Batterietechnologien, die die Welt verändern werden

Möchten Sie fünfhundert Meilen für einen Dollar fahren? Möchten Sie, dass Ihr Smartphone Computergrafiken in Konsolenqualität rendert und einmal wöchentlich auflädt? Sie möchten in der Lage sein, leichte, tragbare Wearables von Google Glass über Wochen hinweg zu verwenden, ohne sich Sorgen über deren Aufladung machen zu müssen?

Alle diese großartigen Technologieanwendungen warten auf eine bessere Batterietechnologie. Battery Tech ist langsamer gewachsen als andere Technologien (z. B. Prozessorgeschwindigkeit und Computerspeicher) und ist heute in vielen Branchen die lange Zeltstange. Es gibt gute Gründe zu glauben, dass wir an der Lithium-Ionen-Technologie einige grundlegende Grenzen erreicht haben, und es gibt eine Reihe spannender Technologien. Heute betrachten wir vier der vielversprechendsten Optionen.

Bessere Batterien machen Elektroautos praktisch, lösen mobile Ladegeräte von Ladungsangst und ermöglichen ganz neue Klassen leichter, langlebiger Wearables. So werden sie es tun:

3. Dual-Carbon-Batterien

Abgesehen davon, dass sie nicht so energiedichten sind, wie wir es gerne hätten, gibt es für andere Lithium-Ionen-Akkutechnologien andere gravierende Einschränkungen - insbesondere Ladezeit, Volatilität und Degradation.

Lithium-Ionen-Batterien benötigen Zeit zum Aufladen - oft sogar mehrere Stunden, selbst mit der besten Technologie -, und obwohl sie wahrscheinlich sicherer als Benzin sind, werden sie während des Betriebs heiß (insbesondere Hochleistungsbatterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden). Wenn die Wärmeableitung nicht richtig gehandhabt wird, kann die daraus resultierende unkontrollierte Reaktion Feuer oder sogar eine Explosion verursachen.

Zu allem Überfluss ist der Lade-Entlade-Zyklus von Lithium-Ionen-Batterien zerstörerisch: Bereits nach zweihundertfünfzig Lade-Entlade-Zyklen haben Lithium-Ionen-Batterien bereits etwa zwanzig Prozent ihrer Speicherkapazität verloren. Dies ist gut für Märkte wie Smartphones, bei denen die Leute ihre Geräte ohnehin jedes Jahr ersetzen, aber es ist ein Problem für Märkte wie das Elektrofahrzeug, das die Leute wahrscheinlich jahrelang nutzen würden, ohne eine giftige und teure Batteriekomponente ersetzen zu müssen.

Nun rief eine Firma an “Macht Japan Plus” denkt, es hat eine Lösung in Form von a “Dual-Carbon” Batterie. Diese Batterietechnologie ersetzt die Anode und die Kathode der Batterie (die positiven und negativen Anschlüsse, die normalerweise aus einem hochreaktiven Metall wie Lithiumoxid bestehen) durch reinen Kohlenstoff, der ziemlich inert ist. Das Ergebnis ist eine Batterie, die nicht wesentlich mehr Energie als die Lithium-Ionen-Technologie speichert, aber viele der anderen Einschränkungen der aktuellen Batterien anspricht.

Dual-Carbon-Batterien können zwanzig Mal schneller aufgeladen werden als die Lithium-Ionen-Technologie, erzeugen während des Betriebs keine Wärme und sind viel seltener in Brand geraten. Sie bauen sich auch viel langsamer ab (sie sind gut für dreitausend Zyklen geeignet). Da Kohlenstoff leicht verfügbar und chemisch unbedenklich ist, sind sie auch billig, relativ ungiftig und recycelbar.

Chris Craney, Chief Marketing Officer des Unternehmens, glaubt, dass die Batterien für Elektroautos letztendlich eine große Sache sein werden: Mit dem Atlantik zu sprechen, sagte er,

“Wir haben ehrgeizige Ansprüche […] Wenn es ein [Elektrofahrzeug] -Unternehmen gibt, das auf die Tesla-Ebene steigen möchte, wären wir eine gute Gesellschaft, mit der wir uns unterhalten können. […] Um ehrlich zu sein, sind wir zuversichtlich, dass wir eine wichtige Lösung für die heutige Elektrofahrzeugindustrie sind.”

Das Unternehmen plant, in diesem Jahr eine erste Serie von Batterien für den Einsatz in medizinischen Geräten zu produzieren.

2. Lithium-Luft-Batterien

Ein anderer Ansatz zum Erhöhen der Dichte von Batterien besteht darin, die Chemie so zu modifizieren, dass die Stromerzeugungsreaktion Sauerstoff aus der Außenatmosphäre zieht (und während des Nachladens Sauerstoff erzeugt), wie im Fall von Lithium-Luft-Batterien. Diese Technologie wird von IBM unter anderem als letztes Heiligtum der Batterietechnologie verfolgt.

Durch die Verwendung von Luftsauerstoff anstelle der Speicherung des Sauerstoffs in der Batterie können Sie die Speicherdichte drastisch erhöhen, was theoretisch bis zu vierzigfache Gewichtszunahmen im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumzellen bietet und zu Elektroautos führt, die Tausende von Kilometern zurücklegen können gegen Gebühr Die bestehenden Prototypen schlagen die derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen um das Doppelte. Diese Dichten liegen nahe an der theoretischen Grenze für das, was möglicherweise von einer chemischen Batterie erreicht werden kann.

Diese Batterietechnologie ist in mancher Hinsicht (IBM schätzt 5 bis 15 Jahre), aber in vielerlei Hinsicht stellt sie den heiligen Gral der chemischen Batterien dar - die bestmögliche Dichte für ein gegebenes Gewicht. Wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien können mit Benzin hinsichtlich der Energiedichte konkurrieren, etwas, was in der herkömmlichen Batterietechnologie unbekannt ist. Die IBM-Seite für ihr Forschungsprojekt beschreibt es so:

Elektroautos können heute mit der derzeitigen Batterietechnologie, der sogenannten Lithium-Ionen-Batterie (LIB), nur etwa 100 Meilen zurücklegen. […] Als dies erkannt wurde, startete IBM das Projekt Battery 500 im Jahr 2009, um eine neue Art von Lithium-Luft-Batterietechnologie zu entwickeln, die voraussichtlich die Energiedichte um das Zehnfache verbessern und die Energieerzeugung, die diese Batterien erzeugen und speichern können, drastisch erhöht. Heute haben IBM-Forscher die grundlegende Chemie des Lade- und Ladevorgangs für Lithium-Luft-Batterien erfolgreich demonstriert.

1. Graphen-Ultrakondensatoren

Ein weiterer, spekulativerer Ansatz zur Verbesserung der Batterieleistung besteht darin, den "Batterie" -Teil vollständig aufzulösen. Eine Alternative zur Batterietechnologie sind sogenannte Kondensatoren: geladene Platten, die durch einen Widerstand getrennt sind. Strom kann im Kondensator als elektrostatisches Feld gespeichert und später entladen werden (denken Sie daran, eine statische Ladung in Ihrem Körper aufzubauen, indem Sie eine Katze streicheln und dann Ihren Körper in einen Türknopf entladen)..

Herkömmliche Kondensatoren haben gravierende Grenzen hinsichtlich der Ladungsmenge, die sie speichern können, und auch, wie langsam sie diese Ladung abgeben können. Durch die Verwendung von Materialien wie Graphen, deren Masse und Volumen enorm große Oberflächen aufweisen, können Zellen mit enormen Kapazitäten und Energiedichten hergestellt werden, die mit herkömmlichen Batterien vergleichbar sind.

Diese "Ultrakondensatoren" würden sich bei jedem Ladezyklus nicht verschlechtern und könnten in Sekunden aufgeladen werden. Bestehende Prototypen zeigen keine Verringerung der Kapazität über 10.000 Ladezyklen und zeigen eine Energiedichte, die mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist. Zukünftige Verbesserungen der Materialwissenschaft könnten diese Zahlen noch weiter erhöhen.

Kurzfristig berichten einige Insider, dass Tesla einen Graphen-Ultrakondensator entwickelt, der in Sekundenschnelle aufgeladen werden könnte und die Reichweite ihrer Elektroautos auf 500 Meilen pro Ladung verdoppeln könnte. Elon Musk hat seinerseits die Idee bereits erwähnt:

“Wenn ich eine Vorhersage machen würde, denke ich, besteht eine gute Chance, dass es sich nicht um Batterien handelt, sondern um Superkondensatoren.”

Alle diese Technologien spielen wahrscheinlich kurz- und langfristig eine Rolle, wenn wir die Lithium-Ionen-Technologie, die wir seit Jahrzehnten einsetzen, hinter uns lassen. Der Übergang wird wahrscheinlich nicht völlig anmutig oder so schnell sein, wie wir es gerne hätten, aber er wird neue Anwendungen und Technologien ermöglichen, die die Welt in den kommenden Jahrzehnten verändern werden.

Was denken Sie wird die Energietechnologie der Zukunft sein?? Werden es Batterien, Kondensatoren oder etwas anderes sein? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren unten mit!

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