Nos últimos anos, ouvimos muitas vezes que - e a humanidade receberá baterias que poderão alimentar nossos aparelhos por semanas ou até meses, ao mesmo tempo em que são muito compactas e carregam rapidamente. Mas as coisas ainda estão lá. Por que ainda não apareceram baterias mais eficientes e que tipo de desenvolvimento existe no mundo, leia abaixo.
Hoje, várias startups estão perto de criar baterias compactas seguras com um custo de armazenamento de energia de cerca de US $ 100 por kWh. Isso resolveria o problema da fonte de alimentação 24 horas por dia, 7 dias por semana e, em muitos casos, mudaria para fontes de energia renováveis e, ao mesmo tempo, reduziria o peso e o custo dos veículos elétricos.
Mas todos esses desenvolvimentos estão se aproximando muito lentamente do nível comercial, o que não permite acelerar a transição de minerais para fontes renováveis. Até Elon Musk, que adora promessas ousadas, foi forçado a admitir que sua divisão automotiva está melhorando gradualmente as baterias de íon-lítio, em vez de criar tecnologias inovadoras.
Muitos desenvolvedores acreditam que as baterias futuras terão uma forma, estrutura e composição química completamente diferentes em comparação ao íon-lítio, que na última década substituiu outras tecnologias de muitos mercados.
O fundador da SolidEnergy Systems, Qichao Hu, que desenvolve uma bateria de metal de lítio há dez anos (um ânodo de metal em vez de grafite, como no íon de lítio tradicional), diz que o principal problema da criação de novas tecnologias de armazenamento de energia é , que com a melhoria de qualquer parâmetro, os outros pioram. Além disso, existem tantos desenvolvimentos hoje em dia, cujos autores reivindicam sua superioridade em voz alta, que é muito difícil para as startups convencer potenciais investidores e atrair fundos suficientes para continuar a pesquisa.
De acordo com um
relatório da Lux Research , nos últimos 8 a 9 anos, a empresa investiu cerca de US $ 4 bilhões em pesquisa de armazenamento de energia, dos quais US $ 40 milhões foram ganhos em média por startups que criam "tecnologias de próxima geração". Ao mesmo tempo, a Tesla investiu cerca de US $ 5 bilhões na Gigafactory, que atua na produção de baterias de íons de lítio. É muito difícil preencher essa lacuna.
Segundo Gerd Ceder, professor de ciência dos materiais da Universidade da Califórnia em Berkeley, a criação de uma pequena linha de produção e a solução de todos os problemas de produção para descarregar as baterias são de cerca de US $ 500 milhões. As montadoras podem testar novas tecnologias de bateria por anos antes de decidir comprar as startups que as criaram. Mesmo que uma nova tecnologia entre no mercado, é necessário superar o período perigoso de aumentar volumes e encontrar clientes. Por exemplo, a Leyden Energy e a A123 Systems falharam, apesar da promessa de seus produtos, porque as necessidades financeiras foram maiores que as estimadas e a demanda não correspondeu às expectativas. Duas outras startups, Seeo e Sakti3, não conseguiram atingir volumes de produção em massa e um nível significativo de renda e foram compradas por quantias muito menores do que os principais investidores esperavam.
Ao mesmo tempo, os três principais fabricantes mundiais de baterias - Samsung, LG e Panasonic - não estão muito interessados em inovações e mudanças radicais, preferem melhorar levemente seus produtos. Portanto, todas as startups que oferecem tecnologias inovadoras enfrentam um grande problema que preferem não mencionar: as baterias de íon-lítio desenvolvidas no final da década de 1970 continuam melhorando.
Mas ainda assim - que tecnologias podem substituir as onipresentes baterias de íons de lítio?
Baterias Li-Air recarregáveis
Nas baterias de lítio-ar, o oxigênio é usado como um agente oxidante. Potencialmente, elas podem ser muitas vezes mais baratas e mais leves que as baterias de íon-lítio, e sua capacidade pode ser muito maior com tamanhos comparáveis. Os principais problemas da tecnologia: perda significativa de energia devido à dissipação térmica durante o carregamento (até 30%) e degradação relativamente rápida da capacitância. Mas há esperança de que dentro de 5 a 10 anos esses problemas possam ser resolvidos. Por exemplo, no ano passado, um novo tipo de tecnologia de lítio-ar foi introduzido - uma
bateria com um cátodo nanolítico .
Carregador Bioo
Este dispositivo tem a forma de um
vaso especial para plantas que usa a energia da fotossíntese para carregar aparelhos móveis. Além disso, já está disponível para venda. O dispositivo pode fornecer duas a três sessões de carregamento por dia com uma voltagem de 3,5 V e uma corrente de 0,5 A. Os materiais orgânicos na panela interagem com os produtos de reação à água e à fotossíntese, resultando em energia suficiente para carregar smartphones e tablets.
Imagine bosques inteiros nos quais cada árvore é plantada sobre esse dispositivo, apenas maior e mais poderoso. Isso permitirá o fornecimento de energia “gratuita” às casas vizinhas e será uma boa razão para proteger as florestas do desmatamento.
Baterias de nanofios de ouro
Na Universidade da Califórnia, Irvine
, foram
desenvolvidas baterias de nanofios que podem suportar mais de 200 mil ciclos de carga por três meses sem nenhum sinal de degradação da capacidade. Isso aumentará bastante o ciclo de vida dos sistemas de energia em sistemas de missão crítica e eletrônicos de consumo.
Nanocondutores milhares de vezes mais finos que um cabelo humano prometem um futuro melhor. Em seu desenvolvimento, os cientistas usaram fios de ouro em uma concha de dióxido de manganês, que são colocados em um eletrólito semelhante a gel. Isso evita a destruição de nanocondutores durante cada ciclo de carga.
Baterias de magnésio
A Toyota está trabalhando no
uso de magnésio nas baterias . Isso permitirá que você crie módulos pequenos e bem compactados que não precisam de gabinetes de proteção. A longo prazo, essas baterias podem ser mais baratas e mais compactas que as de íons de lítio. É verdade que isso não acontecerá em breve. Se isso acontecer.
Baterias de estado sólido
As baterias convencionais de íons de lítio usam um eletrólito inflamável líquido como meio para transferir partículas carregadas entre os eletrodos, levando gradualmente à degradação da bateria.
As baterias de íon-lítio de
estado sólido , que hoje são consideradas uma das mais promissoras, são privadas dessa desvantagem. Em particular, os desenvolvedores da Toyota
publicaram um artigo científico no qual descreveram seus experimentos com condutores superiônicos de sulfeto. Se tiverem sucesso, as baterias serão criadas no nível dos supercapacitores - elas serão carregadas ou descarregadas completamente em apenas sete minutos. Ideal para veículos elétricos. E, graças à estrutura de estado sólido, essas baterias serão muito mais estáveis e mais seguras que as modernas de íons de lítio. A faixa de temperatura operacional também se expandirá - de –30 a +100 graus Celsius.
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em colaboração com a Samsung, também
desenvolveram baterias de estado sólido que superam as modernas baterias de íon de
lítio em suas características. Eles são mais seguros, o consumo de energia é 20 a 30% maior e, além disso, podem suportar centenas de milhares de ciclos de recarga. Sim, e não há risco de incêndio.
Células a combustível
Melhorar as células de combustível pode levar ao fato de cobrarmos smartphones uma vez por semana, e os drones voarão por mais de uma hora. Cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (Coréia do Sul)
criaram uma célula na qual elementos porosos de aço inoxidável foram combinados com um eletrólito de filme fino e eletrodos com capacidade térmica mínima. O design acabou sendo mais confiável que as baterias de íon-lítio e dura mais tempo. É possível que o desenvolvimento seja implementado em produtos comerciais, principalmente em smartphones Samsung.
Baterias de carro de grafeno
Muitos especialistas acreditam que o futuro está nas baterias de grafeno.
A Graphenano desenvolveu a bateria
Grabat , que pode fornecer um alcance elétrico de até 800 km. Os desenvolvedores afirmam que a bateria é carregada em apenas alguns minutos - a velocidade de carga / descarga é 33 vezes maior que a do íon de lítio. A descarga rápida é especialmente importante para garantir alta dinâmica de aceleração de veículos elétricos.
A capacidade do Grabat de 2,3 volts é enorme: cerca de 1000 Wh / kg. Para comparação, as melhores amostras de baterias de íon-lítio têm um nível de 180 Wh / kg.
Microsupercapacitores feitos com laser
Os cientistas da Rice University fizeram
progressos no desenvolvimento de microssupercapacitores . Uma das principais desvantagens da tecnologia é o alto custo de fabricação, mas o uso de um laser pode levar a uma redução significativa no preço. Os eletrodos dos capacitores são cortados a laser a partir de uma folha de plástico, o que reduz bastante a complexidade da produção. Essas baterias podem carregar até 50 vezes mais rápido que as baterias de íon-lítio e descarregar mais rapidamente do que os supercapacitores usados atualmente. Além disso, eles são confiáveis, durante os experimentos continuaram a trabalhar mesmo após 10 mil curvas.
Baterias de íon sódio
Um grupo de pesquisadores franceses e empresas RS2E desenvolveram baterias de
íons de sódio para laptops que usam sal comum. O princípio de operação e o processo de fabricação são mantidos em segredo. A capacidade da bateria de 6,5 cm é 90 Wh / kg, comparável à massa de íons de lítio, mas pode suportar não mais que 2 mil ciclos de carga.
Baterias de espuma
Outra tendência no desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia é a criação de estruturas tridimensionais. Em particular, a Prieto criou uma bateria baseada em um
substrato de espuma de metal (cobre). Não há eletrólito inflamável, essa bateria possui um recurso longo, carrega mais rapidamente, sua densidade é cinco vezes maior e também é mais barata e menor que as baterias modernas. Prieto espera primeiro introduzir seu desenvolvimento em eletrônicos vestíveis, mas argumenta que a tecnologia pode ser distribuída mais amplamente: uso em smartphones e até em carros.
"Nano-gema" de alta capacidade e carregamento rápido
Outro desenvolvimento do Instituto de Tecnologia de Massachusetts são as
nanopartículas para baterias : uma concha oca feita de dióxido de titânio, dentro da qual (como uma gema de um ovo) é uma carga feita de pó de alumínio, ácido sulfúrico e oxissulfato de titânio. As dimensões do material de enchimento podem variar independentemente do invólucro. O uso de tais partículas permitiu um aumento de três vezes na capacidade das baterias modernas, e a duração de uma carga completa diminuiu para seis minutos. Além disso, a taxa de degradação da bateria diminuiu. Cereja no bolo - baixo custo de produção e facilidade de dimensionamento.
Bateria ultra-rápida de íons de alumínio
Em Stanford, eles desenvolveram uma
bateria de íons de alumínio que carrega totalmente em cerca de um minuto. Ao mesmo tempo, a própria bateria possui alguma flexibilidade. O principal problema é que a capacidade específica é aproximadamente metade da capacidade das baterias de íons de lítio. Embora, dada a velocidade de carregamento, isso não seja tão crítico.
Bateria Alfa - duas semanas na água
Se a Fuji Pigment conseguir lembrar sua
bateria Alfa de
alumínio e ar , estamos aguardando o surgimento de portadores de energia, cuja capacidade é 40 vezes a capacidade do íon de lítio. Além disso, a bateria é recarregada
adicionando água pura ou salgada. Segundo os desenvolvedores, a Alfa poderá trabalhar com uma única carga por até duas semanas. Talvez primeiro essas baterias apareçam em veículos elétricos. Imagine um posto de gasolina que você pede água.
Baterias dobráveis como papel
A Jenax criou uma bateria flexível
J.Flex que se assemelha a papéis de alta gramatura. Pode até ser dobrado. Além disso, ele não tem medo de água e, portanto, é muito conveniente para usar em roupas. Ou imagine um relógio de pulso com uma bateria na forma de uma pulseira. Essa tecnologia permitirá reduzir o tamanho dos próprios dispositivos e aumentar a quantidade de energia vestível. Outro cenário é a criação de smartphones e tablets dobráveis flexíveis. Precisa de uma tela maior? Basta expandir o gadget dobrado ao meio.
Segundo os desenvolvedores, a amostra de teste suporta 200 mil dobras sem perda de capacidade.
Pilhas elásticas
Empresas flexíveis estão trabalhando na criação de transportadoras de energia flexíveis. E uma equipe de cientistas da Universidade Estadual do Arizona foi além e, com a ajuda de um projeto mecânico especial, criou uma bateria
na forma de uma fita elástica . É possível que a idéia seja desenvolvida e permita construir baterias em roupas.
Bateria urinária
Em 2013, a Fundação Bill Gates investiu na continuação da pesquisa no Laboratório Robótico de Bristol sobre a criação de
baterias que trabalham na urina . O truque é o uso de "células de combustível microbianas": elas contêm microorganismos que quebram a urina e produzem eletricidade. Quem sabe, talvez ir ao banheiro em breve não seja apenas uma necessidade, mas também literalmente uma atividade útil.
Ryden - Baterias de carbono de carregamento rápido
Em 2014, o
Power Japan Plus anunciou planos para a produção de baterias baseadas em materiais de carbono. Eles podem ser produzidos no mesmo equipamento que o íon de lítio. As baterias de carbono devem durar mais tempo e carregar 20 vezes mais rápido que as baterias de íon-lítio. Foi declarado um recurso de 3 mil ciclos de cobrança.
Bateria orgânica, quase nada
Em Harvard,
a tecnologia de baterias orgânicas foi criada
com um custo de produção de US $ 27 por kWh. Isso é 96% mais barato que as baterias de metal (cerca de US $ 700 por kWh). A invenção utiliza moléculas de quinona que são quase idênticas às contidas no ruibarbo. Em termos de eficiência, as baterias orgânicas não são inferiores às tradicionais e podem ser dimensionadas para tamanhos enormes sem problemas.
Basta adicionar areia
Essa tecnologia é uma
modernização das baterias de íon-lítio . Em vez de ânodos de grafite, a Universidade da Califórnia em Riverside utilizou uma mistura queimada de areia refinada e triturada (quartzo lido) com sal e magnésio. Isso permitiu aumentar o desempenho das baterias convencionais de íons de lítio e aproximadamente triplicar sua vida útil.
Carga rápida e vida útil longa
Na Universidade Tecnológica de Nanyang (Cingapura), eles
desenvolveram sua própria modificação de uma bateria de íon de lítio , que cobra 70% em dois minutos e dura 10 vezes mais que as
baterias de íon de lítio convencionais. Nele, o ânodo é feito não de grafite, mas de uma substância semelhante a gel à base de dióxido de titânio - uma matéria-prima barata e difundida.
Baterias nanopore
Na Universidade de Maryland, em College Park, eles criaram uma
estrutura nanoporosa , cada célula da qual funciona como uma pequena bateria. Essa matriz é carregada por 12 minutos, três vezes a capacidade de uma bateria de íons de lítio do mesmo tamanho e pode suportar cerca de mil ciclos de carga.
Geração de eletricidade
Energia da pele
Não se trata tanto das baterias, mas da maneira de obter energia. Teoricamente, usando a energia de atrito de um dispositivo vestível (relógio, rastreador de fitness) na pele, você pode gerar eletricidade. Se a tecnologia puder ser suficientemente aprimorada, no futuro, em alguns aparelhos, as baterias funcionarão simplesmente porque você as usa no corpo.
O protótipo desse nanogerador é um filme de ouro com 50 nanômetros de espessura, depositado em um substrato de silicone contendo milhares de pernas minúsculas que aumentam o atrito do substrato contra a pele. O resultado é um
efeito triboelétrico .
uBeam - carregamento por via aérea
O uBeam é um conceito curioso de transferência de energia para um dispositivo móvel usando ultrassom. O carregador emite ondas ultrassônicas que são captadas pelo receptor no gadget e convertidas em eletricidade. Aparentemente, o efeito piezoelétrico é a pedra angular da invenção: o receptor ressoa sob a influência do ultrassom e suas oscilações geram energia.
Um caminho semelhante foi para cientistas da rainha Mary da Universidade de Londres. Eles criaram um protótipo de smartphone que cobra
apenas devido ao ruído externo , inclusive da voz das pessoas.
Storedot
O
carregador StoreDot foi desenvolvido por uma startup que surgiu com base na Universidade de Tel Aviv. A amostra do laboratório conseguiu carregar a bateria do Samsung Galaxy 4 em 30 segundos. É relatado que o dispositivo é baseado em semicondutores orgânicos feitos a partir de peptídeos. No final de 2017, uma bateria de bolso deve estar à venda, capaz de carregar smartphones em cinco minutos.
Painel solar transparente
A Alcatel desenvolveu um protótipo de painel solar transparente que é colocado na parte superior da tela para que o telefone possa ser recarregado simplesmente colocando-o ao sol. Obviamente, o conceito não é ideal em termos de ângulos de visão e potência de carregamento. Mas a ideia é linda.
Um ano depois, em 2014, a Tag Heuer
anunciou uma nova versão do seu telefone
pontão Tag Heuer Meridiist Infinite, em que um painel solar transparente deveria ser colocado entre o vidro externo e a própria tela. É verdade que não está claro se chegou à produção.