3 neue Arten von Batterien, die gerade könnte die Welt verändern.


Wir glauben, dass Technologie zu Geräten gewöhnt. Wir haben uns geirrt. Diese schwachen Kunststoff und Glas Exoskelette sind nicht annähernd so wichtig wie die Batterien, die sie an die macht. Welches ist, warum das Rennen um ein besserer Akku von wahnsinnigen Hype betrieben wird – Gewinde mit echten Innovation.

Bild: Universität von Illinois.

Der Markt für eine bessere Batterie ist potenziell enorm. Da unsere Gadgets und Autos entwickelt haben, sind die Batterien, die sie antreiben noch ziemlich unverändert geblieben. Und während die Presse voll von Berichten über Heureka "Durchbrüche", es ist erwies sich als erstaunlich schwer zu vermarkten eines dieser neuen Technologie auf einer breiteren Ebene wird als Journalisten wie Kevin Bullis und Steve LeVine aufgezeichnet haben (mehr dazu später). Batterie-Magie ist in einem Labor eine Sache. Herauszufinden, wie man diese Magie sicher, in einer Fabrik, millionenfach vorbei, zu einem Preis zu reproduzieren, die konkurrenzfähig ist? Das ist ein weiterer.

Doch das Rennen geht weiter: Elektroauto-Hersteller sind auf der Suche nach billiger, leichter, leistungsstarke und langlebige Zellen. Elektronik-Hersteller sind auf der Suche nach zuverlässiger Zellen, die kann schneller und länger dauern. Für Hersteller von medizinischen Implantaten und sogar tragbare Technologie ist es ein Akku klein genug, um "verschwinden". Unterdessen suchen erneuerbare Energie-Unternehmen für Batterien, die laden und Entladen Tausende und Abertausende von Zeiten und stabil bleiben kann.

Die Durchbrüche, die scheinen zu hören auf einer wöchentlichen Basis sind real. Aber es gibt eine zunehmend offensichtliche Kluft zwischen einen Durchbruch und seine Annahme. Ich schaute in die drei Bereiche der Buzz-y Batterieforschung um herauszufinden, wie nah sie sind – wie das müde alte Sprichwort sagt – wirklich die Welt zu verändern.

Die Solid-State

Beginnen wir mit einer neuen Technologie, die ein sehr gefährliches Problem mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verzichtet: ihre Begeisterung für in Flammen ohne Vorwarnung. Diese nennt man solid-State-Batterien – es gibt viele Arten — und um zu verstehen wie sie augenblicklich Feuersbrunst zu vermeiden, hilft es, ein wenig über warum dieses Phänomen in Lithium-Ionen-Batterien in erster Linie tritt wissen.

Die meisten herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), getrennt durch eine Art von flüssigen Elektrolyten oder das Medium, das die Lithium-Ionen Wechsel von Anode zu Kathode führt. Das Problem ist, dass dieser Elektrolyt sehr brennbar ist — wenn es beschädigt oder punktiert, wird die Batterie Feuer fangen. Führt zu Dingen wie, äh, dies:

Solid-State-Batterien tun, Weg mit flüssigen Elektrolyten ganz. Stattdessen verwenden sie eine Schicht aus einem anderen Material, in der Regel eine Mischung von Metallen, Durchführung von Ionen zwischen den Elektroden und Energie zu schaffen.

Aber das ist nur die Hälfte der Grund, warum solid-State-Technologie so spannend ist. Da gibt es keine flüssige Komponente in diesen Zellen – und weil sie weniger zusätzliche Schichten Isolierung und andere Sicherheitsmaßnahmen erfordern-sie neigen dazu, kleiner, leichter und flexibler als ihre Vorgänger Feuer-glücklich zu sein. Das macht sie sehr interessant für Automobilhersteller, die auf der Suche nach eine leichtere und sicherere Batterie für ihre Elektrofahrzeuge. Das Department of Energy Advanced Research Projects Agency-Energie oder ARPA-E, wird ausgeführt, dass mehrere Projekte entweder zu entwickeln, solid-State-Lithium-Ionen-Batterien oder solid-State-Batterien Lithium ganz abzuschaffen.

Dann gibt es ein führendes Unternehmen im festen Zustand, Sakti3, eine 8 Jahre alte Unternehmen mit Sitz in Ann Arbor, unter der Leitung von CEO Ann Marie Sastry. Profil von Kevin Bullis MIT Technology Review gibt uns einen Einblick in die Arbeit Sakti3 und Sastry machst, die konzentriert sich auf herauszufinden, wie man solid-State-Lithium-Ionen-Batterien im Maßstab bauen:

Sie entwickelt auch Fertigungstechniken, die sich zur Massenproduktion eignen. "Wenn Ihr Gesamtziel ist, die Art und Weise Menschen fahren zu ändern, Ihre Kriterien nicht mehr nur die beste Energiedichte jemals erreicht oder die größte Anzahl von Zyklen sein können", sagt sie. "Das entscheidende Kriterium ist die Erschwinglichkeit in einem Produkt, dass die erforderliche Leistung."

Sakti3 der Arbeit klingt spannend, aber die Firma wurde äußerst geheimnisvoll über seine Technologie, so dass wir wissen nicht genau, was es als seine Elektrolyt verwendet – das könnte am Ende sicherlich Auswirkungen auf die Kosten oder die Herstellbarkeit dieser Batterien in einem größeren Maßstab. Wir wissen, dass Sakti3 angezogen hat Investitionen von wichtigen Akteuren, darunter GM Venture-Arm und beanspruchte letztes Jahr, dass es die Energiedichte des durchschnittlichen Lithium Ionen Akkus verdoppelt hatte. Einem anderen solid-State-Unternehmen, QuantumScape, ist ebenso ruhig – aber Gerüchten zufolge an ähnlichen Ideen mit solid-State-Technologie arbeitet.

Also, Reiten sind nicht warum wir um mit solid-State-Batterien unter unsere Hauben? Es ist immer noch ziemlich früh für Kommerzialisierung in dieser Größenordnung. Eine der größten Herausforderungen bei der Batterie-Tech ist nicht nur das elektrochemische Geheimrezept, es ist die geheime Zutat in einer Fabrik zu einem Preis geringer als die von konventionellen Zellen, mit größerer Regelmäßigkeit, in großem Maßstab replizieren.

Es ist ein Paradigma, die der Autor Steve LeVine gut kennt. Levines neues Buch The Powerhouse, veröffentlicht in diesem Frühjahr ist einen tiefen Einblick in den Aufstieg – und fallen – einer Firma, die versucht, nur eines dieser Eureka-Game-changing-Aha-Moment-Battery-Innovations zu vermarkten. Er verbrachte Jahre nach Envia, ein Batterie-Startup, das sicherte sich schließlich einen Vertrag mit GM, die Kathoden, gebildet von Nickel, Mangan und Kobalt, um GM Volt Strom zu liefern. Bis alles auseinander, fiel wenn die Kathoden nicht die Art und Weise, die Envia behauptete auszuführen, sie würden.

Als LeVine mir den letzten telefonieren erklärte – und wie er diese Woche in einer Geschichte in Quarz wider, das aufregendste in Batterie-Tech jetzt ist nicht die Batterie. Es ist der Herstellungsprozess. "Ich bekommen habe sehr aufgeregt, was möglich ist, indem Sie herausfinden, wie man Kosten durch Herstellung Durchbrüche senken", sagte er, darauf hinzuweisen, dass das Department of Energy jetzt Inszenierung Wettbewerbe, die Teilnehmer Schwerpunkt sich auf die Innovation des Herstellungsprozesses, anstatt die elektrochemische Wissenschaft die Batterien selbst Fragen. "Ich glaube, das ist der Ort, um zu sehen," fügte er hinzu.

Die Tesla-Gigafactory im Bau im März über die Tesla-Forum.

Auch Elon Musk versucht, dieses Problem zu lösen. Seine Gigafactory, die derzeit im Gange in Nevada, ist eine massive Wette auf die Idee, die Tesla seine Konkurrenten besiegen kann, einfach indem man die gesamte Batterie Herstellungsverfahren unter einem Dach. Denken Sie daran, dies ist für Batterien, die nicht besonders bahnbrechend. Aber dieses Spiel ist über Skaleneffekte – und sogar Moschus ist dauerhafte Kritik, dass seine Batteriefabrik veraltet sein könnte, bevor es geöffnet wird, wie andere Durchbrüche in der Batterie-Tech entstehen. Das ist ein großes und polemische theoretische, aber es hilft, veranschaulichen, wie mercurial die Batterie-Industrie jetzt ist.

Die Aluminium-Luft

Obwohl Lithium der König von Batteriematerialien ist, hat es viele andere Nachteile neben brach in Flammen. Nicht nur ist mir teuer, aber es ist weniger effizient als einige andere Materialien auf die Freigabe von Elektronen, als Chemie-Welt vor kurzem erklärt, wodurch es langsamer geladen und entladen.

Also, was ist mit Batterien, die Lithium überhaupt brauchen nicht einige davon könnten laden Sie Ihr Handy in Sekunden — zumindest theoretisch? Eine israelische Firma namens Phinergy hat sich eine spannende, aber voller Anwärter in den letzten paar Jahren gesprochen: ein Aluminium-Luft-Batterie. In diesen Batterien ist eine Elektrode eine Alu-Platte. Die andere ist Sauerstoff. Genauer gesagt, Sauerstoff und Wasser-Elektrolyt. Wenn der Sauerstoff mit der Platte interagiert, produziert es Energie.

Aluminium-Luft-Batterien sind seit langem, aber Interesse an ihnen hat in den letzten Jahren verschärft. Eine viel zitierte Studie von 2002 aus dem Journal of Power Sources brachte es ins Rampenlicht, als eine Gruppe von Forschern argumentierte, dass Aluminium-Luft-Batterien die einzig mögliche Ersatz für Benzin sind. In der Theorie diese Batterien hätten 40 Mal die Kapazität des Lithium-Ionen-Batterien, und Phinergy sagt, sie könnten den Bereich EVs auf 1.000 Meilen verlängern.

Bild: Phinergy.

So ist es mal wieder die Frage: Warum sind nicht wir alle in Sauerstoff betriebene Autos herumfahren? Nun, geschieht die chemische Reaktion, die Energie in diesen Batterien produziert auch einen erheblichen Nachteil zu kommen. Wie es mit dem Sauerstoff interagiert, verschlechtert sich das Aluminium im Laufe der Zeit. Es ist eine Art von Batterie genannt eine "primäre" Zelle, die d.h. fließt der Strom nur eine Möglichkeit, von der Anode zur Kathode. Das bedeutet, dass sie aufgeladen werden können. Stattdessen müssen die Batterien ausgetauscht und nach liefen recycelt werden.

Das ist ein großen Infrastruktur-Problem, wenn es zu weit verbreiteten Einsatz kommt. "Für EVs, die eine Ordnung Situation sein könnte, sobald die Infrastruktur im Ort für Tankstellen, neue und gebrauchte Batterien von Fahrzeugen auszulagern ist," erklärte University of Michigan Batterie Lab Greg Less per e-Mail. "Aber bis das geschieht, wird eine sekundäre [] Akkuzelle, wie Lithium-Ionen-vorzuziehen." Aluminium-Luft-Batterien wäre sicherlich machbar für Gadgets, nicht weil sie brauchen würde, um ihre Batterien regelmäßig ausgelagert haben.

Dennoch Forschung baut auf Aluminium Luft, und es gibt mehrere Firmen, die behaupten, dass sie es innerhalb der nächsten paar Jahre, einschließlich der Phinergy auf den Markt bringen werde. Eine Firma namens Fuji Pigment auch behauptete kürzlich, dass es einen großen Sprung nach vorn gemacht hatte. Fuji, sagt, dass es heraus eine Möglichkeit zum Schutz von Aluminium mit Dämmstoffen, so wäre es zum Aufladen ohne getauscht werden.

Bild: Stanford.

Selbst wenn die Aluminium-Luft-Anwärter scheitern, sind Forscher zunehmend in Richtung Aluminium als Batterie-Werkstoff der Zukunft zeigen. Es ist jetzt ein heißes Feld: gerade während ich diesen Artikel schrieb, wurde ein weiteres Stück der Batterie News angekündigt – aus einem Labor an der Stanford University, die Aluminium und Graphit als Elektrodenmaterial, verwendet durch einen sicheren flüssigen Elektrolyten verbunden. Die Gruppe an der Stanford University sagt ihre Batterie kann kostenlos eine Smartphone in weniger als einer Minute und kann sein "durchbohrt" und immer noch funktionsfähig bleiben. Natürlich, Forschung mehr zu tun bleibt.

Die Microbattery

Ein weiteres wichtiges Thema mit herkömmlichen Batterien ist ihre Größe. Während fast alle anderen Teil unserer Elektronik erhalten kleinere, sind Batterien immer noch ziemlich heftige. Zum Beispiel die neueste Apple-Laptop zeichnet sich durch seine Batteriegröße —, die, obwohl es in einer super-effiziente abgestufte Struktur soll noch nimmt den meisten Platz im Körper.

Dies ist ein Problem, das weit über Laptops, aber geht. Denken Sie an medizinischen Implantaten, die eine klein genug, um im Inneren des menschlichen Körpers sitzen Netzteil benötigen. Oder ehrgeizige langfristige airborne Craft-Projekte wie Solar Impulse, das federleichte Batterien, um Energie zu speichern zu müssen. Zu guter Letzt Draht was über Projekt Jacquard, soll Computer in unserer sehr Kleidung – hoffentlich ohne ein Pfund von Lithium, versteckt in einer Tasche.

Mehr und mehr Forschung konzentriert sich auf "3D" Mikrobatterien sogenannte. Was ist der Unterschied zwischen 2D und 3D? Nun, denken Sie an eine 2D-Version als einen einfachen Blechkuchen: Es gibt zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt. Diese super-dünnen bekommen können, aber du bist auf einem sehr dünnen Kuchen mit einer ziemlich niedrigen Leistung beschränkt.

Im Vergleich dazu ein 3D Akku ist eher wie ein Roll-Kuchen (ok, es ist eine unvollkommene Metapher) wo Sie erhöhen die Fläche der Elektroden durch eng Ineinandergreifen sie in mikroskopische Schichten. Durch Vergrößerung der Oberfläche, Sie machen es leichter für Ionen von einer Elektrode zur anderen zu reisen – die erhöht sich die Batterie Leistungsdichte, d.h. die Rate, an denen es lädt und entlädt.

Bild: Harvard.

Wissenschaftler erforschen viele Möglichkeiten, diese kleinen Wunder zu fertigen. Im Jahr 2013 gewöhnen ein Team von der Harvard University einen 3D-Drucker der extremen Präzision Nanogrösse Anoden und Kathoden mit einem Lithium Ineinandergreifen "Tinte."

Aber vor kurzem ein Team der University of Illinois veröffentlichte ein Papier zeigen, wie sie eine Technik namens holographische Lithographie verwendet, um ein 3D Akku machen. Drin, super-präzise optische Strahlen werden verwendet, um eine 3D Struktur zu schaffen – in diesem Fall die Elektroden – aus einem Fotolack (denken Sie an es als dreidimensionale unbelichteten Negative) gewordenen wiederum die Batterie selbst. Warum ist dies besser als 3D-Druck? Nun, nicht für eine Sache, holographische Lithographie so entstehenden wie das 3D Drucken, so dass es möglicherweise mehr versprechen, wenn es darum geht, Skalierung.

Jedoch wie alle Batterien gibt es hier ein Kompromiss zwischen Leistungsdichte, die Rate, dass eine Batterie Energie produziert und Energiedichte, die Kapazität einer Batterie – als GizMag ist Brian Dodson erklärt in einem Beitrag über die Forschung. Es ist schwer, die beiden Dinge gut sein, aber das ist genau das, was die Illinois-Team versucht ist, zu tun. Wenn sie Erfolg haben bei der Vermarktung ihrer Tech, könnte es groß sein. Auch dies ist eine mächtige "If."

In der Tat, sagte einer der Autoren des Papiers, UI Professor William King, Gizmodo per e-Mail, dass die große Hürde nun herauszufinden ist, wie Sie dies in eine kommerzielle Technologie verwandeln. "Seit unserem erste Artikel auf diese Technologie veröffentlicht wurde, haben wir es geschafft, die Batterie Energiedichte von etwa um den Faktor 3 erhöhen, indem mit neuen, höheren Energiematerialien," sagte er. Noch, "ist die zentrale Herausforderung Scale-Up wir fleißig gearbeitet haben die Herstellung."

Was geht im Inneren?

Eines der Probleme mit der Replikation eines Durchbruch in einem Labor ist, dass oft, wir nicht wirklich wissen was geschieht im Inneren der Batterie selbst. Das klingt einfach, aber es ist eine große Herausforderung und wohl die größte Sache hochhalten Batterie Innovation: Wir können nicht wirklich beobachten, was auf molekularer Ebene vor sich geht. Es ist deshalb so viele Batterie Durchbrüche scheinen versehentliche oder unerklärliche zu sein – und warum sie flach fallen als ihre Erfinder nicht reproduzieren können die gleichen Effekte auf eine kontrollierte Art und Weise.

So dass ich mit einem Wissenschaftler, der mit Schwerpunkt auf den Aufbau von Batterien ist nicht gesprochen-er konzentriert sich auf die von ihnen innen zu sehen . Michael Toney, des SLAC National Accelerator Laboratory, führt der Weg tatsächlich zu beobachten, was geschieht innerhalb einer Batterie ohne Rissbildung, die es zu öffnen oder den Prozess zu stören.

Toney und seine Kollegen nutzen spektroskopische Bildgebung und nanoskaligen Röntgenstrahlen zu verstehen genau, was im Inneren passiert, sagen wir, ein Lithium-Ionen-Akku wenn es geladen wird. Toney sagte mir, soll das ultimative Ziel möglicherweise anzeigen, was auf atomarer Ebene geschieht. Fürs erste jedoch sehen sein Team die chemischen Prozesse um festzustellen, wie, zum Beispiel eine Anode an Spannung verblassen oder einen allmählichen Verlust der Energie im Laufe der Zeit führt sein könnte.

Schließlich, Toney sagt die gleiche Technologie könnte zu Software, die realistisch Ihnen sagen kann, wie es Ihre Batterie geht – nicht nur zu erraten, wie Ihr Telefon wenig Barsystem jetzt tut. Aber das ist kleine Kartoffeln im Vergleich zu in der Lage zu sehen, wie die Batterien tatsächlich funktionieren. Weil das merkwürdigste über das Rennen um eine Batterie zu bauen, als fossile Brennstoffe ersetzen kann einfach nicht, dass es so viele Konkurrenten gibt – es ist, zu wissen, warum sie Erfolg haben oder Scheitern ist so unglaublich schwer.

Während wir eine bahnbrechende Batterie so einfach wie ein gelungenes Experiment sein wollen, wie es scheint zunehmend zu finden, es wird eine lange, inkrementelle Forschungsanstrengungen, die sehen, viele Erfolge und Misserfolge, bevor alles gesagt und getan. Immerhin ist dies das Infrastruktur-Alter. Erwarte nicht, dass es zu Ende, bevor es überhaupt beginnt.

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