Batterijtechnologieën die de wereld gaan veranderen

Wil je vijfhonderd mijl rijden voor een dollar? Wilt u dat uw smartphone computerbeelden van consolekwaliteit weergeeft en één keer per week oplaadt? Wilt u wekenlang lichtgewicht Google Glass-achtige wearables kunnen gebruiken zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over het opladen?

Al deze geweldige technologische toepassingen wachten op betere batterijtechnologie. Batterijtechnologie groeit langzamer dan andere technologieën (zoals processorsnelheid en computeropslag) en is nu de lange tentstok in een duizelingwekkend aantal industrieën. Er is goede reden om te geloven dat we een aantal fundamentele limieten bereiken voor de huidige lithium-ion-technologie en dat er een aantal opwindende technologieën aan de horizon zijn. Vandaag zullen we vier van de meest veelbelovende opties bekijken.

Betere batterijen staan ​​om elektrische auto's praktisch te maken, los van mobiele apparaten van faalangst en maken hele nieuwe klassen van lichtgewicht, langlopende wearables mogelijk. Dit is hoe ze het gaan doen:

3. Dual-Carbon batterijen

Naast het feit dat we niet zo energievriendelijk zijn als we zouden willen, zijn er nog andere serieuze beperkingen aan de bestaande lithium-ionbatterijtechnologie - met name oplaadtijd, vluchtigheid en degradatie.

Lithium-ionbatterijen nemen de tijd om op te laden - vaak enkele uren, zelfs met de beste technologie - en hoewel ze waarschijnlijk veiliger zijn dan benzine, worden ze tijdens het gebruik heet (met name krachtige batterijen zoals die in elektrische voertuigen worden gebruikt). Als warmtedissipatie niet goed wordt beheerd, kan de ontstane uit de hand gelopen reactie branden of zelfs een explosie veroorzaken.

Om het nog erger te maken, is de oplaadcyclus van lithium-ionbatterijen destructief: na slechts tweehonderdvijftig laad / ontlaadcycli hebben lithium-ionbatterijen al ongeveer twintig procent van hun opslagcapaciteit verloren. Dit is prima voor markten zoals smartphones, waar mensen hun apparaten elk jaar of twee vervangen, maar het is een probleem voor markten zoals het elektrische voertuig, die mensen waarschijnlijk al jaren willen gebruiken zonder een giftige en dure batterijcomponent te hoeven vervangen.

Nu belde een bedrijf “Power Japan Plus” denkt dat het een oplossing heeft, in de vorm van een “dual-carbon” accu. Deze batterijtechnologie vervangt de anode en de kathode van de batterij (de positieve en negatieve aansluitingen, typisch gemaakt van een zeer reactief metaal zoals lithiumoxide) met gewone koolstof, die tamelijk inert is. Het resultaat is een batterij die niet dramatisch meer energie opslaat dan de lithium-ion-technologie, maar wel veel van de andere beperkingen van de huidige batterijen aanpakt.

Dual-carbonbatterijen kunnen twintig keer sneller worden opgeladen dan lithiumion-technologie, produceren tijdens het gebruik geen warmte en hebben veel minder kans op brand. Ze degraderen ook veel langzamer (ze zijn goed voor ongeveer drieduizend cycli). Omdat koolstof gemakkelijk beschikbaar en chemisch onschadelijk is, zijn ze ook goedkoop, relatief niet-toxisch en recyclebaar.

Chris Craney, de Chief Marketing Officer van het bedrijf, denkt dat de batterijen uiteindelijk een groot probleem zullen worden voor elektrische auto's: hij spreekt met de Atlantische Oceaan, zei hij,

“We hebben ambitieuze claims [...] Als er een [elektrisch voertuig] bedrijf is dat naar het Tesla-niveau wil klimmen, dan zijn we een goed gezelschap om mee te praten. [...] Om moedig te zijn, zijn we ervan overtuigd dat we een belangrijke oplossing zijn voor de huidige elektrische auto-industrie.”

Het bedrijf is van plan dit jaar een eerste serie batterijen te gaan produceren, voornamelijk voor gebruik in medische apparatuur.

2. Lithium-lucht-batterijen

Een andere benadering om de dichtheid van batterijen te vergroten, is om de chemie zodanig te modificeren dat de energieopwekkende reactie zuurstof onttrekt aan de buitenlucht (en zuurstof produceert tijdens het opladen), zoals in het geval van lithium-luchtbatterijen. Deze technologie wordt onder meer door IBM nagestreefd als een uiteindelijke heilige graal van batterijtechnologie.

Door zuurstof uit de lucht te gebruiken in plaats van de zuurstof in de batterij op te slaan, kunt u de opslagdichtheid drastisch verhogen, in theorie levert dit een densiteitswinst op van wel veertig keer, vergeleken met conventionele lithiumcellen, wat leidt tot elektrische auto's die duizenden kilometers kunnen rijden op een lading. De bestaande prototypen verslaan de huidige lithium-ioncellen met een factor van dubbel. Deze dichtheden liggen dicht bij de theoretische limiet voor wat mogelijk kan worden bereikt door een chemische batterij.

Deze batterijtechnologie is op een aantal manieren uit (IBM schat 5 tot 15 jaar), maar op veel verschillende manieren vertegenwoordigt het de heilige graal van chemische batterijen - de best mogelijke dichtheid voor een bepaald gewicht. Oplaadbare lithium-luchtbatterijen kunnen benzine concurreren voor energiedichtheid, iets wat bij conventionele batterijtechnologie niet voorkomt. IBM's pagina voor hun onderzoeksproject beschrijft het als volgt:

Elektrische auto's kunnen tegenwoordig doorgaans ongeveer 100 mijl rijden met de huidige batterijtechnologie, lithium-ion (LIB) genoemd. [...] Dit erkennend, startte IBM in 2009 het Battery 500-project met de ontwikkeling van een nieuw type lithium-luchtbatterijtechnologie waarvan wordt verwacht dat deze de energiedichtheid tienvoudig zal verbeteren, waardoor de hoeveelheid energie die deze batterijen kunnen genereren en opslaan aanzienlijk zal toenemen. Tegenwoordig hebben IBM-onderzoekers met succes de fundamentele chemie van het opladen en opladen van lithium-luchtbatterijen aangetoond.

1. Graphene ultracapaciteiten

Een andere, meer speculatieve benadering om de prestaties van de batterij te verbeteren, is door het 'batterij'-gedeelte van het idee volledig te verwijderen. Een alternatief voor batterijtechnologie is wat bekend staat als condensatoren: geladen platen, gescheiden door een weerstand. Elektriciteit kan als een elektrostatisch veld in de condensator worden opgeslagen en vervolgens later worden ontladen (denk aan het opbouwen van een statische lading op uw lichaam door een kat te aaien en vervolgens uw lichaam in een deurknop te laten lopen).

Conventionele condensatoren hebben serieuze beperkingen aan de hoeveelheid lading die ze kunnen opslaan, evenals hoe langzaam ze die lading kunnen afgeven. Door echter materialen zoals grafeen te gebruiken, die enorm grote oppervlakken hebben voor hun massa en volume, is het mogelijk om cellen te maken met enorme capaciteiten en energiedichtheden vergelijkbaar met conventionele batterijen.

Deze 'ultracapacitors' zouden bij elke oplaadcyclus niet verslechteren en zouden in seconden kunnen worden opgeladen. Bestaande prototypen vertonen geen vermindering van de capaciteit meer dan 10.000 oplaadcycli en vertonen een energiedichtheid die vergelijkbaar is met die van traditionele lithium-ionbatterijen. Toekomstige verbeteringen aan de materiaalwetenschap zouden die aantallen nog verder kunnen opdrijven.

Op de korte termijn melden sommige ingewijden dat Tesla een grafeen ultracapacitor ontwikkelt die in seconden kan opladen en het bereik van hun elektrische auto's kan verdubbelen tot 500 mijl per lading. Elon Musk, van zijn kant, heeft het idee eerder genoemd:

“Als ik een voorspelling zou doen, zou ik denken dat de kans groot is dat het geen batterijen zijn, maar supercondensatoren.”

Al deze technologieën spelen waarschijnlijk een rol, zowel op de korte als de lange termijn, nu we de lithium-ion-technologie die we al tientallen jaren gebruiken, proberen te omzeilen. De overgang zal waarschijnlijk niet helemaal gracieus zijn, of zo snel als we zouden willen, maar het zal nieuwe toepassingen en technologieën mogelijk maken die de komende decennia de wereld zullen veranderen..

Wat denk je dat de energietechnologie van de toekomst zal zijn?? Gaat het om batterijen, condensatoren of iets anders? Deel uw mening in de commentarensectie hieronder!

Ontdek meer over: Automotive-technologie, levensduur van de batterij.