211service.com
En guide til seneste batteriudvikling
Elektriske køretøjer, hybrider og vedvarende energi har mindst én ting til fælles – hvis de nogensinde skal blive mere udbredt og repræsentere størstedelen af biler på vejene eller en stor del af elforsyningen, skal batterierne blive væsentligt bedre . Batterier skal lagre mere energi, levere den hurtigere og mere pålideligt og i sidste ende koste langt mindre. De specifikke måder, batterier skal forbedres på, varierer afhængigt af applikationen, men på alle disse områder har forskere gjort betydelige fremskridt.
I sidste uge annoncerede MIT-forskere ledet af Yang-Shao Horn, professor i materialevidenskab og teknik og maskinteknik, og Paula Hammond, professor i kemiteknik, en ny tilgang til højeffekt lithium-ion-batterier, den type, der er nyttig til hybridbiler eller til stabilisering af elnettet. Højeffektbatterier accepterer og leverer opladning hurtigt. I hybrider er målet at supplere benzinmotoren, så den kan køre på sit mest effektive. Batteriet driver bilen ved lave hastigheder over korte strækninger og øger accelerationen, hvilket sænker kravet til motoren. Det fanger også energi fra bremsning, som ellers ville gå tabt som varme. For elnettet kan sådanne batterier buffer ændringer i udbud og efterspørgsel af elektricitet - noget, der bliver vigtigere, efterhånden som flere variable kilder til elektricitet introduceres, såsom vind- og solenergi.
MIT-forskerne demonstrerede en ny batterielektrode, baseret på specialbehandlede kulstofnanorør, der holder i tusindvis af cyklusser uden tab i ydeevne. Batterier fremstillet af disse elektroder kunne levere nok strøm til at drive store varevogne eller skraldebiler, for eksempel, uden at batterierne er for tunge til at være praktiske. (Forskerne er nødt til at øge tykkelsen af elektroderne, for at de kan være praktiske i disse applikationer.) Virksomheder som A123 Systems, baseret i Watertown, MA, har også udviklet meget kraftige lithium-ion-batterier og andre akademiske grupper og Startups udvikler kulstof-nanorør-baserede ultrakondensatorer, som lagrer energi ved hjælp af en anden mekanisme end batterier, der er særligt nyttige til høj effekt og lang levetid.
Mens de nye elektroder i sidste ende kunne være nyttige til hybrider og til at stabilisere nettet, er de ikke særlig gode til andre applikationer såsom helt elektriske køretøjer. For elektriske køretøjer er den samlede mængde energi, som batterier lagrer, vigtigere end hvor hurtigt den energi kan leveres, da det er den samlede mængde, der bestemmer, hvor langt disse biler kan køre mellem opladninger. MIT-forskerne, der udviklede de nye kulstof-nanorørelektroder, udvikler også en anden type batteri til at lagre store mængder energi. Kaldet et lithum-luft-batteri, hvor den ene af et batteris to elektroder er erstattet af en grænseflade med luften, har teknologien på det seneste tiltrukket store mængder statsstøtte og interesse fra virksomheder som IBM. I teorien kunne sådanne batterier lagre tre gange så meget energi som konventionelle lithium-ion-batterier. Men designet har en række problemer, der gør det svært at kommercialisere, blandt andet sårbarheden af dets aktive materialer over for fugt (lithiummetalet, det bruger, kan gå i brand, hvis det bliver vådt) og batteriernes tendens til at holde op med at virke efter at være blevet genopladet. et par gange.
Ligesom lithium-luft-batterier står andre potentielle højenergi-batteriteknologier over for en række forhindringer, som kan være med til at forklare, hvorfor hybrider med deres højenergi- frem for højenergibatterier har været mere succesrige end elektriske køretøjer. Mange af de mest lovende batterikemier er for svære at lave i stor skala, falder fra hinanden efter et par cyklusser eller er for dyre. Ifølge det amerikanske energiministerium koster komplette batteripakker i dag mellem $800 og $1.200 i kilowatt-timen og opbevarer omkring 100 til 120 watt-timer per kilogram. For at gøre elektriske køretøjer praktiske og overkommelige vil DOE gerne se omkostningerne falde til $250 per kilowatt-time og øge lagerkapaciteten til over 200 watt-timer per kilogram. (For at nå disse mål vil det kræve endnu højere lagerkapacitet for de individuelle battericeller, der udgør batteripakker - omkring 400 watt-timer pr. kilogram.)
Selvom det er svært at forbedre batterier til hybrider og elektriske køretøjer, er en af de største langsigtede udfordringer for batteriforskere at fremstille batterier, der billigt kan opbevare enorme mængder energi genereret af solpaneler og vindmøller, så elektricitet fra disse kilder er tilgængelig, når solen skinner ikke, eller vinden blæser ikke. For nu er sådanne batterier ikke nødvendige - der er nok strøm fra konventionelle kilder til at tage op. Men hvis sol og vind nogensinde skal levere størstedelen af elektriciteten, bliver der brug for lager, og batterier i dag er alt for dyre. DOE-målet for sådanne batterier er mindre end $100 per kilowatt-time, mindre end halvdelen af målet for elektriske køretøjer. Det er billigere i dag at bygge et naturgaskraftværk som en backup-strømkilde eller at lagre energi ved at pumpe vand op ad bakke, hvor det senere kan strømme ned ad bakke for at dreje en generator. En eksperimentel tilgang til sådanne lavprisbatterier er noget, der kaldes et flydende batteri, som bruger billige batterimaterialer, der samler sig selv.
Selvom problemer med batterier overvindes i laboratoriet, står disse teknologier over for forhindringer for at blive kommercialiseret. For at reducere omkostningerne henvender batteriproducenterne sig til andre applikationer end elektriske køretøjer og nettet for at få nye teknologier i gang, applikationer som mikroelektronik, elværktøj og racerbiler. Plug-in hybrider kan også være med til at fungere som en bro til elbiler. Plug-ins bruger back-up gasdrevne generatorer til at hjælpe med at udvide deres rækkevidde, hvilket giver bilproducenter mulighed for at bruge mindre, billigere batteripakker, end de har brug for til elektriske køretøjer. Bilproducenter som GM, med sin Chevrolet Volt, der udkommer i år, tager denne tilgang. De elektriske køretøjer, der er til salg nu, og som vil komme til salg i de næste par år, er enten dyre sportsvogne og luksusbiler, hvor omkostningerne kan være høje, eller deres forhåndsomkostninger bliver reduceret ved hjælp af kreativ finansiering, såsom leasing af batteri pakker eller tilbyde per-mile-planer noget som de per-minut-planer, der tilbydes af mobiltelefonselskaber.