Batteriteknik som kommer att förändra världen

Vill du köra femhundra mil för en dollar? Vill du att din smartphone ska göra konsolkvalitets datorgrafik och ladda en gång i veckan? Vill du kunna använda lätta glasögon i Google Glass-stil i flera veckor utan att behöva oroa dig för att ladda dem?

Alla dessa bra tekniska applikationer väntar på bättre batteriteknik. Batteriteknik har växit långsammare än andra tekniker (som processorhastighet och datalagring) och är nu den långa tältpolen i ett svimlande antal industrier. Det finns goda skäl att tro att vi når några grundläggande gränser för den nuvarande litiumjonstekniken, och det finns ett antal spännande teknologier i horisonten. Idag ser vi på fyra av de mest lovande alternativen.

Bättre batterier står för att göra elbilar praktiska, otydliga mobila enheter från laddningsangst och möjliggöra helt nya klasser av lätta och långa bärbara. Så här ska de göra det:

3. Dual-Carbon Batteries

Förutom att inte vara så energität som vi kanske vill, finns det andra allvarliga begränsningar för befintlig litiumjonbatteri-teknik - särskilt laddningstid, volatilitet och nedbrytning.

Litiumjonbatterier tar tid att ladda - ofta flera timmar, även med den bästa tekniken - och, trots att de är säkert säkrare än bensin, blir de heta under drift (särskilt högpresterande batterier som de som används i elbilar). Om värmeavledning inte hanteras på rätt sätt kan den resulterande borttagningsreaktionen orsaka bränder eller till och med en explosion.

För att göra saken värre är laddningsutloppscykeln för litiumjonbatterier destruktiv: efter endast tvåhundra femtio laddningsutloppscykler har litiumjonbatterier redan förlorat cirka tjugo procent av lagringskapaciteten. Det här är bra för marknader som smartphones, där folk ersätter sina enheter varje år eller två ändå, men det är ett problem för marknader som det elektriska fordonet, vilket folk troligen skulle vilja använda i många år utan att behöva byta ut en giftig och dyr batterikomponent.

Nu heter ett företag “Power Japan Plus” tycker att det har en lösning i form av a “dual-kol” batteri. Denna batteriteknik ersätter anoden och katoden hos batteriet (de positiva och negativa terminalerna, som typiskt är gjorda av en starkt reaktiv metall som litiumoxid) med vanligt kol, vilket är ganska inert. Resultatet är ett batteri som inte lagrar dramatiskt mer energi än litiumjonstekniken, men hanterar många av de andra begränsningarna av nuvarande batterier.

Dual-carbon-batterier kan ladda tjugo gånger snabbare än litiumjonteknik, producerar inte värme under drift, och är mycket mindre benägna att ta eld. De försämras också mycket långsammare (de är bra för cirka tre tusen cykler). Eftersom kol är lättillgängligt och kemiskt ofarligt, är de också billiga, relativt giftfria och återvinningsbara.

Chris Craney, Chief Marketing Officer i företaget, tror att batterierna så småningom kommer att bli en stor sak för elbilar: säger han till Atlanten, sa han,

“Vi har ambitiösa påståenden [...] Om det finns ett [elbil] företag som vill klättra upp till Tesla-nivån, skulle vi vara ett bra företag att prata med. [...] För att vara djärv, är vi övertygade om att vi är en viktig lösning för den nuvarande elbilindustrin.”

Företaget planerar att börja producera en första batteridrift i år, för användning främst inom medicinsk utrustning.

2. Litium-luftbatterier

Ett annat sätt att öka tätheten hos batterier är att modifiera kemi så att den kraftgenererande reaktionen drar syre från den yttre atmosfären (och producerar syre under laddning), som i fallet med litiumbatterier. Denna teknik drivs av IBM bland annat som en eventuell helig gradering av batteriteknik.

Genom att använda atmosfäriskt syre istället för att lagra syre i batteriet kan du drastiskt öka lagertätheten, i teorin med täthetsvinster på upp till fyrtio gånger jämfört med konventionella litiumceller, vilket leder till elbilar som kan resa i tusentals mil mot en avgift. De befintliga prototyperna slår ut nuvarande litiumjonceller med en faktor dubbelt. Dessa tätheter ligger nära den teoretiska gränsen för vad som eventuellt kan uppnås med ett kemiskt batteri.

Denna batteriteknik är på några sätt borta (IBM uppskattar 5 till 15 år), men på många sätt representerar den heliga graden av kemiska batterier - den bästa möjliga densiteten för en given vikt. Laddningsbara litiumbatterier kan konkurrera med bensin för energitäthet, något som inte är känt i konventionell batteriteknik. IBMs sida för sitt forskningsprojekt beskriver det så här:

Elektriska bilar kan idag bara resa runt 100 mil på nuvarande batteriteknik, kallad litiumjon (LIB). [...] Erkännande av detta började IBM projektet Battery 500 i 2009 att utveckla en ny typ av litiumluftbatteri som förväntas förbättra energitätheten tiofaldigt, vilket dramatiskt ökar mängden energi som dessa batterier kan generera och lagra. Idag har IBM-forskare framgångsrikt visat den grundläggande kedjan av laddning och laddningsprocessen för litiumbatterier.

1. Graphene Ultracapacitors

Ett annat, mer spekulativt tillvägagångssätt för att förbättra batteriets prestanda är att helt och hållet dölja "batteri" delen av tanken. Ett alternativ till batteritekniken är det som kallas kondensatorer: laddade plattor, åtskilda av ett motstånd. Elektricitet kan lagras i kondensatorn som ett elektrostatiskt fält och släpps sedan senare (tänk på att bygga upp en statisk laddning på din kropp genom att petting en katt och sedan tömmer kroppen i en dörrknopp).

Konventionella kondensatorer har allvarliga gränser för hur mycket laddning de kan lagra, och hur långsamt de kan släppa den laddningen. Genom att använda material som grafen, som har enorma ytarealer för sin massa och volym, är det dock möjligt att skapa celler med enorma kapacitans- och energitätheter jämförbara med konventionella batterier.

Dessa "ultrakapacitorer" skulle inte försämras på varje laddningscykel och skulle kunna laddas i sekunder. Befintliga prototyper visar ingen kapacitansminskning över 10 000 laddningscykler, och visar en energitäthet som är jämförbar med traditionella litiumjonbatterier. Framtida materialvetenskapliga förbättringar kan driva dessa siffror ännu högre.

På kort sikt rapporterar vissa insidenter att Tesla utvecklar en grafen ultrakapacitor som kan ladda i sekunder och dubbla intervallet av sina elbilar till 500 mil per laddning. Elon Musk har för sin del sagt idén förut:

“Om jag skulle göra en prognos tror jag att det finns en bra chans att det inte är batterier, men superkondensatorer.”

Alla dessa tekniker har sannolikt en roll att spela på kort och lång sikt, när vi börjar flytta förbi litiumjonstekniken som vi har använt i årtionden. Övergången kommer sannolikt inte att vara helt graciös eller så fort vi kanske vill, men det kommer att möjliggöra nya applikationer och teknologier som kommer att förändra världen i årtionden framöver.

Vad tror du kommer att vara framtida energiteknik? Kommer det att vara batterier, kondensatorer eller något annat? Dela dina tankar i kommentarfältet nedan!

Utforska mer om: Automotive Technology, Batterilivslängd.