211service.com
Varför vi fortfarande inte har bättre batterier
Tidigare i år, Ellen Williams, chef för ARPA-E , det amerikanska energidepartementets avancerade forskningsprogram för alternativ energi, skapade rubriker när hon berättade för väktare tidning att 'Vi har nått några heliga graler i batterier.
Trots mycket lovande resultat från de drygt 75 forskningsprojekten om energilagring som ARPA-E finansierar, är dock gralen av kompakt, billig energilagring fortfarande svårfångad.
Ett antal nystartade företag är närmare att producera enheter som är ekonomiska, säkra, kompakta och energitäta nog att lagra energi till en kostnad av mindre än 100 dollar per kilowattimme. Energilagring till det priset skulle ha en galvanisk effekt, övervinna problemet med att driva ett 24/7-nät med förnybar energi som bara är tillgänglig när vinden blåser eller solen skiner, och göra elfordon lättare och billigare.
Illustration av Federico Jordan
Men dessa batterier kommersialiseras inte i någonstans i närheten av den takt som behövs för att påskynda övergången från fossila bränslen till förnybara energikällor. Till och med Teslas vd Elon Musk, som knappast underspelar löftet om ny teknik, har tvingats erkänna att elbilstillverkaren för närvarande är engagerad i en gradvis förbättring av sina befintliga litiumjonbatterier, inte en stor framsteg.
Faktum är att många forskare tror att energilagring kommer att behöva ta en helt ny kemi och ny fysisk form, bortom de litiumjonbatterier som under det senaste decenniet har stött undan konkurrerande teknologier inom hemelektronik, elfordon och lagringssystem i nätskala. . I maj höll DOE ett symposium med titeln Beyond Litium-Ion. Det faktum att det var den nionde årliga upplagan av evenemanget underströk de tekniska utmaningarna med att ta det steget.
Qichao Hu, grundaren av SolidEnergy Systems, har utvecklat ett litiummetallbatteri (som har en metallanod, snarare än grafitmaterialet som används för anoden i traditionella litiumjonbatterier) som erbjuder dramatiskt förbättrad energitäthet jämfört med dagens enheter (se Bättre litiumbatterier för att få ett testflyg). Den decennielånga processen med att utveckla det nya systemet lyfte fram ett av de största hindren i batteriutvecklingen: När det gäller att gå från en idé till en produkt, säger Hu, är det svårt för batterier, för när du förbättrar en aspekt kompromissar du med andra aspekter .
Till detta kommer det faktum att energilagringsforskning har ett mångfaldsproblem: det finns så många teknologier, från skumbatterier till flödesbatterier till exotiska kemier, att ingen tydlig vinnare lockar det mesta av finansieringen och forskningsaktiviteten.
Enligt en nyligen genomförd analys av mer än 4 miljarder dollar i investeringar i energilagring av Lux Research, nystartade företag som utvecklar nästa generations batterier – det vill säga bortom litiumjon – fick i genomsnitt bara 40 miljoner dollar i finansiering under åtta år. Teslas investering i sin Gigafactory, som kommer att producera litiumjonbatterier, kommer att uppgå till cirka 5 miljarder dollar. Det enorma investeringsgapet är svårt att övervinna.
Det kommer att kosta dig 500 miljoner dollar att sätta upp en liten tillverkningslinje och göra alla detaljer du behöver göra för att göra produkten, säger Gerd Ceder, professor i materialvetenskap vid University of California, Berkeley, som leder en forskargrupp undersöker ny batterikemi. Biltillverkare, påpekar han, kan testa nya batterisystem i flera år innan de fattar ett köpbeslut. Det är svårt att investera 500 miljoner dollar i tillverkning när ditt företag har 5 miljoner dollar i finansiering per år.
Även om nya batteritillverkare lyckas få ut nya teknologier på marknaden, står de inför en farlig period av att öka produktionen och hitta köpare. Både Leyden Energy och A123 Systems misslyckades efter att ha utvecklat lovande nya system, eftersom deras kontantbehov ökade och efterfrågan inte motsvarade förväntningarna. Två andra startups, Seeo och Sakti3, förvärvades innan de nådde massproduktion och betydande intäkter, för priser under vad deras tidiga investerare förmodligen förväntade sig.
Samtidigt är de tre stora batteritillverkarna, Samsung, LG och Panasonic, mindre intresserade av ny kemi och radikala avsteg inom batteriteknologi än de är av gradvisa förbättringar av sina befintliga produkter. Och innovativa batteristarter står inför ett stort problem som de inte gillar att nämna: litiumjonbatterier, som först utvecklades i slutet av 1970-talet, blir hela tiden bättre.