Batteriteknologier, der vil ændre verden

Vil du køre fem hundrede miles for en dollar? Vil du have, at din smartphone skal gengive computergrafik i konsolkvalitet og genoplade en gang om ugen? Vil du være i stand til at bruge lette Google Glass-stil-wearables i flere uger uden at bekymre dig om at oplade dem?

Alle disse fantastiske teknologiprogrammer venter på bedre batteriteknologi. Batteriteknologi er vokset langsommere end andre teknologier (som processorhastighed og computerlagring), og er nu den lange teltstang i et svimlende antal industrier. Der er god grund til at tro, at vi når nogle grundlæggende grænser for den nuværende lithium-ion-teknologi, og der er en række spændende teknologier i horisonten. I dag skal vi se på fire af de mest lovende muligheder.

Bedre batterier står til at gøre elbiler praktiske, uafhængige mobile enheder fra opladningsangst og muliggør helt nye klasser af lette, langvarige wearables. Sådan gør de:

3. Batterier med dobbelt kulstof

Ud over at være ikke så energitæt, som vi måske vil, er der andre alvorlige begrænsninger for den eksisterende lithium-ion-batteriteknologi - især opladningstid, flygtighed og degredation.

Lithium-ion-batterier tager tid at oplade - ofte flere timer, selv med den bedste teknologi - og selvom de sandsynligvis er mere sikre end benzin, bliver de varme under drift (især højtydende batterier som dem, der bruges i elektriske køretøjer). Hvis varmeafledning ikke styres korrekt, kan den resulterende løbsk reaktion forårsage brand eller endda en eksplosion.

For at gøre tingene værre er opladningsafladningscyklussen for lithium-ion-batterier ødelæggende: efter kun to hundrede og halvtreds opladningsafladningscyklusser vil lithium-ion-batterier allerede have mistet omkring tyve procent af deres lagerkapacitet. Dette er fint for markeder som smartphones, hvor folk alligevel udskifter deres enheder hvert år eller to, men det er et problem for markeder som det elektriske køretøj, som folk sandsynligvis gerne vil bruge i årevis uden at skulle udskifte en giftig og dyr batterikomponent.

Nu ringede et firma til “Power Japan Plus” mener, at det har en løsning i form af en “dual-carbon” batteri. Denne batteriteknologi erstatter batteriets anode og katode (de positive og negative klemmer, typisk fremstillet af et meget reaktivt metal som lithiumoxid) med almindeligt kulstof, der er ret inert. Resultatet er et batteri, der ikke lagrer dramatisk mere energi end lithium-ion-teknologi, men adresserer mange af de andre begrænsninger af aktuelle batterier.

Dual-carbon-batterier kan oplades tyve gange hurtigere end lithium-ion-teknologi, producerer ikke varme under drift og er meget mindre tilbøjelige til at tænde. De nedbrydes også meget langsommere (de er gode til omkring tre tusind cykler). Da kulstof er let tilgængelig og kemisk ufarlig, er de også billige, relativt ikke-giftige og genanvendelige.

Chris Craney, Chief Marketing Officer for virksomheden, mener, at batterierne i sidste ende vil være en stor ting for elbiler: taler til Atlanterhavet, sagde han,

“Vi har ambitiøse påstande […] Hvis der er et [elektrisk køretøj] firma, der vil klatre op til Tesla-niveauet, ville vi være et godt firma at tale med. […] For at være dristige er vi overbeviste om, at vi er en vigtig løsning for den nuværende elektriske køretøjsindustri.”

Virksomheden planlægger at begynde at producere et indledende løb af batterier i år til primært brug i medicinsk udstyr.

2. Litium-luftbatterier

En anden tilgang til at øge tætheden af ​​batterier er at ændre kemi, så at den strømgenererende reaktion trækker ilt fra den udvendige atmosfære (og producerer ilt under genopladning), som for lithium-luftbatterier. Denne teknologi forfølges af IBM blandt andet som en eventuel hellig gral af batteriteknologi.

Ved at bruge atmosfærisk ilt i stedet for at opbevare ilt i batteriet, kan du drastisk øge lagertætheden, og i teorien tilbyde densitetsgevinster på op til fyrre gange sammenlignet med konventionelle lithiumceller, hvilket fører til elbiler, der kan rejse i tusinder af miles mod betaling. De eksisterende prototyper slår de nuværende lithium-ion-celler ud med en faktor på dobbelt. Disse densiteter er tæt på den teoretiske grænse for hvad der muligvis kan opnås med et kemisk batteri.

Denne batteriteknologi er nogle veje væk (IBM estimerer 5 til 15 år), men på mange måder repræsenterer den den hellige gral af kemiske batterier - den bedst mulige densitet for en given vægt. Genopladelige lithium-luftbatterier kan konkurrere med benzin for energitæthed, noget uhørt i traditionel batteriteknologi. IBMs side til deres forskningsprojekt beskriver det sådan:

Elektriske biler i dag kan typisk kun rejse cirka 100 miles med den aktuelle batteriteknologi, kaldet lithium-ion (LIB). […] I erkendelse af dette startede IBM Battery 500-projektet i 2009 for at udvikle en ny type lithium-air-batteriteknologi, som forventes at forbedre energitætheden ti gange, hvilket dramatisk øger mængden af ​​energi, som disse batterier kan generere og opbevare. I dag har IBM-forskere med succes demonstreret den grundlæggende kemi ved opladnings- og genopladningsprocessen for lithium-luftbatterier.

1. Graphene Ultracapacitors

En anden, mere spekulativ tilgang til forbedring af batteriets ydeevne er at grøfte 'batteriets' del af ideen helt. Et alternativ til batteriteknologi er, hvad der er kendt som kondensatorer: opladede plader, adskilt af en modstand. Elektricitet kan opbevares i kondensatoren som et elektrostatisk felt og derefter tømmes senere (tænk på at opbygge en statisk ladning på din krop ved at klappe en kat og derefter tømme din krop i en dørhåndtag).

Konventionelle kondensatorer har alvorlige grænser for den mængde opladning, de kan opbevare, samt hvor langsomt de kan frigive denne ladning. Ved at bruge materialer som grafen, der har enormt høje overfladearealer for deres masse og volumen, er det imidlertid muligt at skabe celler med enorm kapacitet og energitetthed, der kan sammenlignes med konventionelle batterier.

Disse 'ultrakapacitorer' ville ikke forringes ved hver opladningscyklus og ville være i stand til at blive opladet på få sekunder. Eksisterende prototyper viser ingen reduktion i kapacitans over 10.000 ladecyklusser og viser en energitetthed, der kan sammenlignes med traditionelle lithium-ion-batterier. Fremtidige forbedringer af materialevidenskaben kan føre disse tal endnu højere.

På kort sigt rapporterer nogle insidere, at Tesla udvikler en grafen-ultrakapacitor, der kunne oplades på få sekunder og fordoble rækkevidden for deres elbiler til 500 miles pr. Ladning. Elon Musk har på sin side omtalt tanken før:

“Hvis jeg skulle forudsige, ville jeg tro, at der er en god chance for, at det ikke er batterier, men superkondensatorer.”

Alle disse teknologier har sandsynligvis en rolle at spille på kort og lang sigt, når vi begynder at bevæge os forbi den lithium-ion-teknologi, som vi har brugt i årtier. Overgangen vil sandsynligvis ikke være helt yndefuld eller så hurtig, som vi måske vil, men den vil muliggøre nye applikationer og teknologier, der vil ændre verden i flere årtier fremover.

Hvad tror du vil være fremtidens energiteknologi? Vil det være batterier, kondensatorer eller noget andet? Del dine tanker i kommentarfeltet nedenfor!