următoarea

Citiți o poveste exclusivă pentru membrii Quartz, disponibilă pentru toți cititorii pentru o perioadă limitată de timp. Pentru a debloca accesul la tot Quartz, deveniți membru.

Avioanele electrice ar putea fi viitorul aviației. În teorie, vor fi mult mai silențioase, mai ieftine și mai curate decât avioanele pe care le avem astăzi. Avioanele electrice cu o rază de acțiune de 1.000 km (620 mile) cu o singură încărcare ar putea fi utilizate astăzi pentru jumătate din toate zborurile de avioane comerciale, reducând emisiile de carbon ale aviației globale cu aproximativ 15%.

Este aceeași poveste cu mașinile electrice. O mașină electrică nu este pur și simplu o versiune mai curată a vărului său care aruncă poluare. Este, în esență, o mașină mai bună: motorul său electric face puțin zgomot și oferă un răspuns fulgerător la deciziile șoferului. Încărcarea unei mașini electrice costă mult mai puțin decât plata unei cantități echivalente de benzină. Mașinile electrice pot fi construite cu o fracțiune de piese în mișcare, ceea ce le face mai ieftine de întreținut.

Deci, de ce nu sunt deja mașini electrice peste tot? Acest lucru se datorează faptului că bateriile sunt scumpe, ceea ce face ca costul inițial al unei mașini electrice să fie mult mai mare decât un model similar alimentat cu gaz. Și dacă nu conduceți mult, economiile pe benzină nu compensează întotdeauna costul inițial mai mare. Pe scurt, mașinile electrice nu sunt încă economice.

În mod similar, bateriile actuale nu conțin suficientă energie în greutate sau volum pentru a alimenta avioanele pasagerilor. Încă avem nevoie de descoperiri fundamentale în tehnologia bateriilor înainte ca aceasta să devină realitate.

Dispozitivele portabile alimentate cu baterii ne-au transformat viața. Dar există mult mai multe baterii care pot perturba, chiar dacă bateriile mai sigure, mai puternice și cu densitate mare de energie ar putea fi făcute ieftin. Nicio lege a fizicii nu le împiedică existența.

Și totuși, în ciuda a peste două secole de studiu atent de la prima inventare a bateriei în 1799, oamenii de știință încă nu înțeleg pe deplin multe dintre fundamentele a ceea ce se întâmplă exact în interiorul acestor dispozitive. Ceea ce știm este că există, în esență, trei probleme de rezolvat pentru ca bateriile să ne transforme cu adevărat din nou viața: putere, energie și siguranță.

Nu există o baterie litiu-ion de dimensiuni unice

Fiecare baterie are doi electrozi: un catod și un anod. Majoritatea anodilor bateriilor litiu-ion sunt fabricate din grafit, dar catodii sunt confecționați din diverse materiale, în funcție de ce va fi folosit bateria. Mai jos, puteți vedea cum diferitele materiale ale catodului schimbă modul de funcționare a tipurilor de baterii pe șase măsuri.

Provocarea puterii

În limbajul obișnuit, oamenii folosesc „energie” și „putere” în mod interschimbabil, dar este important să se facă diferența între ei atunci când vorbim despre baterii. Puterea este rata la care energia poate fi eliberată.

O baterie suficient de puternică pentru a lansa și a menține un jet comercial timp de 1.000 km necesită multă energie pentru a fi eliberată în foarte puțin timp, în special în timpul decolării. Deci, nu este vorba doar de a avea multă energie stocată, ci și de a avea capacitatea de a extrage energia foarte repede.

Abordarea provocării energetice necesită să ne uităm în cutia neagră a bateriilor comerciale. O să devină puțin tocilar, dar suportă-mă. Noile tehnologii ale bateriei sunt adesea supraestimate, deoarece majoritatea oamenilor nu privesc suficient de atent detaliile.

Cea mai avansată chimie a bateriei pe care o avem în prezent este litiu-ion. Majoritatea experților sunt de acord că nicio altă chimie nu va întrerupe litiu-ionul timp de cel puțin încă un deceniu sau mai mult. O baterie litiu-ion are doi electrozi (catod și anod) cu un separator (un material care conduce ioni, dar nu electroni, conceput pentru a preveni scurtcircuitul) în mijloc și un electrolit (de obicei lichid) pentru a permite fluxul ionilor de litiu înapoi și mai departe între electrozi. Când o baterie se încarcă, ionii se deplasează de la catod la anod; când bateria alimentează ceva, ionii se mișcă în direcția opusă.

Imaginați-vă două pâini felii. Fiecare pâine este un electrod: cea stângă este catodul și dreapta este unul anod. Să presupunem că catodul este format din felii de nichel, mangan și cobalt (NMC) - una dintre cele mai bune din clasă - și că anodul este alcătuit din grafit, care este în esență foi stratificate sau felii de atomi de carbon.

În starea descărcată - adică, după ce a fost golită de energie - pâinea NMC are ioni de litiu intercalate între fiecare felie. Când bateria se încarcă, fiecare ion de litiu este extras dintre felii și forțat să călătorească prin electrolitul lichid. Separatorul acționează ca un punct de control, asigurându-se că numai ionii de litiu trec prin pâinea de grafit. Când este complet încărcată, pâinea catodică a bateriei nu va mai avea ioni de litiu; toate vor fi îngrijite între feliile de pâine de grafit. Pe măsură ce energia bateriei este consumată, ionii de litiu se deplasează înapoi la catod, până când nu mai rămâne nici unul în anod. Atunci bateria trebuie încărcată din nou.

Capacitatea de alimentare a bateriei este determinată, în esență, de cât de rapid se întâmplă acest proces. Dar nu este atât de simplu să crești viteza. Extragerea prea rapidă a ionilor de litiu din pâinea catodică poate face ca feliile să dezvolte defecte și să se rupă în cele din urmă. Unul dintre motivele pentru care cu cât ne folosim mai mult smartphone-ul, laptopul sau mașina electrică, cu atât durează mai mult bateria. Fiecare încărcare și descărcare determină slăbirea pâinii.

Diferite companii lucrează la soluții la această problemă. O idee este înlocuirea electrozilor stratificați cu ceva mai puternic din punct de vedere structural. De exemplu, compania elvețiană de 100 de ani, Leclanché, lucrează la o tehnologie care utilizează fosfat de litiu-fier (LFP), care are o structură „olivină”, ca catod, și oxid de titanat de litiu (LTO), care are un Structura „Spinel”, ca anod. Aceste structuri sunt mai bune la manipularea fluxului de ioni de litiu în și din material.

Leclanché își folosește în prezent celulele bateriei în stivuitoare pentru depozite autonome, care pot fi încărcate la 100% în nouă minute. Pentru comparație, cel mai bun supraîncărcător Tesla poate încărca o baterie auto Tesla la aproximativ 50% în 10 minute. Leclanché își desfășoară, de asemenea, bateriile în Marea Britanie pentru încărcarea rapidă a mașinilor electrice. Aceste baterii stau la stația de încărcare, preluând încet cantități mici de energie pe o perioadă lungă de timp de la rețea până când sunt complet încărcate. Apoi, când o mașină andochează, bateriile stației de andocare încarcă rapid bateria mașinii. Când mașina pleacă, stația de baterii începe să se reîncarce din nou.

Eforturi precum spectacolul lui Leclanché este posibil să te joci cu chimistele bateriilor pentru a le crește puterea. Totuși, nimeni nu a construit încă o baterie suficient de puternică pentru a furniza rapid energia necesară pentru ca un avion comercial să învingă gravitația. Startup-urile caută să construiască avioane mai mici (cu o capacitate de până la 12 persoane), care ar putea zbura pe baterii cu putere redusă relativ reduse sau avioane electrice hibride, în care combustibilul cu reacție face ridicarea dură și bateriile fac coastă.

Însă nu există nicio companie care să lucreze în acest spațiu în niciun loc lângă comercializare. Mai mult, tipul de salt tehnologic necesar unui avion comercial complet electric va dura probabil decenii, spune Venkat Viswanathan, expert în baterii la Universitatea Carnegie Mellon.

Provocarea energetică

Tesla Model 3, cel mai accesibil model al companiei, începe de la 35.000 de dolari. Funcționează cu o baterie de 50 kWh, care costă aproximativ 8.750 USD, sau 25% din prețul total al mașinii.

Este încă uimitor de accesibil în comparație cu nu demult. Potrivit Bloomberg New Energy Finance, costul mediu global pentru bateriile litiu-ion în 2018 a fost de aproximativ 175 USD pe kWh - în scădere de la aproape 1.200 USD pe kWh în 2010.

Departamentul Energiei din SUA calculează că, odată ce costurile bateriei scad sub 125 USD pe kWh, deținerea și exploatarea unei mașini electrice vor fi mai ieftine decât o mașină alimentată cu gaz în majoritatea părților lumii. Nu înseamnă că vehiculele electrice vor câștiga vehiculele alimentate cu gaz în toate nișele și domeniile - de exemplu, camioanele cu distanță lungă nu au încă o soluție electrică. Dar este un punct de bascul în care oamenii vor începe să prefere mașinile electrice pur și simplu pentru că vor avea un sens mai economic în majoritatea cazurilor.

O modalitate de a ajunge acolo este de a crește densitatea de energie a bateriilor - să înghesuiți mai mulți kWh într-un pachet de baterii fără a scădea prețul. Chimistul cu baterii poate face acest lucru, în teorie, prin creșterea densității energetice a catodului sau a anodului sau a ambelor.

Cel mai dens catod energetic pe drumul către disponibilitatea comercială este NMC 811 (fiecare cifră din număr reprezintă raportul dintre nichel, mangan și respectiv cobalt în amestec). Nu este încă perfect. Cea mai mare problemă este că poate rezista la un număr relativ mic de cicluri de viață încărcare-descărcare înainte de a înceta să funcționeze. Dar experții prezic că industria cercetării și dezvoltării ar trebui să rezolve problemele NMC 811 în următorii cinci ani. Când se întâmplă acest lucru, bateriile care utilizează NMC 811 vor avea o densitate de energie mai mare cu 10% sau mai mult.

Cu toate acestea, o creștere de 10% nu este atât de mare în imaginea de ansamblu.
Și, în timp ce o serie de inovații din ultimele decenii au împins densitatea energetică a catodilor din ce în ce mai mare, anodii sunt locul în care se află cele mai mari oportunități de densitate a energiei.

Grafitul a fost și rămâne departe și departe materialul dominant al anodului. Este ieftin, fiabil și relativ dens din punct de vedere energetic, mai ales în comparație cu materialele actuale ale catodului. Dar este destul de slabă atunci când este suprapusă cu alte materiale anodice potențiale, cum ar fi siliciu și litiu.

Siliciul, de exemplu, este teoretic mult mai bun la absorbția ionilor de litiu ca grafit. De aceea, o serie de companii de baterii încearcă să pună un pic de siliciu cu grafit în designul lor anodic; CEO-ul Tesla, Elon Musk, a declarat că compania sa face deja acest lucru cu bateriile sale litiu-ion.

Un pas mai mare ar fi dezvoltarea unui anod viabil din punct de vedere comercial, realizat complet din siliciu. Dar elementul are trăsături care îngreunează acest lucru. Când grafitul absoarbe ionii de litiu, volumul său nu se schimbă prea mult. Un anod de siliciu, totuși, se mărește de patru ori mai mult decât volumul inițial în același scenariu.

Din păcate, nu puteți face doar carcasa mai mare pentru a se potrivi umflăturii, deoarece expansiunea se rupe ceea ce se numește „interfază solidă a electroliților” sau SEI, a anodului de siliciu.

Vă puteți gândi la SEI ca la un fel de strat protector pe care îl creează anodul, asemănător cu modul în care fierul formează rugina, cunoscut și sub numele de oxid de fier, pentru a se proteja de elemente: Când lăsați o bucată de fier nou forjat în exterior, reacționează încet cu oxigenul din aer la rugină. Sub stratul de rugină, restul fierului nu suferă aceeași soartă și păstrează astfel integritatea structurală.

La sfârșitul primei încărcări a bateriei, electrodul formează propriul strat de „rugină” - SEI - separând partea neerodată a electrodului de electrolit. SEI oprește reacțiile chimice suplimentare de la consumul electrodului, asigurându-se că ionii de litiu pot curge cât mai lin posibil.

Dar, cu un anod de siliciu, SEI se rupe de fiecare dată când bateria este utilizată pentru a alimenta ceva și se reformează de fiecare dată când bateria este încărcată. Și în timpul fiecărui ciclu de încărcare, se consumă un pic de siliciu. În cele din urmă, siliciul se disipează până la punctul în care bateria nu mai funcționează.

În ultimul deceniu, câteva startup-uri din Silicon Valley au lucrat pentru a rezolva această problemă. De exemplu, abordarea lui Sila Nano este de a încadra atomii de siliciu în interiorul unei carcase de dimensiuni nano, cu mult spațiu gol în interior. În acest fel, SEI se formează în exteriorul învelișului și expansiunea atomilor de siliciu are loc în interiorul acestuia fără a distruge SEI după fiecare ciclu de încărcare-descărcare. Compania, evaluată la 350 de milioane de dolari, spune că tehnologia sa va alimenta dispozitivele încă din 2020.

Pe de altă parte, Enovix aplică o tehnică specială de fabricație pentru a pune un anod de siliciu 100% sub o presiune fizică enormă, forțându-l să absoarbă mai puțini ioni de litiu și restricționând astfel expansiunea anodului și împiedicând SEI să se rupă. Compania are investiții de la Intel și Qualcomm și se așteaptă, de asemenea, să aibă bateriile în dispozitive până în 2020.

Aceste compromisuri înseamnă că anodul de siliciu nu poate atinge densitatea sa teoretică ridicată de energie. Cu toate acestea, ambele companii spun că anodii lor au performanțe mai bune decât un anod de grafit. Părțile terțe testează în prezent bateriile ambelor firme.

Provocarea siguranței

Toate trăsăturile moleculare făcute pentru a împacheta mai multă energie în baterii pot costa costul siguranței. Încă de la invenția sa, bateria litiu-ion a provocat dureri de cap din cauza frecvenței cu care se aprinde. În anii 1990, de exemplu, Moli Energy din Canada a comercializat o baterie litiu-metalică pentru utilizare în telefoane. Dar în lumea reală, bateriile sale au început să ia foc, iar Moli a fost forțată să facă o rechemare și, în cele din urmă, să depună faliment. (Unele dintre activele sale au fost cumpărate de o companie taiwaneză și încă vinde baterii litiu-ion sub numele de marcă E-One Moli Energy.) Mai recent, smartphone-urile Samsung Galaxy Note 7, care au fost fabricate cu baterii litiu-ion moderne, au început să explodeze în buzunarele oamenilor. Retragerea produsului rezultat din 2016 a costat gigantul sud-coreean 5,3 miliarde de dolari.

Bateriile litiu-ion de astăzi prezintă încă riscuri inerente, deoarece folosesc aproape întotdeauna lichide inflamabile ca electrolit. Este una dintre ciudățile nefericite ale naturii (pentru noi, oamenii), că lichidele capabile să transporte cu ușurință ioni tind, de asemenea, să aibă un prag mai mic pentru a lua foc. O soluție este utilizarea electroliților solizi. Dar asta înseamnă alte compromisuri. Un design al bateriei poate include cu ușurință un electrolit lichid care este în contact cu fiecare bit al electrozilor - făcându-l capabil să transfere eficient ioni. Este mult mai greu cu solidele. Imaginați-vă că aruncați o pereche de zaruri într-o cană de apă. Acum imaginați-vă că aruncați aceiași zaruri într-o ceașcă de nisip. Evident, apa va atinge mult mai multă suprafață a zarurilor decât va atinge nisipul.

Până în prezent, utilizarea comercială a bateriilor litiu-ion cu electroliți solizi a fost limitată la aplicații cu putere redusă, cum ar fi senzorii conectați la internet. Eforturile de extindere a bateriilor în stare solidă - adică care nu conțin electroliți lichizi - pot fi clasificate în două categorii: polimeri solizi la temperaturi ridicate și ceramică la temperatura camerei.

Polimeri solizi la temperaturi ridicate

Polimerii sunt lanțuri lungi de molecule legate între ele. Sunt extrem de frecvente în aplicațiile de zi cu zi - pungile de plastic de unică folosință sunt fabricate din polimeri, de exemplu. Când unele tipuri de polimeri sunt încălziți, aceștia se comportă ca lichide, dar fără inflamabilitatea electroliților lichizi utilizați în majoritatea bateriilor. Cu alte cuvinte, au o conductivitate ionică ridicată ca electrolit lichid, fără riscuri.

Dar au limitări. Acestea pot funcționa doar la temperaturi peste 105 ° C (220 ° F), ceea ce înseamnă că nu sunt opțiuni practice pentru, să zicem, smartphone-uri. Dar ele pot fi folosite, de exemplu, pentru stocarea energiei din rețea în bateriile de acasă. Cel puțin două companii - SEEO din SUA și Bolloré din Franța - dezvoltă baterii în stare solidă care utilizează polimeri la temperatură înaltă ca electrolit.

Ceramica la temperatura camerei

În ultimul deceniu, două clase de ceramică - LLZO (litiu, lantan și oxid de zirconiu) și LGPS (litiu, germaniu, sulfură de fosfor) - s-au dovedit aproape la fel de bune în conducerea ionilor la temperatura camerei ca lichidele.

Toyota, precum și startup-ul QuantumScape din Silicon Valley (care a strâns finanțare de 100 de milioane de dolari de la Volkswagen anul trecut), lucrează amândouă la implementarea ceramicii în baterii litiu-ion. Includerea unor jucători mari în spațiu este indicativă că o descoperire ar putea fi mai aproape decât cred mulți.

„Suntem aproape de a vedea ceva real [folosind ceramica] în doi sau trei ani”, spune Viswanathan, de Carnegie Mellon.

Un act de echilibrare

Bateriile sunt deja mari afaceri, iar piața pentru ele continuă să crească. Toți acei bani atrag mulți antreprenori cu și mai multe idei. Dar pornirile pe baterii sunt pariuri dificile - se dezlănțuie chiar mai des decât companiile de software, cunoscute pentru rata lor mare de eșec. Asta pentru că inovația în științele materialelor este grea.

Până în prezent, chimistii cu baterii au descoperit că atunci când încearcă să îmbunătățească o trăsătură (să spunem densitatea energiei), trebuie să facă compromisuri cu privire la o altă trăsătură (să spunem siguranță). Acest tip de act de echilibrare a însemnat că progresul pe fiecare front a fost lent și plin de probleme.

Dar, cu mai mulți ochi asupra problemei - MIT Chiang consideră că există astăzi de trei ori mai mulți oameni de știință în domeniul bateriilor în SUA decât acum doar 10 ani - șansele de succes cresc. Potențialul bateriilor rămâne imens, dar având în vedere provocările viitoare, este mai bine să ne uităm la fiecare afirmație referitoare la bateriile noi cu o doză bună de scepticism.