211service.com
Nye skumbatterier lover hurtig opladning, højere kapacitet
På trods af milliarder af dollars i investeringer og lanceringen af adskillige højprofilerede startups, står energisektoren stadig over for en grundlæggende og tilsyneladende uløselig udfordring: det er meget svært at opbevare masser af strøm på en måde, der er kompakt, langtidsholdbar og billig. . Et stigende antal forskere håber at løse det med det, der er kendt som tredimensionelle batterier, som kan antage flere former, men som har en tendens til at have porøse, svampelignende strukturer i modsætning til den traditionelle 2-D form: tynde lag af metal i en flydende elektrolytopløsning inde i en kasse (se Et strækbart, bøjeligt og mere kraftfuldt Smart Watch-batteri og batterier: Billigste form for netstrøm? ).
I løbet af de sidste mange måneder ringede en startup Prieto batteri , spundet ud af Colorado State University i Fort Collins, er lykkedes med at producere, hvad grundlæggeren Amy Prieto kalder det første ægte 3-D-batteri, der kan oplades og aflades, og som vil holde en opladning - med andre ord, der opfylder de grundlæggende krav af et konventionelt batteri. 3-D-batterier kunne være billigere at lave, hurtigere at oplade, sikrere, mindre og mindre miljøgiftige end konventionelle batterier. Hvad mere er, fordi de kan gøres lette, fleksible og i et næsten ubegrænset udvalg af former, kunne de tilbyde energilagringsapplikationer, som tidligere var utænkelige.
Prietos 3-D solid-state batteri repræsenterer to radikale afvigelser fra nutidens batterier: hvad de er lavet af, og hvordan de er lavet. I Prieto-laboratoriet, lige under foden af Rocky Mountain, sidder en serie på otte lavvandede vandfyldte skraldespande i et forsænket bord. Ved siden af linjen er et stativ med ruller af kobberskum af varierende tæthed. Skummet er råmaterialet til batterierne, hvorpå anoden - lavet af kobberantimonid (kobber blandet med antimon) - er galvaniseret. Skummet er så porøst, at det for det meste er luft, men et lille fragment kan indeholde et enormt overfladeareal. Forøgelse af overfladearealet reducerer den afstand, som ionerne skal rejse, og øger dermed både kraft og energitæthed.
Når skummet er belagt med anoden, er det lagdelt med en polymerelektrolyt, der giver en fysisk barriere, som ioner (men ikke elektroner) kan bevæge sig over. Til sidst påføres katoden i form af en mørk, blækagtig opslæmning. Det endelige produkt er et skumbatteri på et par tommer på tværs og tykkelsen af et ark papir. Forseglet i en plastikpose kan Prieto-batterierne oplades hurtigt, opbevare op til dobbelt så meget energi pr. volumenenhed som konventionelle batterier og mangler lithium-ion-batteriers uheldige tilbøjelighed til at overophedes.
Ideen om, at porøse materialer skal bruges til batterikomponenter, er ikke ny: Mange konventionelle bly-syre-batterier bruger for eksempel blyskum i anoden. Forestillingen om et helt batteri lavet med en porøs intern arkitektur opstod fra arbejdet af Debra Rolison, en forskningskemiker ved Naval Research Laboratory, som leder laboratoriets Advanced Electrochemical Materials Section. Rolison begyndte at forske i nye katalysatormaterialer til brændselsceller i begyndelsen af 1990'erne, og i 1998 foreslog hun et batteri bestående af kulstofaerogeler - porøse materialer, hvori et katodemateriale kan indsættes for at skabe et 3-D-batteri. Da hun først præsenterede ideen, siger hun, troede 99 procent af folk, at jeg var blevet smidt ud af min hjerne. Men en række forskere forfølger nu konceptet - nogle med nye materialer som f.eks portabella svampe og cellulose fra træmasse .
3-D batteriteknologi som Prietos, siger Max Hamedi, en Harvard-forsker, der arbejder på elastiske skumbatterier lavet af træmasse, har potentialet til at overgå ethvert batteri, som du kan bygge i 2-D-systemer. Dette arbejde eksploderer bare lige nu.
Prieto har fra starten søgt enkelhed ved at bruge gængse materialer i en lavpris fremstillingsproces, der nemt kan skaleres op. Virksomhedens første produkt er ikke et fuldt batteri, men en drop-in erstatning kobberskum anode, der vil erstatte grafit anoder i konventionelle batterier. I september annoncerede Prieto et partnerskab med Intel, der gør det muligt for opstarten at trække på ekspertisen fra chipproducentens Technology Manufacturing Group. Prietos første udskiftningsanoder kunne være på markedet i slutningen af 2016, siger dets grundlægger, og et komplet batteri kan følge i 2018.
Der er selvfølgelig andre virksomheder, der driver innovation inden for solid-state batterier. Sakti3 arbejder på solid-state lithium-ion-batterier, der er en halv til en tredjedel af størrelsen af konventionelle systemer, med samme energilagringskapacitet (se Et banebrydende batteri får en stor støtte). Seeo, en Californien-baseret startup med fokus på solid-state batterier med lithium-metal anoder, blev for nylig opkøbt af Bosch, en af bilindustriens største leverandører (se Et prototype batteri kunne fordoble rækken af elektriske biler). Ingen af disse virksomheder bruger en 3D-skumarkitektur.
Vi ser potentialet for Prietos teknologi til at bidrage til innovationer inden for wearables, hvor solid-state batterier med høj energitæthed kunne muliggøre overbevisende nye anvendelser, siger Mark Pontarelli, general manager for Intels interne virksomhedsinkubator. Kobberskummet kunne bruges til at skabe batterier, der præcist fylder tomme rum i et design, hvilket giver længere batterilevetid uden at øge størrelsen på produktet.
Som Pontarelli angiver, vil de første applikationer sandsynligvis være små - for eksempel i bærbare systemer og forbrugerelektronik - men der er ingen åbenlys grund til, at skumbatterier ikke kunne fungere i elektriske køretøjer og en dag, lagersystemer i netskala.