Verden venter på et batteri gennembrud. Næsten alle sektorer inden for elektronikindustrien, alt, hvad der kører på et batteri, er begrænset af strømforbruget og energitiden for de batterier, der kører det.
Relateret indhold
- Hvorfor salt er dette kraftværks mest værdifulde aktiv
- Du behøver aldrig at tilslutte denne batterifri mobiltelefon
”Fremskridt eller fremskridt med batterier er meget langsommere end på andre områder, og dette er en iboende begrænsning af batterier, ” siger Stefano Passerini, chefredaktør for Journal of Power Sources . ”Du kan ikke forvente et batteri, der kan levere energi til en mobiltelefon i en uge eller en måned. I slutningen er den maksimale mængde energi, du kan opbevare i et batteri, fastsat af de tilgængelige elementer. ”
Men der er fremskridt. Forskere arbejder på at forbedre energitætheden (juice pr. Vægt og volumen), prisen, sikkerheden, miljøpåvirkningen og endda levetiden for den mest populære klasse, lithium-ion-batterier, samt at designe helt nye typer.
De fleste batterier findes i tre hovedindustrier: forbrugerelektronik, bil og netopbevaring.
”Jeg vil kalde dem de tre store spande, hvor folk krydser hinanden med batterier, ” siger Venkat Srinivasan, viceadministrerende direktør for forskning og udvikling ved Department of Energy's Joint Center for Energy Storage Research. Hver spand har forskellige krav, og de anvendte batterier kan (undertiden) være meget forskellige fra hinanden. Denne telefon i lommen har brug for et batteri, der er kompakt og sikkert, men vægten og omkostningerne er mindre vigtige. Skaler op til bilbatterier, og med så mange batterier bliver omkostninger og vægt vigtigt såvel som cyklusliv (du ville være meget gal, hvis den nye Tesla krævede nye batterier hvert par år). Skaler op endnu længere, og batterierne, der begynder at blive brugt til at opbevare strøm til huse og gitteret, har meget få vægt- eller størrelseskrav.
I årtier har forbrugerelektronik - din telefon, computer, kamera, tablet, droner, endda dit ur - kørt på lithium-ion-batterier takket være deres lette genopladelighed og høje energitæthed. I disse batterier danner en gitter af grafit, fyldt med lithiumioner, anoden. Et oxid danner katoden, der er forbundet til den modsatte terminal, og de to adskilles af en flydende elektrolyt, der tillader ioner at passere gennem den. Når de ydre terminaler er forbundet, oxiderer lithiumet, og ionerne strømmer til katoden. Opladning er bare det modsatte. Jo flere lithiumioner, der kan overføres på denne måde, jo mere strøm kan batteriet have. Vi er klar over den kompakte størrelse og brugervenlighed, hvis ikke batteriets levetid og sikkerhed. Men der er måske ikke meget plads til yderligere forbedringer, siger Passernini.
”Nu er lithium-ion-batterier lidt tæt på grænsen, ” siger han. ”Selvom vi allerede sagde det for ca. 10 år siden, og forbedringerne i de sidste 10 år har været ret store.”
Når det gælder biler, er batterier i sidste ende ansvarlige for bilens levetid og for den frygtede rækkevidde angst når det kommer til elbiler. For at tackle dette problem forsøger ingeniører og forskere at klemme mere spændingskapacitet ind i batterier. Men det er ofte forbundet med defekte kemiske reaktioner, som reducerer kapaciteten over tid. En stor del af forskning bruges til at finde nye materialer og kemikalier til hjælp eller udskiftning af lithium-ion-gitteret eller andre dele af batteriet.
Srinivasan påpeger et par potentielle nyskabelser, og disse er ikke kun til biler: Det traditionelle grafitanodegitter kan erstattes med silicium, der indeholder 10 gange så mange lithiumioner. Men silicium har en tendens til at udvide sig, da det absorberer lithium, så batterier bliver nødt til at tage højde for det. Eller: I stedet for gitteret, kunne litiummetal fungere som anoden - forudsat at vi kan finde ud af, hvordan vi kan forhindre, at det katastrofalt kortsluttes, når det genoplades. Det er et problem, som batteriproducenter har forsøgt at løse, siden lithium-ion-batteriet blev opfundet for årtier siden. ”Vi har fået meget håb om, at vi er på et tidspunkt, hvor dette 30-årige måske kan løses igen, ” siger Srinivasan.
Måske kan litium udskiftes helt. Forskere ser på måder at bruge natrium eller magnesium i stedet for, og Joint Center for Energy Storage Research bruger computermodellering til at undersøge specialdesignede, oxidbaserede materialer, der kan fungere som katoden til en magnesiumanode. Magnesium er især attraktivt, fordi dens struktur tillader det at acceptere to elektroner pr. Atom, hvilket fordobler den ladning, det kan holde.
Prashant Jain og hans samarbejdspartnere ved University of Illinois arbejder på en anden facet af litiumbatterier: elektrolytten. Elektrolytten er væsken, der fylder rummet mellem kationen (positivt ladet ion) og anion (negativt ladet ion), hvilket giver ladede partikler mulighed for at strømme igennem. Det har længe været kendt, at visse faste materialer, som kobberselenid, også vil give ioner mulighed for at strømme, men ikke hurtigt nok til at køre højdrevne enheder. Jain, adjunkt i kemi, og hans studerende, har udviklet et superionisk fast stof, der er fremstillet af nanopartikler af kobberselenid, der har forskellige egenskaber. Det giver ladede partikler mulighed for at strømme med en hastighed, der kan sammenlignes med en flydende elektrolyt.
De potentielle fordele ved denne teknologi er todelt: sikkerhed og livscyklus. Hvis et nuværende lithium-ion-batteri bliver beskadiget, shorts og opvarmes batteriet. Væsken fordamper, og der er intet der forhindrer en hurtig udladning af energi-bom. Et fast stof vil forhindre det korte og tillade en fuldmetodeanode, der tilbyder en større energikapacitet. Derudover begynder flydende elektrolytter over gentagne cyklusser at opløse katoden og anoden, og dette er en primær årsag til, at batterierne til sidst ikke oplades.
”Der har været alle disse trinvise forbedringer, der faktisk har gjort nogle fremskridt. Men der har aldrig været et stort dramatisk gennembrud, forstyrrende teknologi, hvor man kan sige nu, den faste elektrolyt matcher virkelig potentialet med hensyn til transport af ioner, som flydende elektrolytter [kan], ”siger Jain. ”Nu hvor sikkerhedsspørgsmålene kommer frem med flydende elektrolytter, har forskere været som, måske er vi nødt til at tænke på noget dramatisk med faste elektrolytter og en gang for alle lave en, der kan erstatte en flydende elektrolyt.”
John Goodenough, med opfinder af lithium-ion-batteriet, udvikler et batteri med en glasbaseret elektrolyt. (Cockrell School of Engineering, University of Texas i Austin) En af medopfinderne af det originale lithium-ion-batteri tager selv en ny kløft mod faststofelektrolytter: John Goodenough, emeritus-professor i teknik ved University of Texas, har offentliggjort og indgivet en patentansøgning om et batteri med et glas -baseret elektrolyt. Ved at imprægnere glasset med lithium eller natrium har Goodenough været i stand til at lade strømmen flyde endnu hurtigere, samtidig med at man forhindrer shorts og øger energikapaciteten med en solid anode.
Al denne forskning vil være indflydelsesrig på batterierne i vores lommer og biler. Men der er en tredje kategori, hvor virkningerne er globale.
Melanie Sanford bruger modelleringsværktøjer på en anden type batteri - store, redox-strømningsbatterier, der vil opbevare strøm fra vedvarende kraftværker og frigøre det, når vinden og solen ikke er tilgængelig. Aften på toppene og dale af energiproduktion og forbrug vil det hjælpe vedvarende energikilder med at skabe mere end blot supplerende strøm.
Sydlige Californien Edison eksperimenterer allerede med batteribanker ved hjælp af Tesla-bilbatterier, men fordi batterierne er traditionelle lithium-ion-baserede, er de for dyre til at bruge i en skala, der tillader global vedvarende energi. Desuden er begrænsningerne for et gitterbatteri meget anderledes end en bil. Vægt og størrelse er ikke et problem, men pris og levetid er.
I et redox flowbatteri opbevares energilagemateriale i flydende form i store tanke og pumpes derefter til en mindre celle, hvor det reagerer med et lignende apparat, der har den modsatte ladning. Computermodelleringen har gjort det muligt for Sanfords laboratorium at tilpasse organiske molekyler, hvilket har ført til tusind gange stigning, fra mindre end en dag til måneder, i den mængde tid disse molekyler forbliver stabile.
"For kilden i netskalaen er den slags ting, du har brug for, materialer, der er superbillige, fordi vi taler om enorme batterier, " siger Sanford. ”Vi taler om en vindmøllepark og derefter et sammenligneligt område med lagre med disse batterier.”
Ifølge Sanford kommer innovationer både fra materialevidenskab - udvikling af nye materialer, der skal sættes i vores batterier - og fra ingeniører, der vil gøre systemerne bygget omkring disse materialer mere effektive. Begge vil være nødvendige, men rørledningen fra forskning til produktion vil nødvendigvis være en anden flaskehals.
”Alle skal være opmærksomme på, at der ikke er et batteri, der kan passe til alle applikationer, ” siger Passerini. ”Det er klart, at selv for at få en lille smule - 10 procent, 20 procent ydeevne - er det et stort emne. Vi er nødt til at forske på området. Forskerne skal støttes. ”
