Technologie akumulatorowe, które zmienią świat

Chcesz przejechać pięćset mil za dolara? Chcesz, aby Twój smartfon renderował grafikę komputerową konsolowej jakości i ładował się raz w tygodniu? Chcesz mieć możliwość noszenia lekkich ubrań w stylu Google Glass przez wiele tygodni bez obaw o ich ładowanie?

Wszystkie te wspaniałe aplikacje technologiczne czekają na lepszą technologię akumulatorową. Technologia akumulatorów rozwija się wolniej niż inne technologie (takie jak szybkość procesora i pamięć komputerowa), a teraz jest długim biegunem namiotu w oszałamiającej liczbie branż. Jest dobry powód, by sądzić, że osiągamy pewne podstawowe granice obecnej technologii litowo-jonowej, a na horyzoncie jest wiele ekscytujących technologii. Dzisiaj przyjrzymy się czterem najbardziej obiecującym opcjom.

Lepsze akumulatory sprawią, że samochody elektryczne staną się praktyczne, uwolnią urządzenia mobilne od lęku przed ładowaniem i umożliwią wprowadzenie zupełnie nowych klas lekkich, długo działających urządzeń do noszenia. Oto, jak zamierzają to zrobić:

3. Baterie dwuwęglowe

Oprócz tego, że nie są tak gęste energetycznie, jak byśmy chcieli, istnieją inne poważne ograniczenia w istniejącej technologii akumulatorów litowo-jonowych - w szczególności czas ładowania, lotność i degradacja.

Ładowanie akumulatorów litowo-jonowych - często kilka godzin, nawet przy najlepszej technologii - i chociaż prawdopodobnie bezpieczniejsze niż benzyna, podczas pracy nagrzewają się (szczególnie akumulatory o wysokiej wydajności, takie jak te stosowane w pojazdach elektrycznych). Jeśli rozpraszanie ciepła nie jest właściwie zarządzane, wynikająca z tego niekontrolowana reakcja może spowodować pożary, a nawet wybuch.

Co gorsza, cykl ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych jest destrukcyjny: po zaledwie dwustu pięćdziesięciu cyklach rozładowywania akumulatory litowo-jonowe straciły już około dwudziestu procent pojemności. Jest to dobre rozwiązanie na rynkach takich jak smartfony, gdzie ludzie wymieniają swoje urządzenia co roku lub dwa, ale jest to problem na rynkach takich jak pojazd elektryczny, z którego ludzie prawdopodobnie chcieliby korzystać przez lata bez konieczności wymiany toksycznego i kosztownego elementu baterii.

Teraz firma o nazwie “Power Japan Plus” uważa, że ​​ma rozwiązanie w postaci “dwuwęglowy” bateria. Ta technologia akumulatorowa zastępuje anodę i katodę akumulatora (dodatnie i ujemne bieguny, zwykle wykonane z wysoce reaktywnego metalu, takiego jak tlenek litu), zwykłym węglem, który jest dość obojętny. Rezultatem jest bateria, która nie magazynuje radykalnie więcej energii niż technologia litowo-jonowa, ale rozwiązuje wiele innych ograniczeń obecnych akumulatorów.

Akumulatory dwuwęglowe mogą ładować się dwadzieścia razy szybciej niż technologia litowo-jonowa, nie wytwarzają ciepła podczas pracy i znacznie rzadziej się zapalają. Rozkładają się również znacznie wolniej (są one dobre przez około trzy tysiące cykli). Ponieważ węgiel jest łatwo dostępny i nieszkodliwy chemicznie, są one również tanie, względnie nietoksyczne i nadają się do recyklingu.

Chris Craney, dyrektor ds. Marketingu w firmie, uważa, że ​​akumulatory będą w końcu wielką sprawą dla samochodów elektrycznych: rozmawiając z Atlantykiem, powiedział,

“Mamy ambitne roszczenia […] Jeśli istnieje firma [pojazdów elektrycznych], która chce wspiąć się na poziom Tesli, bylibyśmy dobrą firmą do rozmowy. […] Mówiąc śmiało, jesteśmy przekonani, że jesteśmy ważnym rozwiązaniem dla obecnego przemysłu pojazdów elektrycznych.”

Firma planuje rozpocząć w tym roku początkową produkcję akumulatorów, przeznaczonych głównie do użytku w sprzęcie medycznym.

2. Baterie litowo-powietrzne

Innym podejściem do zwiększania gęstości akumulatorów jest modyfikacja chemii, tak aby reakcja wytwarzania energii pobierała tlen z atmosfery zewnętrznej (i wytwarzała tlen podczas ładowania), jak w przypadku akumulatorów litowo-powietrznych. Ta technologia jest stosowana przez IBM jako ostateczny święty graal technologii akumulatorowej.

Stosując tlen atmosferyczny zamiast magazynować tlen w akumulatorze, możesz drastycznie zwiększyć gęstość magazynowania, teoretycznie oferując wzrost gęstości nawet czterdzieści razy, w porównaniu do konwencjonalnych ogniw litowych, co prowadzi do samochodów elektrycznych, które mogą podróżować tysiące kilometrów za opłatą. Istniejące prototypy dwukrotnie pobiły obecne ogniwa litowo-jonowe. Gęstości te są zbliżone do teoretycznego limitu tego, co można osiągnąć za pomocą baterii chemicznej.

Ta technologia akumulatorów jest nieco odległa (IBM ocenia na 5 do 15 lat), ale na wiele sposobów reprezentuje świętego Graala akumulatorów chemicznych - najlepszą możliwą gęstość dla danej wagi. Akumulatory litowo-powietrzne mogą konkurować z benzyną pod względem gęstości energii, co jest niespotykane w konwencjonalnej technologii akumulatorowej. Strona IBM dla ich projektu badawczego opisuje to w następujący sposób:

Obecnie samochody elektryczne mogą przejechać tylko około 100 mil na obecnej technologii akumulatorowej, zwanej litowo-jonową (LIB). […] Uznając to, IBM rozpoczął projekt Battery 500 w 2009 roku, aby opracować nowy typ technologii akumulatorów litowo-powietrznych, który ma dziesięciokrotnie poprawić gęstość energii, radykalnie zwiększając ilość energii, którą te akumulatory mogą wytwarzać i magazynować. Dzisiaj naukowcy IBM z powodzeniem zademonstrowali podstawową chemię procesu ładowania i ładowania akumulatorów litowo-powietrznych.

1. Ultracapacitors grafenu

Innym, bardziej spekulacyjnym podejściem do poprawy wydajności baterii jest całkowite porzucenie części „baterii” pomysłu. Alternatywą dla technologii akumulatorowej są tak zwane kondensatory: naładowane płytki oddzielone rezystorem. Energia elektryczna może być przechowywana w kondensatorze jako pole elektrostatyczne, a następnie rozładowywana później (pomyśl o zbudowaniu ładunku statycznego na ciele przez głaskanie kota, a następnie rozładowanie ciała do klamki).

Konwencjonalne kondensatory mają poważne ograniczenia co do ilości ładunku, który mogą przechowywać, a także tego, jak wolno mogą uwolnić ten ładunek. Jednak stosując materiały takie jak grafen, które mają niezwykle duże pola powierzchni ze względu na swoją masę i objętość, możliwe jest stworzenie ogniw o ogromnej pojemności i gęstości energii porównywalnej do konwencjonalnych akumulatorów.

Te „ultrakondensatory” nie ulegałyby degradacji w każdym cyklu ładowania i mogły być ładowane w kilka sekund. Istniejące prototypy nie wykazują zmniejszenia pojemności w ciągu 10 000 cykli ładowania i wykazują gęstość energii porównywalną z tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi. Przyszłe udoskonalenia nauk materiałowych mogą podnieść te liczby jeszcze wyżej.

W najbliższym czasie niektórzy informatorzy informują, że Tesla opracowuje ultrakondensator grafenowy, który mógłby naładować w kilka sekund i podwoić zasięg swoich samochodów elektrycznych do 500 mil na jedno ładowanie. Elon Musk ze swojej strony wspominał już wcześniej o tym pomyśle:

“Gdybym miał przewidzieć, pomyślałbym, że jest duża szansa, że ​​to nie baterie, ale superkondensatory.”

Wszystkie te technologie prawdopodobnie mają do odegrania ważną rolę w perspektywie krótko- i długoterminowej, gdy zaczynamy przechodzić obok technologii litowo-jonowej, której używamy od dziesięcioleci. Przejście prawdopodobnie nie będzie w pełni wdzięczne lub tak szybkie, jak byśmy chcieli, ale umożliwi nowe aplikacje i technologie, które zmienią świat na kolejne dziesięciolecia.

Jak myślisz, jaka będzie technologia energetyczna przyszłości? Czy będą to baterie, kondensatory czy coś innego? Podziel się swoimi przemyśleniami w sekcji komentarzy poniżej!