211service.com
Nya skumbatterier lovar snabb laddning, högre kapacitet
Trots miljarder dollar i investeringar och lanseringen av flera högprofilerade startups, står energisektorn fortfarande inför en grundläggande och till synes olöslig utmaning: det är väldigt svårt att lagra massor av kraft på ett sätt som är kompakt, långvarigt och till låg kostnad . Ett växande antal forskare hoppas kunna lösa det med så kallade tredimensionella batterier, som kan ta flera former men tenderar att ha porösa, svampliknande strukturer, i motsats till den traditionella 2-D-formen: tunna lager av metall i en flytande elektrolytlösning inuti en låda (se Ett töjbart, böjbart och mer kraftfullt Smart Watch-batteri och batterier: billigaste formen av nätkraft? ).
Under de senaste månaderna ringde en startup Prieto batteri , spunnet från Colorado State University i Fort Collins, har lyckats producera vad grundaren Amy Prieto kallar det första riktiga 3-D-batteriet som kan laddas och laddas ur, och som kommer att hålla en laddning – med andra ord, som uppfyller de grundläggande kraven av ett konventionellt batteri. 3D-batterier kan vara billigare att tillverka, snabbare att ladda, säkrare, mindre och mindre miljögiftiga än konventionella batterier. Dessutom, eftersom de kan göras lätta, flexibla och i en nästan obegränsad mängd olika former, kan de erbjuda energilagringsapplikationer som tidigare var ofattbara.
Prietos 3-D solid-state-batteri representerar två radikala avvikelser från dagens batterier: vad de är gjorda av och hur de är gjorda. I Prieto-labbet, strax under foten av Rocky Mountain, sitter en serie med åtta grunda vattenfyllda soptunnor i ett försänkt bord. Bredvid linjen står ett ställ med rullar av kopparskum av varierande densiteter. Skummet är råmaterialet för batterierna, på vilket anoden – gjord av kopparantimonid (koppar blandad med antimon) – är galvaniserad. Skummet är så poröst att det mestadels är luft, men ett litet fragment kan innehålla en enorm yta. En ökning av ytan minskar det avstånd som jonerna måste resa, vilket ökar både effekt och energitäthet.
När skummet är belagt med anoden, är det skiktat med en polymerelektrolyt som ger en fysisk barriär över vilken joner (men inte elektroner) kan röra sig. Slutligen appliceras katoden i form av en mörk, bläckartad uppslamning. Slutprodukten är ett skumbatteri på ett par tum i diameter och tjockleken på ett pappersark. Förseglade i en plastpåse kan Prieto-batterierna laddas snabbt, lagra upp till dubbelt så mycket energi per volymenhet som konventionella batterier och saknar litiumjonbatteriers olyckliga benägenhet att överhettas.
Tanken på att porösa material används för batterikomponenter är inte ny: många konventionella blybatterier använder till exempel blyskum i anoden. Föreställningen om ett helt batteri tillverkat med en porös intern arkitektur uppstod från arbetet av Debra Rolison, en forskningskemist vid Naval Research Laboratory som leder labbets avdelning för avancerade elektrokemiska material. Rolison började forska om nya katalysatormaterial för bränsleceller i början av 1990-talet, och 1998 föreslog hon ett batteri bestående av kolaerogeler - porösa material i vilka ett katodmaterial kan sättas in för att skapa ett 3D-batteri. När hon först presenterade idén, säger hon, trodde 99 procent av människorna att jag blev bortskämd ur min hjärna. Men ett antal forskare driver nu konceptet — några med nya material som t.ex portabellasvamp och cellulosa från vedmassa .
3-D-batteriteknologi som Prietos, säger Max Hamedi, en Harvard-forskare som arbetar med elastiska skumbatterier gjorda av trämassa, har potentialen att överträffa alla batterier som du kan bygga i 2-D-system. Det här arbetet bara exploderar just nu.
Prieto har från start eftersträvat enkelhet, med vanliga material i en lågkostnads tillverkningsprocess som lätt kan skalas upp. Företagets första produkt är inte ett fullt batteri utan en drop-in ersättningsanod av kopparskum som kommer att ersätta grafitanoder i konventionella batterier. I september tillkännagav Prieto ett partnerskap med Intel som gör det möjligt för startupen att dra nytta av expertis från chiptillverkarens Technology Manufacturing Group. Prietos första ersättningsanoder kan vara på marknaden i slutet av 2016, säger dess grundare, och ett komplett batteri kan följa med 2018.
Det finns naturligtvis andra företag som driver innovation inom solid-state-batterier. Sakti3 arbetar på solid-state litiumjonbatterier som är en halv till en tredjedel av storleken på konventionella system, med samma energilagringskapacitet (se Ett banbrytande batteri får en stor stöd). Seeo, en Kalifornien-baserad startup fokuserad på solid-state-batterier med litium-metallanoder, förvärvades nyligen av Bosch, en av bilindustrins största leverantörer (se Ett prototypbatteri kan fördubbla utbudet av elbilar). Inget av dessa företag använder en 3D-skumarkitektur.
Vi ser potentialen för Prietos teknologi att bidra till innovationer inom wearables, där solid state-batterier med hög energitäthet kan möjliggöra övertygande nya användningsområden, säger Mark Pontarelli, general manager för Intels interna affärsinkubator. Kopparskummet kan användas för att skapa batterier som exakt fyller tomma utrymmen i en design, vilket ger längre batteritid utan att öka storleken på produkten.
Som Pontarelli indikerar kommer de första applikationerna sannolikt att vara små – till exempel i bärbara system och konsumentelektronik – men det finns ingen uppenbar anledning till varför skumbatterier inte skulle fungera i elfordon och, en dag, lagringssystem i nätskala.