Batterieteknologier som kommer til å forandre verden

Vil du kjøre fem hundre miles for en dollar? Vil du at smarttelefonen skal gi konsollkvalitets datagrafikk og lade opp en gang i uken? Ønsker å kunne bruke lette Google Glass-stil wearables i uker på slutten uten å bekymre deg for å lade dem?

Alle disse flotte teknologilappene venter på bedre batteriteknologi. Batteriteknologi har vokst sakte enn andre teknologier (som prosessorhastighet og datalagring), og er nå den lange teltpolen i et svimlende antall bransjer. Det er god grunn til å tro at vi nå noen grunnleggende grenser for dagens litiumionsteknologi, og det er en rekke spennende teknologier i horisonten. I dag ser vi på fire av de mest lovende alternativene.

Bedre batterier står for å gjøre elektriske biler praktiske, untether mobile enheter fra ladet angst, og aktivere helt nye klasser av lette, lange kjører wearables. Slik gjør de det:

3. Dual-Carbon Batteries

Foruten å være så energitett som vi kanskje vil, er det andre alvorlige begrensninger for eksisterende litiumionbatteri-teknologi - spesielt ladetid, volatilitet og nedbrytning.

Litiumionbatterier tar tid å lade - ofte flere timer, selv med den beste teknologien - og, selv om de er sikkert tryggere enn bensin, blir de varme under drift (spesielt høyytelsesbatterier som de som brukes i elektriske kjøretøyer). Hvis varmespredning ikke håndteres riktig, kan den resulterende bortløpsreaksjonen forårsake branner eller til og med eksplosjon.

For å gjøre ting verre, er ladningsutladningssyklusen for litiumionbatterier destruktive: etter bare to hundre og femti ladingsutladninger vil litiumionbatterier allerede ha mistet omtrent tjue prosent av lagerkapasiteten. Dette er bra for markeder som smarttelefoner, hvor folk erstatter sine enheter hvert år eller to, uansett, men det er et problem for markeder som det elektriske kjøretøyet, som folk sannsynligvis vil bruke i årevis uten å måtte bytte ut en giftig og kostbar batterikomponent.

Nå heter et selskap “Power Japan Plus” tror det har en løsning, i form av a “dual-karbon” batteri. Denne batteriteknologien erstatter anoden og katoden til batteriet (de positive og negative terminalene, vanligvis laget av et sterkt reaktivt metall som litiumoksid) med vanlig karbon, noe som er ganske inert. Resultatet er et batteri som ikke lagrer dramatisk mer energi enn litiumionsteknologi, men tar opp mange av de andre begrensningene i dagens batterier.

Dual-carbon-batterier kan lade tjue ganger raskere enn litiumionteknologi, produserer ikke varme under drift, og er mye mindre sannsynlig å ta brann. De nedbryter også mye langsommere (de er gode for omtrent tre tusen sykluser). Fordi karbon er lett tilgjengelig og kjemisk ufarlig, er de også billige, relativt giftfri og resirkulerbar.

Chris Craney, Chief Marketing Officer i selskapet, mener at batteriene til slutt vil være en stor avtale for elbiler: snakker til Atlanterhavet, sa han,

“Vi har ambisiøse krav [...] Hvis det er et [elektrisk bil] selskap som ønsker å klatre til Tesla-nivået, ville vi være et godt selskap å snakke med. [...] For å være modig, er vi sikre på at vi er en stor løsning for dagens elbilindustri.”

Selskapet planlegger å begynne å produsere en første batteridrift i år, for bruk primært i medisinsk utstyr.

2. Litium-luftbatterier

En annen tilnærming til å øke tettheten til batterier er å modifisere kjemi slik at den kraftgenererende reaksjonen trekker oksygen fra utsiden atmosfære (og produserer oksygen under oppladning), som for litium-luftbatterier. Denne teknologien blir forfulgt av IBM blant annet som en eventuell hellig gral av batteriteknologi.

Ved å bruke atmosfærisk oksygen istedenfor å lagre oksygenet i batteriet, kan du drastisk øke lagertettheten, i teorien som gir tetthetsgevinster på opptil 40 ganger sammenlignet med konvensjonelle litiumceller, som fører til elektriske biler som kan reise i tusenvis av miles på en kostnad. De eksisterende prototyper slår ut dagens litiumionceller med en dobbel faktor. Disse tettheter er nær den teoretiske grensen for hva som muligens kan oppnås med et kjemisk batteri.

Denne batteriteknologien er noen måter av (IBM anslår 5 til 15 år), men representerer på mange måter den hellige grensen av kjemiske batterier - den beste muligheten for en bestemt vekt. Oppladbare litium-luftbatterier kan konkurrere med bensin for energitetthet, noe uhørt i konvensjonell batteriteknologi. IBMs side for deres forskningsprosjekt beskriver det slik:

Elektriske biler i dag kan typisk bare reise rundt 100 kilometer på dagens batteriteknologi, kalt litium-ion (LIB). [...] Erkjent dette, startet IBM Battery 500-prosjektet i 2009 for å utvikle en ny type litium-luftbatteri-teknologi som forventes å øke energiteten tetthet, noe som dramatisk øker mengden energi disse batteriene kan generere og lagre. I dag har IBM-forskere med suksess demonstrert den grunnleggende kjemi for ladning og ladning for litium-luftbatterier.

1. Grafene Ultracapacitors

En annen, mer spekulativ tilnærming til forbedring av batteriets ytelse er å grøft "batteri" -delen av ideen helt. Et alternativ til batteriteknologi er det som kalles kondensatorer: ladede plater, skilt av en motstand. Elektrisitet kan lagres i kondensatoren som et elektrostatisk felt, og deretter slippes ut senere (tenk å bygge opp en statisk ladning på kroppen din ved å potte en katt, og deretter slippe kroppen din inn i en dørhåndtak).

Konvensjonelle kondensatorer har alvorlige begrensninger for hvor mye ladning de kan lagre, og hvor langsomt de kan frigjøre den ladningen. Ved å bruke materialer som grafen, som har enormt høye overflater for masse og volum, er det imidlertid mulig å lage celler med enorme kapasitans og energidensiteter som kan sammenlignes med konvensjonelle batterier.

Disse "ultrakapacitorene" ville ikke degradere på hver ladningssyklus, og ville være i stand til å bli ladet i løpet av sekunder. Eksisterende prototyper viser ingen reduksjon i kapasitans over 10 000 ladningssykluser, og viser en energitetthet som er sammenlignbar med tradisjonelle litiumionbatterier. Fremtidige vitenskapelige forbedringer kan føre til at tallene enda høyere.

På kort sikt rapporterer noen innsidere at Tesla utvikler en graphene ultracapacitor som kan lade om i sekunder og doble rekkevidden av deres elektriske biler til 500 miles per ladning. Elon Musk har for sin del nevnt ideen før:

“Hvis jeg skulle foreta en prediksjon, tror jeg det er en god sjanse for at det ikke er batterier, men superkondensatorer.”

Alle disse teknologiene har sannsynligvis en rolle å spille på nær og lang sikt, da vi begynner å bevege seg forbi litiumionsteknologien som vi har brukt i flere tiår. Overgangen vil trolig ikke være helt grasiøs, eller så fort som mulig, men det vil muliggjøre nye applikasjoner og teknologier som vil forandre verden i flere tiår framover.

Hva tror du vil være fremtidens energiteknologi? Vil det være batterier, kondensatorer eller noe annet? Del dine tanker i kommentarfeltet nedenfor!

Utforsk mer om: Automotive Technology, batterilevetid.