İşte Pil Teknolojisinin Yakın Geleceğine Bir Bakış

Albay Brent Wilson, Oahu'daki Camp Smith'te üs komutanı olduğunda Körfez ve Irak savaşlarında görevlendirilmiş ve Kosova'da çok sayıda savunma operasyonuna liderlik etmişti. Ancak Hawaii üssünde karşılaştığı düşman, bir Deniz Piyadeleri helikopter pilotu olarak savaş alanında gördüğü düşmanlardan farklıydı. Tropikal hava koşullarının düzenli olarak ayaklar altına aldığı, yaşlanan enerji altyapısıyla uğraşmak zorunda kaldı.

O zamanlar Pasifik'teki savunma operasyonlarından sorumlu ekibin bir parçası olan Wilson, "Tüm elektrik şebekesi düzenli olarak kapanıyordu ve bizi işsiz bıraktı" diye açıklıyor. “Buna gerçekten sahip olamazsın.”

Ancak kötü altyapıya karşı mücadelenin yeterince kullanılmayan bir müttefiki de vardı: Güneş ışığı. Wilson kurulum için bir kampanya başlattı Solar paneller ve fırtınalar vurduğunda operasyonun hayati kısımlarını çalışır durumda tutabilecek endüstriyel piller. Bu deneyim sonunda onun ikinci bir kariyere sıçramasına yardımcı oldu: Evinizi şebekeden ayırmaya yetecek kadar büyük piller satmak.

Pil patlaması

Pil pazarı son birkaç on yılda balon gibi büyüdü ve önümüzdeki beş yıl içinde yüzde 12 oranında daha artması bekleniyor. Mordor İstihbaratı. 2025 yılında 90 milyar dolarlık bir pazar olacak. Geçtiğimiz on yılda Tesla, Dyson ve Daimler gibi şirketlerin tümü ya daha küçük şirketleri satın alarak ya da yeni fabrikalar kurarak sektöre milyar dolarlık yatırımlar yaptı. Eğer o klasik sahne Mezuniyet Bugün filme çekildiğinde, Dustin Hoffman'ın karakterine verilen tek kelimelik kariyer tavsiyesi "plastik" değil, "piller" olurdu.

Tüm bu büyümeyi ne sağlayacak? Lityum-iyon pil fiyatları düşüyor, kişisel elektronikler ve elektrikli arabalar bunların arasında dolaşıyor, ve diğer faktörlerin yanı sıra güneş ve rüzgar depolamak isteyen daha fazla ev sahibi ve enerji şirketi enerji.

Bu büyümeyle birlikte çok fazla israf da geliyor. Ne yazık ki çoğu pil çöplüklere atılıyor. Lityum iyon pillerin geri dönüşüm oranları korkunç: Hakkında 5% Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa Birliği için. Araştırmacılar lityum iyon pilleri daha geri dönüştürülebilir hale getirmenin yollarını buluyor ancak bu gerçekleşse bile yine de geri dönüşüme ihtiyacımız var. Pilleri hiç geri dönüştürmeyen kişi ve kurumların alışkanlıklarını değiştirip, çöpe atarak imha etmelerini sağlayacağız. çöp.

Dahası, bazı uzmanlar sınırlı miktarda lityum bulunduğunu söylüyor ancak ne kadar sınırlı olduğu tartışmaya açık. Kobaltın ve kobaltın (genellikle lityum iyon pilin pozitif elektrodu için kullanılır) madenciliği yüksek çevresel ve çevresel sonuçlara neden olur. insan maliyeti. Ayrıca kobaltın fiyatı son birkaç yılda önemli ölçüde arttı.

Bütün bunlar şu soruyu akla getiriyor: Piyasada daha ucuz, daha çevre dostu piller var mı? Daha iyi bir şey kullanabilir miyiz? Gelecek ne gösterir?

Pek çok kişi bu konuyu araştırıyor olasılıklar. 1990'lardan bu yana 300.000'den fazla pille ilgili patentler dosyalanmıştır (yalnızca 2017'de 30.000'den fazla). Bu icatların büyük bir yüzdesi lityum iyon teknolojisiyle ilgili olsa da katı hal elektrolit, silikon bazlı anot, Lityum-hava, grafen ve bazıları çevre dostu olan, diğerleri ise çevre açısından lityum iyondan daha iyi olmayan ama muhtemelen daha fazla olan diğer seçenekler verimli.

Bu yeni pil türlerinin çoğu muhtemelen lityum iyon kadar geniş çapta pazarlanmayacak olsa da (en azından önümüzdeki birkaç on yılda), gerçekten büyük niş pazarlara hizmet edebilirler. İşte popüler olanlardan bazıları.

Lityum demir fosfat

Kısa bir süre sonra Col. Wilson ordudan emekli olduğunda, bir güneş paneli şirketinin yöneticileri ondan yıllarca süren enerji depolama satın alımına yönelmesini istedi bilgisine sahip olun (ordu dünyanın en büyük pil kullanıcılarından biridir), Las Vegas'taki CES'e bir gezi yapın ve mevcut ev mahsulünü inceleyin piller. Gezinin ardından gördüğü seçeneklerden neden memnun olmadığını açıklamak için dev bir e-tablo oluşturdu. En iyi piller ya ortalama bir ev sahibi için çok pahalıydı (30.000$'dan fazla) ya da yeterli güce sahip değildi. Daha sonra birlikte çalıştı NeoVolta maliyeti genellikle çok düşük çift haneli olan bir dizi pil oluşturmak için.

Çevreye duyarlı kimyagerler size hemen şunu söyleyecektir: lityum-demir-fosfat enerji depolama, bazı önemli avantajlara sahip olsa da, lityum iyon pilin bir başka türüdür: Daha ucuzdur, daha yoğun enerji, daha uzun ömür ve iç kısımlar patlarsa alev almaz (bu durum lityum iyonla da meydana gelebilir) piller). Dezavantajları? Son derece ağırdır (bu nedenle telefonunuzda değil de arka verandanızda durması daha iyidir), kasanın içinde hala lityum var ve geri dönüşüm yolu belirsiz.

Bu nedenle çok az kişi lityum-demir-fosfat pilleri benimsedi ve bu da geri dönüşüm oranlarının ne kadar iyi olduğunu bilmeyi zorlaştırıyor. Bazı araştırmacılar bunları bileşen parçalarına ayırmanın daha kolay olduğunu iddia ediyor.

Lityum-kükürt

Bazı uzmanlar, pillerin daha hafif ve enerji açısından daha yoğun olma eğiliminde olması nedeniyle lityum-iyonun yerine lityum-kükürt enerji depolamanın kullanılmasına güveniyor. Kükürt de bol ve ucuzdur.

Lityum iyon ve lityum kükürt pillerin çalışma şekli arasındaki fark nedir? Profesör Linda NazarKanada'daki Waterloo Üniversitesi'ndeki laboratuvarı son 10 yıldır lityum-kükürt pilleri üzerinde çalışan laboratuvar, farklılıkları açıklamak için bir otopark benzetmesi kullanıyor. Lityum iyon pilin şarj edilmesi ve boşaltılması, arabaları otoparka girip çıkarmaya benzerken, Lityum-kükürt pil “neredeyse tüm otopark yapısını yıkıyor ve yeniden şarj ettiğinizde yeniden inşa ediyor” hücre."

Kimyasal reaksiyon, tam bir yapısal ve kimyasal dönüşümün olduğu kurşun-asit aküde meydana gelene benzer. Bu "dönüştürme" pillerinin kendi avantajları ve zorlukları vardır. Nazar, "Daha fazla elektron depolayabilme avantajına sahipler" diyor. Öte yandan kükürtün iletkenliği nispeten düşük olduğundan pillerin hacmi boşaldıktan sonra değişir. Waterloo Üniversitesi laboratuvarındaki ekip, çevrim ömrünü artırmak ve pilin tepkilerini optimize etmek için pildeki bileşenlerde ince ayar yapıyor. Pilin bazı sorunları çözülürse Nazar, bunların drone'ların yanı sıra havacılıkta da kullanılmasını öngörüyor. Zephyr uçakları ve elektrikle çalışan uzun uçuşların bir kısmını gerçekleştiren İHA'lar genellikle lityum-kükürt pillere güveniyor.

Sodyum iyonu

Görünen o ki, kalbiniz için çok kötü olan periyodik tablo elementi piller için oldukça iyi. Sodyum iyon pillerle ilgili araştırmalar 1970'lerde, lityum iyon enerji depolamayla hemen hemen aynı zamanlarda başladı. Periyodik tablodaki iki element komşudur. Daha sonra lityum iyon yükselişe geçti ve sodyum iyonun sonraki otuz yıl boyunca daha az enerjik olduğu düşünüldü.

Laboratuvarı sodyum bazlı enerji depolamayla da çalışan Nazar, "Etraftaki en iyi şey gibi görünüyor" diyor. "Sodyum iyon piller, toprakta bol miktarda bulunan elementlerle (demir, manganez ve titanyum gibi şeylerden yapılmış pozitif elektrotlar) çok daha düşük maliyetli elementlerle çalışma olanağı sağlıyor. Ancak bu kimyanın iyi çalışmasını sağlamak zorlu bir iştir çünkü lityum ile aynı şey değildir."

Nazar, lityum iyon pillerin maliyetinin sürekli düşmesi nedeniyle bazı şirketlerin sodyum iyon pillere yatırım yapmaya değmeyeceğini düşündüğünü belirtiyor.

"Sodyum iyon pillere çok fazla kaynak yatırmanın muhtemelen değer olduğunu düşünüyorum" diyor. "Sodyum iyon pillerin yüksek enerji yoğunluğuyla gerçekten iyi çalıştığı bir an varsa, bu ileriye doğru büyük bir adım olacaktır."

Şeker

İster inanın ister inanmayın, küçük bir çocuğun keklere atladığı gibi şekerle pil çalıştırabilirsiniz. Sony, maltodekstrinin enerji oluşturmak için oksitlendiği reaksiyonla ilgili ilk araştırmayı 2007'de yayınladı. Şeker pillerinin malzeme bulunabilirliği ve çevre dostu olması lityum iyon pillere göre çok daha yüksek olmasına rağmen, kimyasal reaksiyonlarının yarattığı voltaj oldukça düşüktür. Bu yüzden muhtemelen Tesla'nıza bir kutu Crunchberry vermeyi ertelemek isteyeceksiniz.

Orijinal konsept ilk olarak 2007 yılında ortaya çıkmış olsa da, şeker pili Konseptin içinde hâlâ biraz meyve suyu kalmış. 2016 yılında Profesör Michael Strano liderliğindeki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ekibi, Önceki şeker pil enkarnasyonlarından çok daha verimli olan ve ticari bir LED'e güç verebilen Thermopower Wave ışık. Bu heyecan verici bir gelişme, çünkü şeker oldukça bol. Bu pilleri üretmenin uygun bir yolunu bulabilirsek, muhtemelen bu teknolojiyi hızlı bir şekilde ölçeklendirebiliriz. Ne yazık ki, ticari kullanıma sunulması muhtemelen birkaç yıl uzaktadır.

Akış

Bir akış pili diğerlerinden farklı bir şekilde yapılandırılmıştır: Bir grup reaktif malzemeyi tek bir ünitede bir araya paketlemek yerine (normal pillerde olduğu gibi), akış pilleri reaktif sıvıları ayrı kaplarda depolar ve daha sonra bunları sisteme pompalayarak enerji. Ayrıca çok büyükler ve şebeke enerji depolaması için tasarlandılar; elektronik cihazlar ve avucunuza rahatça sığabilecek şeyler için değil.

Orijinal akış pili bildirildiğine göre 1.000 pound ağırlığındaydı ve 19. yüzyılın sonlarında akıllıca güç sağlamak için icat edildi Fransız hava gemisine “La France” adı verildi. Modüler enerji depolamaya olan ilgi o zamandan bu yana arttı ve azaldı. Daha sonra.

“Bence akış pillerine olan ilgiyi ve patlamayı asıl tetikleyen şey, yeni nesil pillerin üretilmesiyle ilgili değil. telefonlar veya bilgisayarlar değil, orta ila büyük ölçekli enerji depolaması," diye açıklıyor Üniversitesi'nden kimya profesörü Timothy Cook. Bufalo. Dolayısıyla, steampunk bir cep telefonu yapmadığınız sürece, mikroskobik pompalarla etkinleştirilen herhangi bir akış pilini yanınızda taşımanız pek olası değildir. Ancak daha fazla evde güneş enerjisi kuruldukça "kişiselleştirilmiş enerji" depolama pazarı da büyüyecek.

Lityum-iyon pilleri daha güçlü hale getirmek, pilin boyutunu artırmak anlamına gelirken, tasarım Akış pillerinin kullanımı sıvının boyutunu artırarak enerjinin artırılmasını mümkün kılar rezervuarlar. San Diego Power and Electric kısa süre önce güç sağlayabilecek bir tane kurdu 1.000 ev.

"Kimyasal reaksiyonun gerçekleştiği membranın herhangi bir boyutunu değiştirmenize gerek yok, sadece daha büyük hacimdeki sıvının içinden daha uzun süre akmasını sağlar ve bu enerjiyi dışarı çıkartabilirsiniz," diye açıklıyor Aşçı. "Yani ölçeği büyütmek veya küçültmek çok daha kolay veya temel olarak kuruluma göre özelleştirebilirsiniz."

Akış pilleri ayrıca çoğu pilden çok daha fazla şarj döngüsüne sahiptir. Sıvıların değiştirilebilmesi veya diğer modüler parçaların değiştirilebilmesi, pilin potansiyel ömrünün neredeyse sınırsız olduğu anlamına gelir.

Şirketler şu anda endüstriyel boyutlu akış pilleri satıyor olsa da Profesör Cook, bunun beş ila 10 yıl daha geniş çapta kabul görmesini beklemiyor. Hatta elektrikli arabaların bu teknolojiyi kullanabileceği bir günü hayal ediyor. Cook, bir arabanın bir "benzin istasyonuna yanaştığını, kullanılmış elektroliti boşalttığını ve ardından yeni şarj edilmiş bir elektroliti yeniden doldurduğunu anlatıyor. Arabanızın yeniden başlaması için yarım saat beklemek yerine, tekerlekler birkaç dakika içinde yeniden dönebilir. Ancak elbette bu gelecek çok uzakta.

Kağıt

Kağıttan pil yapmanın birçok avantajı vardır: İncedir, esnektir ve doğru malzemelerle üretilirse biyolojik olarak parçalanabilir. Stanford Üniversitesi'ndeki bir ekip, ince tabakaları karbon ve gümüş doymuş mürekkeple kaplayarak ilk kağıt pilleri geliştirdi. Son zamanlarda eko-kafalar, Binghamton Üniversitesi'nde geliştirilen piller konusunda heyecanlanmaya başladı. Profesör Seokheun "Sean" Choi bunun birkaç farklı enkarnasyonunu yaptı; bunlardan biri tükürükle - ya da daha bilimsel olarak insan tükürüğüyle - ve diğeri bakterilerle güçlendirilmişti. Choi ve Profesör Omowunmi Sadik tarafından geliştirilen biyopilin yeni bir versiyonunda poli pil kullanılıyor. Enerji kaynaklarını oluşturmak için (amik) asit ve poli (piromelitik dianhidrit-p-fenilendiamin) biyolojik olarak parçalanabilir.

Choi, yenilik sırasında şunları söyledi: "Hibrit kağıt pilimiz, daha önce bildirilen tüm kağıt bazlı mikrobiyal pillerden çok daha yüksek bir güç-maliyet oranı sergiledi." duyruldu. Her ne kadar bu çevre dostu kağıt pillerin ticari kullanımı, düşük elektrik çıktıları nedeniyle sınırlı olsa da (bir LED ışığını çalıştırabilirsiniz). yaklaşık 20 dakika), araştırmacılar bunların elektronikte, kablosuz cihazlarda, kalp pili, uçak gibi tıbbi uygulamalarda kullanıldığını görmeyi umuyorlar. otomobiller. Choi, pillerin kolayca bulunamadığı gelişmekte olan ülkelerde bakım noktası teşhis araçları için bunların tek kullanımlık güç kaynakları olarak kullanılması hakkında bir makale yazdı.

Hava

Hava aslında elektrikli olabilir ve sadece Ferrari'nizin hoparlörlerinden Phil Collins'in melodisi çıkınca yakanızı açtığınız anda değil. Çinko-hava pilleriSmarties şekerleri büyüklüğünde olan ve gücünü oksijen ile çinko arasındaki reaksiyondan alan şekerler uzun yıllardan beri işitme cihazlarında kullanılmaktadır. Çinkonun da ucuz ve bol olması, teknolojiyi hem ekonomik hem de çevre dostu kılıyor.

Ancak bu teknolojiyi yapmaya çalışırken sınırlamalar var şarj edilebilir. Dendrit kristalleri şarj sırasında oluşabilir ve pilin kısa devre yapmasına neden olabilir. Singapur'un elektrikli otobüslerinde denenen bir yaklaşım olan, malzemeleri fiziksel olarak değiştirerek pili "mekanik olarak yeniden şarj etmek" gibi çinkoyu değiştirmenin yolları test edildi. Farklı derecelerde enerji yoğunluğu, güç seviyesi ve maliyete sahip lityum-hava ve metal-hava pilleriyle çok sayıda başka deney denendi. Geçtiğimiz on yılda Tesla, şarjla ilgili birçok patent başvurusunda bulundu. lityum hava pilleridolayısıyla potansiyelleri işitme cihazlarınızın çok ötesinde mevcut olabilir.

Ütü

Birkaç yıl önce Idaho Üniversitesi kimya profesörü Peter Allen, YouTube'da pil bilimine olan hayranlığını dile getirmeye başladı. Neredeyse anında izleyicilerin pil malzemelerine gerçekten tepki verdiğini fark etti ve bu da ona eğitici bir gösteri olarak şarj edilebilir bir demir pil yapma konusunda ilham verdi. Bu proje, bir eğitim bataryası projesinin adımlarını, sorunlarını ve öğrendiklerini açıklayan 100'den fazla tanıtım videosuna yol açtı.

Uzmanlık alanı biyolojik kimya olan profesör, "Kendimi bir pil uzmanı olarak tanıtmak istemiyorum" diyor. YouTube videolarını hazırlarken, nispeten ucuz bir kendin yap pili oluşturarak öğretilecek ve öğrenilecek çok şey olduğunu fark etti.

"Demir pil teknolojisinin bazı kısımları 100 yıldan beri var, bu yüzden pek çok kişinin bu işe dahil olabileceğini düşünüyorum. pek çok yabancı bilgi şunu söyler: 'Burası çiğnenmiş bir yer; orada bulunacak hiçbir şey yok'" diyor. "Ama biraz saf olduğum için işin içine girdim ve 'Hadi deneyelim, yine de ilginç bir şeyler bulabilirsin' dedim."

İki yıl sonra, 30'dan fazla pil çeşidi ve lisans öğrencilerinin çok sayıda yardımıyla Allen, Optimum miktarda enerji yoğunluğu oluşturmak için sıvı ve katı malzemeleri nasıl dengeleyeceğini öğrendi, ancak güç.

"Sonra şu soruya girdik: 'İşe yarayan ama yavaş çalışan bir kimyanız varsa, onu nasıl hızlandırırsınız?'"

Ekip bu zorluğu çözse bile mevcut teknoloji, demir batarya için en iyi uygulamaların muhtemelen Gerekli alan ve sistemden gönderilen enerjinin hızı göz önüne alındığında, mahalle mikro şebeke enerji depolama ünitesi veya güneş enerjisi çiftliği güç yakalama birim.

Kim kazanacak?

Allen'ın demir bataryası ticari açıdan uygun olacak mı? Ekibinin bilimsel bir dergide yayınlanan mevcut bulgularının onları bu noktaya taşıyacağından emin değil.

Çok sayıda pil icatını inceledikten sonra bunlardan yalnızca birkaçının gerçekten pazara sunulacağını fark etti. Bilimsel araştırmalarda bir "ölüm vadisi" olduğunu açıklıyor.

"Gerçekten harika bir şey ortaya çıkaracak temel araştırmaya sahipsiniz" diyor. “Ticarileştirilebilir mi diye bir soru var. Ve bu soruyu soracak para yok." Bu ilk soruyu cevaplamak için yeterli parayı bulan araştırmacılar, eğer şanslılarsa, fikri geliştirmek ve ticarileştirmek isteyen yatırımcıları bulacaklar. "Fakat temel araştırma ile pil reklamı yapmak için gereken iyileştirmeler arasında bir boşluk var."

Risk sermayedarları 2019'da battı Pil girişimlerine 1,7 milyar dolarBunun 1,4 milyarı lityum iyonla ilgili araştırmalara gidiyor. Ancak akışlı piller, çinko-hava, sıvı metal ve diğer birçok teknoloji de yazılı çeklere tabi tutuldu. Lityum-iyon enerji depolaması muhtemelen en az 10 yıl daha enerji depolamasına hakim olacak olsa da, diğerlerinin çoğu şimdiden ölüm vadisinden çıkış yolunu açacak gibi görünüyor.

Editörlerin Önerileri

• Sürdürülebilirliğin geleceği: Çevre teknolojisinin bir sonraki evrimine bir bakış
• Onlarca yıl sonra, lityum iyon pilin mucitleri Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı
• Mühendisler patlamayacak yeni tip lityum pil yaptılar