211service.com
En guide till de senaste batteriutvecklingen
Elfordon, hybrider och förnybar energi har åtminstone en sak gemensamt – om de någonsin kommer att användas mer allmänt, representerar majoriteten av bilarna på vägen eller en stor del av elförsörjningen, måste batterierna bli betydligt bättre . Batterier kommer att behöva lagra mer energi, leverera den snabbare och mer tillförlitlig och i slutändan kosta mycket mindre. De specifika sätt som batterier behöver förbättras varierar beroende på applikation, men inom alla dessa områden har forskare gjort betydande framsteg.
Förra veckan tillkännagav MIT-forskare under ledning av Yang-Shao Horn, professor i materialvetenskap och teknik och maskinteknik, och Paula Hammond, professor i kemiteknik, ett nytt tillvägagångssätt för högeffekts litiumjonbatterier, den typen som är användbar för hybridfordon eller för stabilisering av elnätet. Högeffektsbatterier accepterar och levererar laddning snabbt. I hybrider är målet att komplettera bensinmotorn, så att den kan köras mest effektivt. Batteriet driver bilen i låga hastigheter för korta sträckor och ökar accelerationen, vilket minskar kravet på motorn. Den fångar också upp energi från inbromsning som annars skulle gå förlorad som värme. För elnätet kan sådana batterier buffra förändringar i utbud och efterfrågan på el – något som blir viktigare i takt med att fler varierande elkällor introduceras, som vind- och solenergi.
MIT-forskarna demonstrerade en ny batterielektrod, baserad på specialbehandlade kolnanorör, som håller i tusentals cykler utan någon förlust i prestanda. Batterier tillverkade av dessa elektroder skulle kunna leverera tillräckligt med kraft för att driva stora transportbilar eller sopbilar, till exempel, utan att batterierna är för tunga för att vara praktiska. (Forskarna måste öka tjockleken på elektroderna för att de ska vara praktiska i dessa applikationer.) Företag som A123 Systems, baserat i Watertown, MA, har också utvecklat mycket högeffektiva litiumjonbatterier och andra akademiska grupper och Nystartade företag utvecklar kolnanorörsbaserade ultrakondensatorer, som lagrar energi med en annan mekanism än batterier, vilket är särskilt användbart för hög effekt och lång livslängd.
Även om de nya elektroderna så småningom kan vara användbara för hybrider och för att stabilisera nätet, är de inte särskilt bra för andra applikationer som helelektriska fordon. För elfordon är den totala mängden energi som batterier lagrar viktigare än hur snabbt den energin kan levereras, eftersom det är den totala mängden som avgör hur långt dessa bilar kan färdas mellan laddningarna. MIT-forskarna som utvecklade de nya kolnanorörselektroderna utvecklar också en annan typ av batteri för att lagra stora mängder energi. Kallas ett litum-luft-batteri, där en av ett batteris två elektroder ersätts av ett gränssnitt med luften, har tekniken nyligen tilldragit sig stora mängder statlig finansiering och intresse från företag som IBM. I teorin kan sådana batterier lagra tre gånger så mycket energi som konventionella litiumjonbatterier. Men designen har ett antal problem som gör det svårt att kommersialisera, bland annat sårbarheten hos dess aktiva material för fukt (litiummetallen den använder kan fatta eld om den blir blöt) och batteriernas tendens att sluta fungera efter att ha laddats upp bara några gånger.
Liksom litium-luftbatterier står andra potentiella högenergibatterier inför ett antal hinder, vilket kan hjälpa till att förklara varför hybrider med sina högeffektsbatterier snarare än högenergibatterier har varit mer framgångsrika än elfordon. Många av de mest lovande batterikemierna är för svåra att göra i stor skala, faller isär efter några cykler eller är för dyra. Enligt US Department of Energy kostar kompletta batteripaket idag mellan $800 och $1 200 per kilowattimme och lagrar cirka 100 till 120 wattimmar per kilogram. För att göra elfordon praktiska och prisvärda skulle DOE vilja se kostnaderna sjunka till $250 per kilowattimme och öka lagringskapaciteten till över 200 wattimmar per kilogram. (Att nå dessa mål kommer att kräva ännu högre lagringskapacitet för de individuella battericellerna som utgör batteripaket – cirka 400 wattimmar per kilogram.)
Även om det är svårt att förbättra batterier för hybrider och elfordon, är en av de största långsiktiga utmaningarna för batteriforskare att tillverka batterier som billigt kan lagra stora mängder energi som genereras av solpaneler och vindkraftverk, så att el från dessa källor är tillgänglig när solen skiner inte eller vinden blåser inte. För närvarande behövs inte sådana batterier - det finns tillräckligt med ström från konventionella källor för att ta upp slacket. Men om sol och vind någonsin ska kunna tillhandahålla större delen av elen kommer lagring att behövas och batterier idag är alldeles för dyra. DOE-målet för sådana batterier är mindre än $100 per kilowattimme, mindre än hälften av målet för elfordon. Det är billigare idag att bygga ett naturgaskraftverk som reservkraftskälla, eller att lagra energi genom att pumpa vatten uppför, där det senare kan rinna nedför för att snurra en generator. Ett experimentellt tillvägagångssätt för sådana lågprisbatterier är något som kallas ett flytande batteri, som använder billiga batterimaterial som sätts ihop av sig själva.
Även om problem med batterier övervinns i labbet, möter dessa tekniker hinder för att kommersialiseras. För att sänka kostnaderna vänder sig batteritillverkarna till andra applikationer än elfordon och elnätet för att få igång ny teknik, applikationer som mikroelektronik, elverktyg och racerbilar. Plug-in hybrider kan också fungera som en bro till elfordon. Plug-ins använder reservgasdrivna generatorer för att utöka deras räckvidd, vilket gör att biltillverkare kan använda mindre, billigare batteripaket än de skulle behöva för elfordon. Biltillverkare som GM, med sin Chevrolet Volt som kommer ut i år, tar detta tillvägagångssätt. De elfordon som säljs nu, och som kommer att säljas under de närmaste åren, är antingen dyra sportbilar och lyxbilar, där kostnaderna kan vara höga, eller så sänks deras initiala kostnader med hjälp av kreativ finansiering, som leasing av batteri paket eller erbjuda per-mil-planer ungefär som de per minut-planer som erbjuds av mobiltelefonföretag.