kanadas University of Waterloo har studerat litium-svavelbatterier under de senaste 10 åren, använder en analogi med parkeringsgarage för att beskriva skillnaderna. Medan laddning och urladdning av ett litiumjonbatteri är som att köra bilar in och ut ur ett parkeringsgarage, litium-svavelbatteri "rivs nästan hela parkeringshusets struktur och bygger sedan om det när du laddar Cellen."

Den kemiska reaktionen är besläktad med vad som händer i ett blybatteri där det sker en fullständig strukturell och kemisk omvandling. Dessa "konverterings"-batterier har sina egna fördelar och utmaningar. "De har fördelen av att kunna lagra fler elektroner", säger Nazar. Å andra sidan har svavel relativt låg ledningsförmåga och volymen på batterierna ändras efter urladdning. Teamet vid University of Waterloo-labbet justerar komponenterna i batteriet för att öka cykelns livslängd och optimera batteriets reaktioner. Om några av batteriets utmaningar är lösta, föreställer sig Nazar att de kommer att användas inom flyg såväl som drönare. De Zephyr plan och UAV, som har flugit och genomfört några av de långa eldrivna flygningarna, är ofta beroende av litium-svavelbatterier.

Natriumjon

Som det visar sig är det periodiska systemet som är så dåligt för ditt hjärta ganska bra för batterier. Forskning om natriumjonbatterier startade på 1970-talet, ungefär samtidigt som litiumjonenergilagringen. De två elementen är grannar i det periodiska systemet. Sedan tog litiumjon fart och natriumjon ansågs vara en mindre energisk också-rann under de kommande tre decennierna.

"Det ser ut som det bästa som finns", säger Nazar, vars labb också arbetar med natriumbaserad energilagring. "Natriumjonbatterier ger en möjlighet att arbeta med jordnära element - positiva elektroder gjorda av saker som järn, mangan och titan - element som är mycket billigare. Men att få den kemin att fungera bra är en utmaning eftersom det inte är samma sak som litium."

Nazar noterar att vissa företag inte tycker att det är värt att investera i natriumjonbatterier eftersom kostnaden för litiumjonbatterier sjunker hela tiden.

"Jag tror att det förmodligen är värt att investera mycket resurser i natriumjonbatterier", säger hon. "Om det finns ett a-ha-ögonblick som har natriumjonbatterier som fungerar riktigt bra, med hög energitäthet, skulle det vara ett stort steg framåt."

Socker

Tro det eller ej, du kan köra ett batteri på socker som ett litet barn hoppade upp på cake pops. Sony publicerade först forskning om reaktionen där maltodextrin oxideras för att skapa energi 2007. Även om materialtillgängligheten och miljövänligheten hos sockerbatterier är mycket högre än för litiumjonbatterier, är spänningen som skapas av deras kemiska reaktion avsevärt lägre. Så du vill antagligen vänta med att mata din Tesla med en låda Crunchberries.

Även om det ursprungliga konceptet först dök upp 2007 sockerbatteri konceptet har fortfarande lite juice kvar i sig. 2016 skapade ett Massachusetts Institute of Technology-team under ledning av professor Michael Strano en enhet som heter Thermopower Wave, som är mycket effektivare än tidigare sockerbatterier och kan driva en kommersiell LED ljus. Detta är en spännande utveckling eftersom socker är mycket rikligt, så om vi kan komma på ett hållbart sätt att producera dessa batterier, kan vi förmodligen skala upp den tekniken snabbt. Tyvärr är kommersiell tillgänglighet troligen flera år bort.

Flöde

Ett flödesbatteri är strukturerat annorlunda än de flesta andra: Istället för att packa ihop ett gäng reaktiva material i en enhet (som vanliga batterier gör), lagrar flödesbatterier reaktiva vätskor i separata behållare och pumpar dem sedan in i systemet för att skapa energi. De är också enorma och designade för lagring av energi i nätet – inte för elektronik och saker som kan passa bekvämt i din handflata.

Originalet flödesbatteri enligt uppgift vägde 1 000 pounds och uppfanns i slutet av 1800-talet för att driva de smarta det franska luftskeppet "La France". Intresset för den modulära energilagringen har ökat och avtagit sedan dess sedan.

"Jag tror att det som verkligen driver en explosion och intresset för flödesbatterier inte så mycket handlar om att göra nästa generations batterier för telefoner eller datorer, men medelstor till storskalig energilagring”, förklarar Timothy Cook, professor i kemi vid University of Buffel. Så om du inte bygger en steampunk-mobil är det osannolikt att du kommer att bära runt på några flödesbatterier aktiverade med mikroskopiska pumpar. Men i takt med att fler hem installerar solenergi kommer marknaden för "personlig energilagring" att växa.

Samtidigt som litiumjonbatterier blir mer kraftfulla innebär det att öka storleken på batteriet, designen av flödesbatterierna gör det möjligt att öka energin genom att öka storleken på vätskan reservoarer. San Diego Power and Electric installerade nyligen en som kan driva 1 000 bostäder.

"Du behöver inte ändra någon av dimensionerna på membranet [där den kemiska reaktionen inträffar], du måste bara att flöda den större volymen vätska genom den under en längre tid och du kan extrahera den energin”, förklarar Kock. "Så det är mycket mycket mycket lättare att skala upp eller ned eller så kan du i princip anpassa det till installationen."

Flow-batterier har också många fler laddningscykler än de flesta batterier. Möjligheten att ersätta vätskorna eller byta ut andra modulära delar gör att den potentiella livslängden för ett batteri är nästan obestämd.

Även om företag för närvarande säljer flödesbatterier i industriell storlek, förväntar sig professor Cook inte utbredd acceptans på ytterligare fem till tio år. Han föreställer sig till och med en dag då elbilar kan använda tekniken. Cook beskriver en bil som kör fram till en "bensinstation", laddar ur den förbrukade elektrolyten och sedan fyller på med en nyladdad. Istället för att vänta en halvtimme på att din bil ska starta om, kan hjulen snurra igen på några minuter. Men, naturligtvis, den framtiden är långt på vägen.

Papper

Att göra ett batteri av papper har många fördelar: Det är tunt, flexibelt och, om det är tillverkat med rätt material, biologiskt nedbrytbart. Ett team vid Stanford University utvecklade tidiga pappersbatterier genom att belägga tunna ark med kol- och silvermättat bläck. På senare tid har eco-heads blivit entusiastiska över batterierna som utvecklas vid Binghamton University. Professor Seokheun "Sean" Choi har gjort några olika inkarnationer av det, inklusive en som drivs av spott - eller mer vetenskapligt, mänsklig saliv - och en annan som drivs av bakterier. En ny inkarnation av biobatteriet utvecklat av Choi och professor Omowunmi Sadik använder poly (aminsyra) och poly (pyromellitsyradianhydrid-p-fenylendiamin) för att göra energikällorna biologiskt nedbrytbar.

"Vårt hybridpappersbatteri uppvisade ett mycket högre effekt-till-kostnadsförhållande än alla tidigare rapporterade pappersbaserade mikrobiella batterier," sa Choi när innovationen tillkännagavs. Även om den kommersiella användningen av dessa miljövänliga pappersbatterier har varit begränsad på grund av deras låga elektriska effekt (man kan driva en LED-lampa för cirka 20 minuter), hoppas forskarna kunna se dem användas i elektronik, trådlösa enheter, medicinska tillämpningar som pacemakers, flygplan och bilar. Choi har skrivit en artikel om att använda dem som engångskraftkällor för diagnostiska verktyg i utvecklingsländer där batterier kanske inte är tillgängliga.

Luft

Luft kan faktiskt vara elektriskt, och inte bara i det ögonblicket när du trycker på kragen efter att en Phil Collins-låt kommer strömmande ur din Ferraris högtalare. Zink-luft batterier, som är ungefär lika stora som Smarties-godisar och drivs av reaktionen mellan syre och zink, har använts i hörapparater i många år. Zink är också billigt och rikligt, vilket gör tekniken ekonomisk och miljövänlig.

Men det finns begränsningar när man försöker göra den här tekniken uppladdningsbar. Dendritkristaller kan bildas under laddning och kortsluta batteriet. Sätt har testats för att ersätta zinken, som att "mekaniskt ladda" batteriet genom att fysiskt ersätta materialen, ett tillvägagångssätt som har prövats i Singapores elbussar. Många andra experiment har försökts med litium-luft- och metall-luft-batterier med olika grader av energitäthet, effektnivå och kostnad. Under det senaste decenniet har Tesla lämnat in flera patent relaterade till laddning litium-luftbatterier, så deras potential kan finnas långt bortom dina hörapparater.

Järn

För några år sedan började kemiprofessorn Peter Allen vid University of Idaho uttrycka sin fascination för batterivetenskap på YouTube. Nästan omedelbart upptäckte han att tittarna verkligen reagerar på batterimaterial, vilket inspirerade honom att bygga ett laddningsbart järnbatteri som en pedagogisk demonstration. Det projektet har lett till mer än 100 demonstrationsvideor som förklarar stegen, problemen och lärdomarna i ett pedagogiskt batteriprojekt.

"Jag vill inte presentera mig själv som en batteriexpert i sig", erkänner professorn, vars expertområde är biologisk kemi. När han gjorde YouTube-videorna insåg han att det fanns mycket att lära ut och lära sig genom att bygga ett relativt billigt gör-det-själv-batteri.

"Delar av järnbatteritekniken har funnits i 100 år, så jag tror att många människor som kan komma in på det här med en hel del utländsk kunskap skulle bara säga: "Ja, det är det där upptrampade marken - det finns inget att hitta där", säger han. "Men eftersom jag var lite naiv, gick jag in i det och sa: 'Ja, låt oss prova det, du kan hitta något intressant ändå'."

Efter två år, mer än 30 batterivarianter och mycket hjälp från studenter har Allen lärt sig hur man balanserar de flytande och fasta materialen för att skapa en optimal mängd energitäthet men med låg kraft.

"Då kom vi in ​​på hela den här frågan om: 'Om du har en kemi som fungerar, men som fungerar långsamt, hur snabbar du upp den?'"

Även om teamet löser den utmaningen, dikterar nuvarande teknik att de bästa applikationerna för ett järnbatteri sannolikt kommer att vara en grannskapet mikronät energilagringsenhet eller solenergi gård kraftfångst, givet det utrymme som krävs och hastigheten på energi som skickas från enhet.

Vem kommer att vinna?

Kommer Allens järnbatteri någonsin att vara kommersiellt gångbart? Han är inte säker på att lagets aktuella resultat, som har publicerats i en vetenskaplig tidskrift, kommer att få dem dit.

Efter att ha granskat många batteriuppfinningar inser han att bara ett fåtal av dem faktiskt kommer att komma ut på marknaden. I vetenskaplig forskning, förklarar han, finns det en "dödens dal".

"Du har grundforskningen som kommer fram till något riktigt coolt," säger han. "Det är frågan om det kan kommersialiseras. Och det finns inga pengar att ställa den frågan." Forskare som hittar tillräckligt med pengar för att svara på den första frågan kommer sedan, om de har tur, att hitta investerare som vill förfina och kommersialisera idén. "Men det finns ett gap mellan grundforskningen och nödvändig raffinering för att göra ett batteri kommersiellt."

2019 sjönk riskkapitalister 1,7 miljarder dollar till batteristarter, där 1,4 miljarder av det går till litiumjonrelaterad forskning. Men flödesbatterier, zink-luft, flytande metall och många andra tekniker fick också skriftliga kontroller. Medan litiumjonenergilagring sannolikt kommer att dominera energilagring i minst 10 år till, ser många andra redan ut som att de kommer att ta sig ut ur dödens dal.

Redaktörens rekommendationer

• Framtiden för hållbarhet: En titt på nästa utveckling av miljöteknik
• Decennier senare vinner uppfinnarna av litiumjonbatterier Nobelpriset i kemi
• Ingenjörer har gjort en ny typ av litiumbatteri som inte kommer att explodera