In den letzten Jahren haben wir oft gehört, dass fast - und die Menschheit Batterien erhalten wird, die unsere Geräte für Wochen oder sogar Monate mit Strom versorgen können, während sie sehr kompakt und schnell aufladbar sind. Aber die Dinge sind immer noch da. Warum noch nicht effizientere Batterien erschienen sind und welche Entwicklungen es auf der Welt gibt, lesen Sie unter der Katze.
Heutzutage stehen einige Startups kurz davor, sichere Kompaktbatterien mit Energiespeicherkosten von etwa 100 USD pro kWh herzustellen. Dies würde das Problem der Stromversorgung rund um die Uhr lösen und in vielen Fällen auf erneuerbare Energiequellen umstellen und gleichzeitig das Gewicht und die Kosten von Elektrofahrzeugen senken.
All diese Entwicklungen nähern sich jedoch sehr langsam dem kommerziellen Niveau, was den Übergang von Mineralien zu erneuerbaren Quellen nicht beschleunigen kann. Sogar Elon Musk, der mutige Versprechen liebt, musste zugeben, dass seine Automobilsparte Lithium-Ionen-Batterien schrittweise verbessert, anstatt bahnbrechende Technologien zu entwickeln.
Viele Entwickler glauben, dass zukünftige Batterien eine völlig andere Form, Struktur und chemische Zusammensetzung haben werden als Lithium-Ionen-Batterien, die im letzten Jahrzehnt andere Technologien aus vielen Märkten ersetzt haben.
Der Gründer von SolidEnergy Systems, Qichao Hu, der seit zehn Jahren eine Lithium-Metall-Batterie entwickelt (eine Metallanode anstelle einer Graphit-Anode wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen), sagt, das Hauptproblem bei der Schaffung neuer Energiespeichertechnologien sei , dass sich mit der Verbesserung eines Parameters die anderen verschlechtern. Darüber hinaus gibt es heute so viele Entwicklungen, deren Autoren lautstark ihre Überlegenheit behaupten, dass es für Startups sehr schwierig ist, potenzielle Investoren zu überzeugen und genügend Mittel für die weitere Forschung zu gewinnen.
Laut einem
Bericht von Lux Research hat das Unternehmen in den letzten 8 bis 9 Jahren rund 4 Milliarden US-Dollar in die Energiespeicherforschung investiert, von denen durchschnittlich 40 Millionen US-Dollar von Start-ups verdient wurden, die Technologien der nächsten Generation entwickeln. Gleichzeitig investierte Tesla rund 5 Milliarden US-Dollar in Gigafactory, das Lithium-Ionen-Batterien herstellt. Eine solche Lücke ist sehr schwer zu schließen.
Laut Gerd Ceder, Professor für Materialwissenschaften an der University of California in Berkeley, beläuft sich die Schaffung einer kleinen Produktionslinie und die Lösung aller Produktionsprobleme, um die Batterien herauszuholen, auf etwa 500 Millionen US-Dollar. Autohersteller können neue Batterietechnologien jahrelang testen, bevor sie entscheiden, ob sie die Startups kaufen, die sie erstellt haben. Selbst wenn eine neue Technologie auf den Markt kommt, ist es notwendig, die gefährliche Zeit der Volumensteigerung und Kundenfindung zu überwinden. Zum Beispiel scheiterten Leyden Energy und A123 Systems trotz der Aussichten für ihre Produkte, weil der finanzielle Bedarf höher als berechnet war und die Nachfrage nicht den Erwartungen entsprach. Zwei weitere Startups, Seeo und Sakti3, erreichten kein Massenproduktionsvolumen und kein signifikantes Einkommen und wurden für viel geringere Beträge gekauft, als die Hauptinvestoren erwartet hatten.
Gleichzeitig sind die drei weltweit größten Batteriehersteller - Samsung, LG und Panasonic - nicht allzu sehr an Innovationen und radikalen Veränderungen interessiert, sondern ziehen es vor, ihre Produkte leicht zu verbessern. Alle Startups, die bahnbrechende Technologien anbieten, stehen daher vor einem großen Problem, das sie lieber nicht erwähnen: Die Ende der 1970er Jahre entwickelten Lithium-Ionen-Batterien verbessern sich weiter.
Aber dennoch - welche Technologien können die allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien ersetzen?
Wiederaufladbare Li-Air-Batterien
In Lithium-Luft-Batterien wird Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Möglicherweise sind sie um ein Vielfaches billiger und leichter als Lithium-Ionen-Batterien, und ihre Kapazität kann bei vergleichbaren Größen viel größer sein. Die Hauptprobleme der Technologie: erheblicher Energieverlust durch Wärmeableitung während des Ladevorgangs (bis zu 30%) und relativ schnelle Verschlechterung der Kapazität. Es besteht jedoch die Hoffnung, dass diese Probleme innerhalb von 5-10 Jahren gelöst werden können. Zum Beispiel wurde im vergangenen Jahr eine neue Art von Lithium-Luft-Technologie eingeführt - eine
Batterie mit einer nanolytischen Kathode .
Bioo Ladegerät
Dieses Gerät hat die Form eines
speziellen Topfes für Pflanzen , der die Energie der Photosynthese zum Laden mobiler Geräte nutzt. Darüber hinaus steht es bereits zum Verkauf. Das Gerät kann zwei bis drei Ladesitzungen pro Tag mit einer Spannung von 3,5 V und einem Strom von 0,5 A bereitstellen. Organische Materialien im Topf interagieren mit Wasser und Photosynthesereaktionsprodukten, wodurch genügend Energie zum Laden von Smartphones und Tablets entsteht.
Stellen Sie sich ganze Haine vor, in denen jeder Baum über einem solchen Gerät gepflanzt wird, nur größer und mächtiger. Dies ermöglicht die Versorgung der umliegenden Häuser mit „freier“ Energie und ist ein guter Grund, die Wälder vor Entwaldung zu schützen.
Gold-Nanodrahtbatterien
An der University of California in Irvine
wurden Nanodrahtbatterien entwickelt , die drei Monate lang mehr als 200.000 Ladezyklen ohne Anzeichen einer Kapazitätsverschlechterung standhalten können. Dies wird den Lebenszyklus von Stromversorgungssystemen in unternehmenskritischen Systemen und in der Unterhaltungselektronik erheblich verlängern.
Nanoleiter, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind, versprechen eine bessere Zukunft. In ihrer Entwicklung verwendeten Wissenschaftler Golddrähte in einer Hülle aus Mangandioxid, die in einen gelartigen Elektrolyten eingebracht wurden. Dies verhindert die Zerstörung von Nanoleitern während jedes Ladezyklus.
Magnesiumbatterien
Toyota arbeitet an der
Verwendung von Magnesium in Batterien . Auf diese Weise können Sie kleine, dicht gepackte Module erstellen, für die keine Schutzgehäuse erforderlich sind. Auf lange Sicht können solche Batterien billiger und kompakter sein als Lithium-Ionen-Batterien. Das wird zwar nicht bald passieren. Wenn es passiert.
Festkörperbatterien
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen brennbaren Elektrolyten als Medium zum Übertragen geladener Teilchen zwischen den Elektroden, was allmählich zu einer Verschlechterung der Batterie führt.
Festkörper- Lithium-Ionen-Batterien, die heute als eine der vielversprechendsten gelten, sind von diesem Nachteil ausgeschlossen. Insbesondere veröffentlichten Toyota-Entwickler
ein wissenschaftliches Papier, in dem sie ihre Experimente mit superionischen Sulfidleitern beschrieben. Wenn sie erfolgreich sind, werden die Batterien auf der Ebene von Superkondensatoren erzeugt - sie werden in nur sieben Minuten vollständig geladen oder entladen. Ideal für Elektrofahrzeuge. Und dank der Festkörperstruktur sind solche Batterien viel stabiler und sicherer als moderne Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Betriebstemperaturbereich wird sich ebenfalls erweitern - von –30 bis +100 Grad Celsius.
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben in Zusammenarbeit mit Samsung auch
Festkörperbatterien entwickelt , die in ihren Eigenschaften moderne Lithium-Ionen-
Batterien übertreffen. Sie sind sicherer, der Energieverbrauch ist 20 bis 30% höher und außerdem können sie Hunderttausenden von Ladezyklen standhalten. Ja und keine Brandgefahr.
Brennstoffzellen
Die Verbesserung von Brennstoffzellen kann dazu führen, dass wir Smartphones einmal pro Woche aufladen und Drohnen länger als eine Stunde fliegen. Wissenschaftler der Pohang Universität für Wissenschaft und Technologie (Südkorea)
haben eine Zelle geschaffen, in der poröse Edelstahlelemente mit einem Dünnschichtelektrolyten und Elektroden mit minimaler Wärmekapazität kombiniert wurden. Das Design erwies sich als zuverlässiger als Lithium-Ionen-Batterien und hält länger. Es ist möglich, dass die Entwicklung in kommerziellen Produkten implementiert wird, hauptsächlich in Samsung-Smartphones.
Graphen-Autobatterien
Viele Experten glauben, dass die Zukunft bei Graphenbatterien liegt.
Graphenano hat die
Grabat- Batterie entwickelt, die eine elektrische Reichweite von bis zu 800 km bieten kann. Die Entwickler behaupten, dass der Akku in nur wenigen Minuten aufgeladen wird - die Lade- / Entladegeschwindigkeit ist 33-mal höher als die von Lithium-Ionen. Eine schnelle Entladung ist besonders wichtig, um eine hohe Beschleunigungsdynamik von Elektrofahrzeugen zu gewährleisten.
Die Kapazität des 2,3-Volt-Grabat ist riesig: ca. 1000 Wh / kg. Zum Vergleich: Die besten Proben von Lithium-Ionen-Batterien haben einen Wert von 180 Wh / kg.
Mit einem Laser hergestellte Mikrosuperkondensatoren
Wissenschaftler der Rice University haben
Fortschritte bei der Entwicklung von Mikrosuperkondensatoren erzielt . Einer der Hauptnachteile der Technologie sind die hohen Herstellungskosten, aber die Verwendung eines Lasers kann zu einer erheblichen Preissenkung führen. Die Elektroden für Kondensatoren werden aus einer Kunststoffplatte lasergeschnitten, was die Komplexität der Produktion erheblich reduziert. Solche Batterien können bis zu 50-mal schneller als Lithium-Ionen-Batterien geladen und schneller entladen werden als die heute verwendeten Superkondensatoren. Darüber hinaus sind sie zuverlässig, während der Experimente arbeiteten sie auch nach zehntausend Biegungen weiter.
Natriumionenbatterien
Eine Gruppe französischer Forscher und RS2E-Unternehmen hat
Natriumionenbatterien für Laptops entwickelt, die normales Salz verwenden. Das Funktionsprinzip und der Herstellungsprozess werden geheim gehalten. Die Kapazität des 6,5-cm-Akkus beträgt 90 Wh / kg, was mit der Lithium-Ionen-Masse vergleichbar ist, jedoch nicht mehr als zweitausend Ladezyklen standhält.
Schaumbatterien
Ein weiterer Trend bei der Entwicklung von Energiespeichertechnologien ist die Schaffung dreidimensionaler Strukturen. Insbesondere hat Prieto eine Batterie entwickelt, die auf einem
Substrat aus Schaummetall (Kupfer) basiert. Es gibt keinen brennbaren Elektrolyten, eine solche Batterie hat eine lange Ressource, sie lädt sich schneller auf, ihre Dichte ist fünfmal höher und sie ist auch billiger und weniger als moderne Batterien. Prieto hofft, seine Entwicklung zunächst in der tragbaren Elektronik vorstellen zu können, argumentiert jedoch, dass die Technologie weiter verbreitet werden kann: Einsatz in Smartphones und sogar in Autos.
Hochleistungsfähiges, schnell aufladbares "Nano-Eigelb"
Eine weitere Entwicklung des Massachusetts Institute of Technology sind
Nanopartikel für Batterien : eine hohle Hülle aus Titandioxid, in der sich (wie ein Eigelb in einem Ei) ein Füllstoff aus Aluminiumpulver, Schwefelsäure und Titanoxysulfat befindet. Die Abmessungen des Füllstoffs können unabhängig von der Schale variieren. Die Verwendung solcher Partikel ermöglichte eine Verdreifachung der Kapazität moderner Batterien, und die Dauer einer vollständigen Ladung verringerte sich auf sechs Minuten. Auch die Verschlechterungsrate der Batterie hat abgenommen. Kirsche auf dem Kuchen - niedrige Produktionskosten und einfache Skalierung.
Ultraschneller Aluminiumionenakku
In Stanford entwickelten sie einen
Aluminiumionen-Akku , der sich in etwa einer Minute vollständig auflädt. Gleichzeitig hat der Akku selbst eine gewisse Flexibilität. Das Hauptproblem ist, dass die spezifische Kapazität ungefähr halb so groß ist wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Obwohl dies angesichts der Ladegeschwindigkeit nicht so kritisch ist.
Alfa Batterie - zwei Wochen auf dem Wasser
Wenn es Fuji Pigment gelingt, an seine Alfa-Batterie mit
Aluminium-Luft-Batterie zu erinnern, warten wir auf die Entstehung von Energieträgern, deren Kapazität das 40-fache der Kapazität von Lithium-Ionen beträgt. Darüber hinaus wird der Akku durch
Zugabe von
normalem oder gesalzenem
Wasser aufgeladen. Laut den Entwicklern kann Alfa bis zu zwei Wochen lang an einer einzigen Ladung arbeiten. Vielleicht erscheinen solche Batterien zuerst bei Elektrofahrzeugen. Stellen Sie sich eine Tankstelle vor, die Sie nach Wasser rufen.
Biegbare Batterien wie Papier
Jenax hat einen flexiblen
J.Flex- Akku entwickelt, der
schwerem Papier ähnelt. Es kann sogar gefaltet werden. Darüber hinaus hat er keine Angst vor Wasser und ist daher sehr praktisch für die Verwendung in Kleidung. Oder stellen Sie sich eine Armbanduhr mit einer Batterie in Form eines Armbands vor. Mit dieser Technologie können Sie die Größe der Geräte selbst reduzieren und die tragbare Energiemenge erhöhen. Ein weiteres Szenario ist die Schaffung flexibler faltbarer Smartphones und Tablets. Benötigen Sie einen größeren Bildschirm? Erweitern Sie einfach das Gerät in zwei Hälften gefaltet.
Laut den Entwicklern hält das Testmuster 200.000 Faltungen ohne Kapazitätsverlust stand.
Elastische Batterien
Flexible Unternehmen arbeiten an der Schaffung flexibler Energieträger. Ein Team von Wissenschaftlern der Arizona State University ging noch einen Schritt weiter und schuf mit Hilfe eines speziellen mechanischen Designs eine Batterie
in Form eines Gummibandes . Es ist möglich, dass die Idee entwickelt wird und es ermöglicht, Batterien in Kleidung zu bauen.
Harnbatterie
2013 investierte die Bill Gates Foundation in die Fortsetzung der Forschung am Bristol Robotic Laboratory zur Herstellung von
Batterien, die mit Urin arbeiten . Der ganze Trick ist die Verwendung von "mikrobiellen Brennstoffzellen": Sie enthalten Mikroorganismen, die Urin abbauen und Elektrizität produzieren. Wer weiß, vielleicht ist es nicht nur eine Notwendigkeit, bald auf die Toilette zu gehen, sondern auch buchstäblich eine nützliche Aktivität.
Ryden - Schnellladende Kohlenstoffbatterien
2014 kündigte
Power Japan Plus Pläne zur Herstellung von Batterien auf Kohlenstoffbasis an. Sie könnten mit derselben Ausrüstung wie Lithium-Ionen hergestellt werden. Kohlebatterien sollten länger halten und 20-mal schneller aufgeladen werden als Lithium-Ionen-Batterien. Eine Ressource von dreitausend Ladezyklen wurde deklariert.
Bio-Batterie, fast nichts
In Harvard wurde eine
organische Batterietechnologie mit Produktionskosten von 27 USD pro kWh entwickelt. Dies ist 96% billiger als Batterien auf Metallbasis (ca. 700 USD pro kWh). Die Erfindung verwendet Chinonmoleküle, die fast identisch mit denen sind, die in Rhabarber enthalten sind. In Bezug auf die Effizienz sind organische Batterien herkömmlichen Batterien nicht unterlegen und können problemlos auf große Größen skaliert werden.
Fügen Sie einfach Sand hinzu
Diese Technologie ist eine
Modernisierung von Lithium-Ionen-Batterien . Anstelle von Graphitanoden verwendete die University of California in Riverside eine verbrannte Mischung aus raffiniertem und zerkleinertem Sand (lesen Sie Quarz) mit Salz und Magnesium. Dies ermöglichte es, die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen und ihre Batterielebensdauer ungefähr zu verdreifachen.
Schnellladung und lange Lebensdauer
An der Nanyang Technological University (Singapur) entwickelten sie
eine eigene Modifikation einer Lithium-Ionen-Batterie , die sich in zwei Minuten zu 70% auflädt und zehnmal länger hält als herkömmliche
Lithium-Ionen-Batterien . Darin besteht die Anode nicht aus Graphit, sondern aus einer gelartigen Substanz auf Basis von Titandioxid - einem billigen und weit verbreiteten Rohstoff.
Nanoporenbatterien
An der University of Maryland im College Park haben sie eine
nanoporöse Struktur geschaffen , von der jede Zelle wie eine winzige Batterie funktioniert. Ein solches Array wird 12 Minuten lang aufgeladen, was der dreifachen Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus derselben Größe entspricht und etwa 1000 Ladezyklen standhält.
Stromerzeugung
Hautenergie
Hier geht es nicht so sehr um die Batterien, sondern darum, wie man Energie gewinnt. Theoretisch können Sie mit der Reibungsenergie eines tragbaren Geräts (Uhr, Fitness-Tracker) auf der Haut Strom erzeugen. Wenn die Technologie ausreichend verbessert werden kann, funktionieren die Batterien in Zukunft in einigen Geräten einfach, weil Sie sie am Körper tragen.
Der Prototyp eines solchen Nanogenerators ist ein 50 Nanometer dicker Goldfilm, der auf einem Silikonsubstrat abgeschieden wird, das Tausende winziger Beine enthält, die die Reibung des Substrats auf der Haut erhöhen. Das Ergebnis ist ein
triboelektrischer Effekt .
uBeam - Aufladen auf dem Luftweg
uBeam ist ein merkwürdiges Konzept zur Übertragung von Energie auf ein mobiles Gerät mithilfe von Ultraschall. Das Ladegerät sendet Ultraschallwellen aus, die vom Empfänger am Gerät aufgenommen und in Elektrizität umgewandelt werden. Offensichtlich ist der piezoelektrische Effekt der Eckpfeiler der Erfindung: Der Empfänger schwingt unter dem Einfluss von Ultraschall mit und seine Schwingungen erzeugen Energie.
Ein ähnlicher Weg ging an Wissenschaftler der Queen Mary der University of London. Sie entwickelten einen Prototyp eines Smartphones, der sich
einfach aufgrund von Außengeräuschen auflädt
, auch aufgrund der Stimmen der Menschen.
Storedot
Das
StoreDot-Ladegerät wurde von einem Startup entwickelt, das auf der Basis der Universität Tel Aviv erschien. Die Laborprobe konnte den Samsung Galaxy 4-Akku in 30 Sekunden aufladen. Es wird berichtet, dass die Vorrichtung auf organischen Halbleitern aus Peptiden basiert. Ende 2017 soll ein Taschenakku in den Handel kommen, mit dem Smartphones in fünf Minuten aufgeladen werden können.
Transparentes Solarpanel
Alcatel hat einen Prototyp eines transparenten Solarpanels entwickelt, das oben auf dem Bildschirm platziert wird, damit das Telefon einfach durch Einlegen in die Sonne aufgeladen werden kann. Natürlich ist das Konzept hinsichtlich Betrachtungswinkel und Ladeleistung nicht ideal. Aber die Idee ist wunderschön.
Ein Jahr später, im Jahr 2014,
kündigte Tag Heuer
eine neue Version seines Pontontelefons Tag Heuer Meridiist Infinite an, bei der ein transparentes Solarpanel zwischen dem Außenglas und dem Display selbst verlegt werden sollte. Es ist zwar nicht klar, ob es um die Produktion ging.