Ось погляд на найближче майбутнє акумуляторних технологій

До того часу, як полковник Брент Вілсон став командиром бази в Кемп-Сміт на Оаху, він брав участь у війнах у Перській затоці та Іраку та керував численними оборонними операціями в Косово. Але ворог, з яким він зіткнувся на гавайській базі, відрізнявся від усіх, яких він бачив на полі бою, будучи пілотом вертольота морської піхоти. Йому доводилося боротися із застарілою енергетичною інфраструктурою, яку регулярно руйнує тропічна погода.

«Вся енергомережа регулярно виходила з ладу, і ми виходили з ладу», — пояснює Вілсон, який у той час також був частиною команди, відповідальної за оборонні операції в Тихому океані. «Ти справді не можеш цього мати».

Але у боротьбі з поганою інфраструктурою також був союзник, якого не використовували: сонячне світло. Вілсон розпочав кампанію зі встановлення сонячні панелі і промислові батареї, які могли б підтримувати життєво важливі частини роботи онлайн під час шторму. Цей досвід зрештою допоміг йому стати трампліном у другу кар’єру: продавати батареї достатнього розміру, щоб живити ваш дім від мережі.

Акумуляторна стріла

За останні кілька десятиліть ринок акумуляторів різко зріс і, як очікується, зросте ще на 12% у наступні п’ять років. Мордорська розвідка. До 2025 року це ринок буде складати 90 мільярдів доларів. За останнє десятиліття такі компанії, як Tesla, Dyson і Daimler, інвестували в галузь мільярди доларів, купуючи менші компанії або будуючи нові заводи. Якщо ця класична сцена з Випускник були б зняті сьогодні, однослівна порада щодо кар’єри, дана персонажу Дастіна Гоффмана, була б не «пластик», а «батареї».

Що сприятиме цьому зростанню? Ціни на літій-іонні акумулятори знижуються, персональна електроніка та електромобілі збиваються через них, і, серед інших факторів, більше власників будинків і енергетичних компаній, які хочуть зберігати сонячну та вітрову енергію енергії.

Разом із цим зростанням утворюється багато відходів. На жаль, більшість акумуляторів потрапляє на смітник. Рівень переробки літій-іонних елементів жахливий: приблизно 5% для Сполучених Штатів і Європейського Союзу. Дослідники знаходять способи зробити літій-іонні батареї більш придатними для переробки, але навіть якщо це станеться, нам все одно потрібно змінити звички людей і корпорацій, які взагалі не переробляють батареї та утилізують їх, викидаючи в сміття.

Крім того, деякі експерти стверджують, що доступна кількість літію обмежена, хоча наскільки це обмежено, дискутується. Видобуток кобальту (який зазвичай використовується для позитивного електрода літій-іонної батареї) має високі екологічні та людські витрати. Крім того, ціна на кобальт помітно зросла за останні кілька років.

Усе це викликає запитання: чи існують дешевші та екологічніші батареї? Чи можемо ми використати щось краще? Що чекає в майбутньому?

Багато людей досліджують можливості. З 1990-х років понад 300 тис патенти на акумулятори було подано (понад 30 000 лише у 2017 році). Хоча великий відсоток цих винаходів пов’язано з літій-іонними технологіями, багато роботи ведеться над твердотілим електролітом, анодом на основі кремнію, літій-повітря, графен та інші варіанти, деякі з яких є екологічно чистими, а інші екологічно не кращі за літій-іонні, але, можливо, більше ефективний.

Хоча більшість із цих нових типів акумуляторів, ймовірно, не будуть продаватися так широко, як літій-іонні (принаймні в найближчі пару десятиліть), вони можуть обслуговувати справді великі ринкові ніші. Ось деякі з популярних.

Залізофосфат літію

Незабаром після полк. Вілсон звільнився з військової служби, керівники компанії з виробництва сонячних панелей попросили його зануритися в його роки придбання накопичувачів енергії знань (військові є одними з найбільших користувачів акумуляторів у світі), здійсніть поїздку на CES у Лас-Вегасі та огляньте поточний урожай домашніх батареї. Після поїздки він створив гігантську електронну таблицю, щоб пояснити, чому його не влаштовують варіанти, які він бачив. Найкращі батареї були або завищеними для середньостатистичного домовласника (понад 30 000 доларів), або не мали достатньої потужності. Він тоді працював с NeoVolta щоб створити лінійку акумуляторів, вартість яких зазвичай становить дуже низькі двозначні цифри.

Екологічно налаштовані хіміки швидко скажуть вам це літій-залізо-фосфат Накопичувач енергії – це просто ще один тип літій-іонної батареї, хоча й має деякі помітні переваги: ​​вона дешевша, має більш щільна енергія, довший термін служби та не загоряється, якщо всередині розірветься (що може статися з літій-іонним батареї). Мінуси? Він надзвичайно важкий (ось чому краще, якщо він буде стояти на задньому ґанку, а не в телефоні), у корпусі все ще є літій, а шлях переробки невідомий.

Таким чином, мало хто використовує літій-залізо-фосфатні батареї, тому важко дізнатися, наскільки високий рівень їх переробки. Деякі дослідники стверджують, що їх легше розбити на складові частини.

Літій-сірка

Деякі експерти роблять ставку на літій-сірчані накопичувачі енергії замість літій-іонних, оскільки батареї, як правило, легші та енергоємніші. Сірка також багата і дешевша.

Яка різниця між роботою літій-іонних і літій-сірчаних батарей? Професор Лінда Назар, чия лабораторія в канадському Університеті Ватерлоо протягом останніх 10 років вивчала літій-сірчані батареї, використовує аналогію з гаражем для опису відмінностей. У той час як заряджання та розряджання літій-іонної батареї схоже на в’їзд та виїзд автомобіля з гаража, літій-сірчана батарея «майже руйнує всю конструкцію гаража, а потім відновлює її, коли ви заряджаєте клітина».

Хімічна реакція схожа на те, що відбувається в свинцево-кислотній батареї, де відбувається повна структурна та хімічна трансформація. Ці «конверсійні» батареї мають свої переваги та проблеми. «Вони мають перевагу в тому, що вони здатні зберігати більше електронів», — каже Назар. З іншого боку, сірка має відносно низьку провідність, і об'єм акумуляторів змінюється після розряду. Команда лабораторії Університету Ватерлоо налаштовує компоненти батареї, щоб збільшити термін служби й оптимізувати реакцію батареї. Якщо деякі з проблем батареї будуть вирішені, Назар передбачає, що вони будуть використовуватися в авіації, а також у безпілотниках. The Літаки Зефір БПЛА, які здійснили деякі довгі польоти з електричним приводом, часто використовують літій-сірчані батареї.

Натрій-іон

Як виявилося, елемент періодичної таблиці, який так шкідливий для вашого серця, дуже корисний для батарейок. Дослідження натрій-іонних батарей почалися в 1970-х роках, приблизно в той же час, що й літій-іонні накопичувачі енергії. Два елементи є сусідами в періодичній таблиці. Потім літій-іонний піднявся, а натрій-іонний також вважався менш енергійним протягом наступних трьох десятиліть.

«Це схоже на найкраще», — каже Назар, чия лабораторія також працює з накопичувачами енергії на основі натрію. «Натрієво-іонні батареї дають можливість працювати з багатими на землю елементами — позитивними електродами, виготовленими із таких речей, як залізо, марганець і титан — елементів, вартість яких набагато нижча. Але змусити цю хімію працювати добре — це виклик, тому що це не те саме, що літій».

Назар зазначає, що деякі компанії не вважають, що варто інвестувати в натрій-іонні батареї, тому що вартість літій-іонних батарей постійно падає.

«Я думаю, що, мабуть, варто інвестувати багато ресурсів у натрій-іонні батареї», — каже вона. «Якщо настане чудовий момент, коли натрієво-іонні батареї будуть працювати дуже добре, з високою щільністю енергії, це буде величезним кроком вперед».

цукор

Вірте чи ні, але ви можете працювати від батареї на цукрі, як малюк, який стрибає на кейк-попс. У 2007 році Sony вперше опублікувала дослідження реакції окислення мальтодекстрину для створення енергії. Хоча матеріально-технічна доступність і екологічність цукрових батарей набагато вища, ніж літій-іонних, напруга, створювана їх хімічною реакцією, помітно нижча. Отже, ви, ймовірно, захочете не годувати свою Tesla коробкою Crunchberries.

Хоча оригінальна концепція вперше з'явилася в 2007 році, цукрова батарея концепція все ще має трохи соку в ній. У 2016 році команда Массачусетського технологічного інституту під керівництвом професора Майкла Страно створила пристрій під назвою Thermopower Wave, який набагато ефективніший за попередні втілення цукрової батареї та може живити комерційний світлодіод світло. Це захоплюючий розвиток подій, оскільки цукор у великій кількості, тому, якщо ми зможемо знайти життєздатний спосіб виробництва цих батарей, ми, ймовірно, зможемо швидко розширити цю технологію. На жаль, комерційна доступність, ймовірно, відбудеться через кілька років.

Потік

Потокова батарея має іншу структуру, ніж більшість інших: замість упаковки купи реактивних матеріалів разом в один блок (як і звичайні батареї), проточні батареї зберігають реактивні рідини в окремих контейнерах, а потім закачують їх у систему для створення енергії. Вони також величезні та призначені для накопичення енергії в мережі, а не для електроніки та речей, які зручно розміщуються у вашій долоні.

Оригінальний проточна батарея повідомляється, що він важив 1000 фунтів і був винайдений наприкінці 19 століття для живлення розумно французький дирижабль отримав назву «Ла Франс». Відтоді інтерес до модульного накопичувача енергії то зростав, то згасав потім.

«Я думаю, що справжній вибух і інтерес до проточних батарей полягає не стільки в тому, щоб зробити наступне покоління батарей для телефони чи комп’ютери, але середні та великі накопичувачі енергії», – пояснює Тімоті Кук, професор хімії в Університеті Буйвол. Отже, якщо ви не створюєте мобільний телефон у стилі стімпанк, малоймовірно, що ви будете носити з собою будь-які проточні батареї, активовані мікроскопічними насосами. Однак, оскільки все більше будинків встановлюють сонячну енергію, ринок «персоналізованого зберігання енергії» зростатиме.

У той час як підвищення потужності літій-іонних акумуляторів означає збільшення розміру акумулятора, дизайну проточних батарей дозволяє збільшити енергію за рахунок збільшення розміру рідини водосховища. San Diego Power and Electric нещодавно встановили один, який може живити 1000 будинків.

«Вам не потрібно змінювати будь-які розміри мембрани [де відбувається хімічна реакція], вам просто потрібно пропускати через нього більший об’єм рідини протягом більш тривалого часу, і ви можете витягнути цю енергію», – пояснює Кухар. «Тож набагато простіше збільшувати чи зменшувати масштаб, або ви можете просто налаштувати його під установку».

Проточні батареї також мають набагато більше циклів заряджання, ніж більшість батарей. Можливість заміни рідин або інших модульних частин означає, що потенційний термін служби батареї майже необмежений.

Незважаючи на те, що зараз компанії продають проточні батареї промислового розміру, професор Кук не очікує широкого визнання ще через п’ять-десять років. Він навіть уявляє собі день, коли електромобілі зможуть використовувати цю технологію. Кук описує автомобіль, який під'їжджає до «заправної станції», зливає відпрацьований електроліт, а потім заправляє щойно зарядженим. Замість того, щоб чекати півгодини, поки ваш автомобіль перезавантажиться, колеса можуть знову закрутитися за лічені хвилини. Але, звичайно, це майбутнє ще далеко.

Папір

Виготовлення батареї з паперу має багато переваг: вона тонка, гнучка та, якщо виготовлена ​​з відповідних матеріалів, здатна біологічно розкладатися. Команда зі Стенфордського університету розробила ранні паперові батареї, покриваючи тонкі аркуші чорнилом, насиченим вуглецем і сріблом. Нещодавно еко-керівники захопилися акумуляторами, які розробляються в Бінгемтонському університеті. Професор Сеокхен «Шон» Чой створив кілька його втілень, включно з одним із живленням від плювок — або, більш науково кажучи, людською слиною — і іншим із живленням бактерій. Недавнє втілення біобатареї, розробленої Чоєм і професором Омовунмі Садіком, використовує полі (амінова) кислота та полі (піромелітовий діангідрид-п-фенілендіамін) для створення джерел енергії біологічно розкладається.

«Наша гібридна паперова батарея продемонструвала набагато вище співвідношення потужності та вартості, ніж усі раніше зареєстровані паперові мікробні батареї», — сказав Чой під час інновації. було оголошено. Незважаючи на те, що комерційне використання цих екологічно чистих паперових батарей було обмеженим через їх низьку електричну потужність (можна живити світлодіодну лампу для приблизно 20 хвилин), дослідники сподіваються побачити їх використання в електроніці, бездротових пристроях, медичних додатках, таких як кардіостимулятори, літаки та автомобілів. Чой написав статтю про використання їх як одноразових джерел живлення для діагностичних інструментів у пунктах медичної допомоги в країнах, що розвиваються, де батареї можуть бути недоступними.

повітря

Повітря справді може бути електричним, і не лише в той момент, коли ви висуваєте комір після того, як із динаміків вашого Ferrari лунає мелодія Філа Коллінза. Цинк-повітряні батареї, які розміром приблизно з цукерки Smarties і працюють за рахунок реакції між киснем і цинком, використовуються в слухових апаратах протягом багатьох років. Цинк також є дешевим і міститься у великій кількості, що робить технологію економічною та екологічною.

Але є обмеження при спробі створити цю технологію перезаряджається. Під час заряджання можуть утворюватися дендритні кристали, що призведе до короткого замикання акумулятора. Було випробувано способи заміни цинку, наприклад «механічне заряджання» батареї шляхом фізичної заміни матеріалів, підхід, який випробували на електричних автобусах Сінгапуру. Були спроби провести численні інші експерименти з літій-повітряними та метало-повітряними батареями з різним ступенем щільності енергії, рівня потужності та вартості. За останнє десятиліття Tesla подала кілька патентів, пов’язаних із зарядкою літій-повітряні батареї, тому їхній потенціал може бути далеко за межами ваших слухових апаратів.

Залізо

Кілька років тому професор хімії Університету Айдахо Пітер Аллен почав висловлювати своє захоплення наукою про акумулятори на YouTube. Майже відразу він виявив, що глядачі справді реагують на матеріал акумулятора, що надихнуло його створити акумуляторну батарею для освітньої демонстрації. Цей проект призвів до створення понад 100 демонстраційних відеороликів, які пояснюють кроки, проблеми та знання проекту освітнього акумулятора.

«Я не хочу називати себе експертом з акумуляторів, як такого», — визнає професор, сфера знань якого — біологічна хімія. Знімаючи відео на YouTube, він зрозумів, що можна багато чому навчитися, побудувавши відносно дешеву батарею своїми руками.

«Частини технології залізних батарей існують уже 100 років, тож я думаю, що багато людей, які можуть прийти до цього з багато іноземних знань просто сказали б: «Ну, це вже втоптана земля — там нічого не можна знайти», — каже він. «Але будучи трохи наївним, я зайшов у нього і сказав: «Ну, давайте спробуємо, ви все одно можете знайти щось цікаве».

Після двох років, понад 30 варіантів акумуляторів і значної допомоги студентів бакалаврату, Аллен отримав навчився балансувати рідкі та тверді матеріали для створення оптимальної кількості енергії, але з низькою потужність.

«Тоді ми зайнялися питанням: «Якщо у вас є хімія, яка працює, але діє повільно, як її прискорити?»

Навіть якщо команда вирішить це завдання, сучасна технологія диктує, що найкращим застосуванням залізної батареї буде a сусідній мікромережевий накопичувач енергії або захоплення енергії сонячної ферми, враховуючи необхідний простір і швидкість енергії, що надсилається з одиниця.

Хто виграє?

Чи стане коли-небудь залізна батарея Аллена комерційно життєздатною? Він не впевнений, що поточні висновки його команди, які були опубліковані в науковому журналі, приведуть їх туди.

Переглянувши численні винаходи акумуляторів, він розуміє, що лише деякі з них справді вийдуть на ринок. У наукових дослідженнях, пояснює він, існує «долина смерті».

«У вас є фундаментальні дослідження, які приводять до чогось дійсно класного», — каже він. «Виникає питання, чи можна це комерціалізувати. І немає грошей, щоб поставити це питання». Дослідники, які знайдуть достатньо грошей, щоб відповісти на це початкове запитання, потім, якщо їм пощастить, знайдуть інвесторів, які хочуть удосконалити та комерціалізувати ідею. «Але існує розрив між фундаментальними дослідженнями та необхідним доопрацюванням для реклами акумуляторів».

У 2019 році венчурні капіталісти затонули 1,7 мільярда доларів на стартапи акумуляторів, з яких 1,4 мільярда піде на дослідження, пов’язані з іонами літію. Але проточні батареї, цинк-повітря, рідкий метал і багато інших технологій також отримали письмові перевірки. Хоча літій-іонні накопичувачі енергії, ймовірно, будуть домінувати над накопичувачами енергії ще принаймні ще 10 років, багато інших, схоже, вже зможуть вибратися з долини смерті.

Рекомендації редакції

• Майбутнє сталого розвитку: погляд на наступну еволюцію екологічних технологій
• Через десятиліття винахідники літій-іонної батареї отримують Нобелівську премію з хімії
• Інженери створили новий тип літієвої батареї, яка не вибухне