Tehnologije baterija koje će promijeniti svijet

Želite li voziti petsto milja za dolar? Želite li na vašem pametnom telefonu jednom tjedno dopuniti računalnu grafiku kakvoće konzole i ponovo se puniti? Želite biti u mogućnosti koristiti lagane nošenje u stilu Google Glass tjednima zaredom, bez brige o tome da li ćete ih naplatiti?

Sve ove sjajne tehnološke aplikacije čekaju na bolju tehnologiju baterija. Tehnologija baterija raste sporije od ostalih tehnologija (poput brzine procesora i pohrane računala) i sada je dugačak šator u zapanjujućem broju industrija. Dobar je razlog da vjerujemo da dostižemo neka temeljna ograničenja u trenutnoj litij-ionskoj tehnologiji, a na horizontu je niz uzbudljivih tehnologija. Danas ćemo razmotriti četiri najperspektivnije mogućnosti.

Bolje su baterije kako bi električni automobili bili praktični, uklonili mobilne uređaje od tjeskobe zbog napunjenosti i omogućili potpuno nove klase laganih, dugotrajnih nosivih predmeta. Evo kako će to učiniti:

3. Dvokuogljične baterije

Osim što nisu toliko guste koliko bismo željeli, postoje i druga ozbiljna ograničenja postojeće litij-ionske baterije - osobito vrijeme punjenja, isparljivost i degredentacija.

Za litij-ionske baterije potrebno je vrijeme za punjenje - često i nekoliko sati, čak i uz najbolju tehnologiju - i iako su vjerojatno sigurniji od benzina, oni se zagrijavaju tijekom rada (posebno baterije visokih performansi poput onih koje se koriste u električnim vozilima). Ako se disipacijom topline ne upravlja pravilno, rezultirajuća reakcija može prouzrokovati požare ili čak eksploziju.

Da stvar bude još gora, ciklus punjenja-pražnjenja litij-ionskih baterija je destruktivan: nakon samo dvjesto pedeset ciklusa pražnjenja, litij-ionske baterije već će izgubiti oko dvadeset posto svog skladišnog kapaciteta. To je u redu za tržišta poput pametnih telefona, gdje ljudi zamijene svoje uređaje svake godine ili dvije, ali to je problem za tržišta poput električnog vozila, koja bi ljudi vjerojatno željeli koristiti godinama, a da ne moraju zamijeniti otrovne i skupe komponente baterije.

Sada se zove tvrtka “Snaga Japan Plus” misli da ima rješenje, u obliku a “dvostrukom ugljik” baterija. Ova tehnologija baterija zamjenjuje anodu i katodu baterije (pozitivne i negativne stezaljke, obično napravljene od visoko reaktivnog metala poput litijevog oksida) s običnim ugljikom, koji je prilično inertan. Rezultat je baterija koja ne pohranjuje dramatično više energije od litij-ionske tehnologije, ali rješava mnoga druga ograničenja trenutnih baterija.

Baterije s dva ugljika mogu se puniti dvadeset puta brže od litij-ionske tehnologije, ne proizvode toplinu tijekom rada i vjerojatnije je da će se zapaliti. Oni se također degradiraju mnogo sporije (dobri su za oko tri tisuće ciklusa). Budući da je ugljik lako dostupan i kemijski je neškodljiv, jeftini su, relativno netoksični i mogu se reciklirati.

Chris Craney, direktor marketinga tvrtke, smatra kako će baterije na kraju biti velika stvar za električne automobile: govoreći do Atlantika, rekao je,

“Imamo ambiciozne tvrdnje […] Ako postoji tvrtka [električno vozilo] koja se želi popeti na razinu Tesle, bilo bi dobro društvo s kojim bismo razgovarali. […] Da budemo hrabri, uvjereni smo da smo veliko rješenje za trenutnu industriju električnih vozila.”

Tvrtka planira ove godine započeti proizvodnju baterija, prvenstveno za uporabu u medicinskoj opremi.

2. Litij-zračne baterije

Drugi pristup povećanju gustoće baterija je modificiranje kemije tako da reakcija koja generira energiju izvlači kisik iz vanjske atmosfere (i stvara kisik tijekom ponovnog punjenja), kao u slučaju litij-baterijskih baterija. IBM se ovom tehnologijom, među ostalim, bavi kao potencijalni sveti gral tehnologije baterija.

Korištenjem atmosferskog kisika umjesto skladištenja kisika u bateriji možete drastično povećati gustoću skladištenja, teoretski nudeći povećanje gustoće čak četrdeset puta, u usporedbi s konvencionalnim litijevim ćelijama, što dovodi do električnih automobila koji mogu prijeći tisuće kilometara uz naplatu. Postojeći prototipi pobjeđuju trenutne litij-ionske stanice dvostrukim faktorom. Ove gustoće su blizu teorijske granice za ono što se kemijskom baterijom može postići.

Ova tehnologija baterija je na neki način isključena (IBM procjenjuje 5 do 15 godina), ali na mnogo načina ona predstavlja sveti gral kemijskih baterija - najbolju moguću gustoću za određenu težinu. Litij-zračne baterije koje se mogu puniti mogu se nadmetati s benzinom zbog gustoće energije, što je nečuveno u uobičajenoj tehnologiji baterija. IBM-ova stranica za njihov istraživački projekt opisuje to ovako:

Električni automobili danas obično mogu prijeći samo oko 100 milja po trenutnoj tehnologiji akumulatora, zvanoj litij-ionski (LIB). […] Prepoznajući to, IBM je pokrenuo projekt Battery 500 u 2009. godini kako bi razvio novu vrstu litij-zračne baterije koja se očekuje da će deset puta poboljšati gustoću energije, drastično povećavajući količinu energije koju ove baterije mogu stvarati i skladištiti. Danas su IBM istraživači uspješno pokazali temeljnu kemiju postupka punjenja i ponovnog punjenja litij-zračnih baterija.

1. Graphene Ultracapacitors

Još jedan, spekulativniji pristup poboljšanju performansi baterije jest u potpunosti odbacivanje „baterijskog“ dijela ideje. Alternativa tehnologiji baterija je tzv. Kondenzatori: napunjene ploče, razdvojene otpornikom. Električna energija može se pohraniti u kondenzator kao elektrostatičko polje, a zatim se isprazniti kasnije (razmislite o izgradnji statičkog naboja na tijelu tako što ćete maziti mačku, a zatim isprazniti svoje tijelo u kvaku).

Uobičajeni kondenzatori imaju ozbiljna ograničenja u količini naboja koju mogu spremiti, kao i o tome kako polako mogu osloboditi taj naboj. Međutim, upotrebom materijala poput grafena, koji imaju ogromnu površinu svoje mase i volumena, moguće je stvoriti ćelije ogromne kapacitivnosti i energetske gustoće usporedive s uobičajenim baterijama.

Ti se ultrakondenzatori ne degradiraju na svakom ciklusu punjenja, a mogli bi se puniti u sekundi. Postojeći prototipi ne pokazuju smanjenje kapaciteta preko 10 000 ciklusa napunjenosti i pokazuju gustoću energije koja je usporediva s tradicionalnim litij-ionskim baterijama. Buduća poboljšanja u znanosti o materijalima mogla bi te brojeve povećati još više.

U kratkom roku neki insajderi izviještaju da Tesla razvija ultrakapacitet grafen koji bi mogao puniti u sekundi i udvostručiti domet svojih električnih automobila na 500 milja po punjenju. Elon Musk je sa svoje strane već spomenuo tu ideju:

“Kad bih se predvidio, mislio bih da postoji velika vjerojatnost da to nisu baterije, već superkondenzatori.”

Sve ove tehnologije vjerojatno igraju ulogu u kratkom i dugoročnom razdoblju dok se krećemo mimo litij-ionske tehnologije koju koristimo desetljećima. Prijelaz vjerojatno neće biti u potpunosti graciozan, ili onoliko brzo koliko bismo željeli, ali omogućit će nove aplikacije i tehnologije koje će svijet promijeniti desetljećima koja dolaze.

Što mislite, kakva će biti energetska tehnologija budućnosti? Hoće li to biti baterije, kondenzatori ili nešto treće? Podijelite svoje misli u odjeljku s komentarima u nastavku!