De bedre batterier, der vil drive din telefon – og en grøn fremtid

Det er et svært valg:Gå sulten eller gå alene.

Når soldater tynges på slagmarken af ​​fødevareforsyninger og de tunge batteripakker, der driver deres kommunikationsudstyr, de vælger ofte at droppe rationerne. Det er et offer, der er gjort for at holde enheder tændt og kommunikationslinjer åbne i marken.

Mindre, længerevarende batterier ville hjælpe med at lette en soldats byrde, så USC-forskere arbejder sammen med det amerikanske forsvarsministerium om at udvikle bedre batterier, der vejer halvt så meget som nuværende strømpakker.

Batteriteknologien har indflydelse ud over militæret, også, da batterier driver alt fra mobiltelefoner til biler. Efterhånden som verdens energibehov vokser, USC-forskere tager et nyt blik på en batteridrevet fremtid. Innovative batterier kan hjælpe os med at lagre vedvarende energi i storskala energinet til at betjene hele byer, mindske vores afhængighed af fossile brændstoffer. På samme tid, videnskabsmænd har afsløret nye kilder til denne energi.

Kapløbet er i gang for at drive en ny batterirevolution.

Nye materialer til mere effektiv, Renere batterier

Der findes mange slags genopladelige batterier, men blandt de mest allestedsnærværende er dem i vores mobiltelefoner og computere:lithium-ion-batterier. Disse enheder kan lagre dobbelt energi i volumen som nikkel-metalhydridvarianter, og de er generelt lettere, også. Men de er også kendt for deres tendens til at varme op (og beklagede sig over at dø på de mest ubelejlige tidspunkter). Over tid, de nedbrydes og mister deres evne til at holde en elektrisk ladning. Eksperter siger, at på trods af deres popularitet, deres dage kan være talte.

"Et af de største problemer med lithium-ion-batterier er, at lithium ikke er et rigeligt materiale, så det er bare ikke bæredygtigt" siger Sri Narayan, professor i kemi ved USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences og en videnskabelig meddirektør ved USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Faktisk, hvis du ser ind i en fjern fremtid, vi kan løbe tør for lithium, hvis vi fortsætter med at forbruge det i den nuværende hastighed. Vi har brug for alternative materialer, der pakker mere energi i samme volumen uden meget lithium."

Narayan mener, at et levedygtigt alternativ ligger i svovl, en rigelig og billig naturressource. Ved at tilføje en unik ledningsmembran til et lithium-svovl batteri, han skabte et batteri, der producerer tre gange så meget energi for sin størrelse end nuværende lithium-ion-teknologier. Fordi disse batterier ville være mindre og bedre til at opbevare elektrisk ladning end lithium-ion-batterier, de ville være ideelle, når mere energi skal pakkes ind i en lille enhed. Ifølge Narayan, de kunne bruges i mobiltelefoner, computere og i sidste ende elektriske køretøjer, inklusive biler og endda fly.

Det banebrydende potentiale i hans arbejde fangede det amerikanske forsvarsministeriums opmærksomhed, som har finansieret Narayans forskning for at udvikle et lettere batteri til soldater på slagmarken.

Chongwu Zhou, professor i elektroteknik ved USC Viterbi School of Engineering, har vendt sig til en anden naturressource for at forbedre mobiltelefonens batterier. Hans design bruger natrium - et element, der normalt forbindes med bordsalt - som erstatning for lithium. Zhou's innovative natrium-ion-batteri kan oplades til 50 procent kapacitet på kun 2 minutter. Selvom det stadig er under udvikling og endnu ikke klar til markedet, det har allerede én fordel i forhold til eksisterende batterier:fremstilling. Natrium er billigt og rigeligt, og det er lettere for miljøet end lithium, som skal udvindes.

Batteriteknologi, der er pålidelig og modstandsdygtig

En times sollys giver mere end al den energi, der forbruges på planeten på et år. Solpaneler er en måde for os at udnytte noget af dette universelle, gratis strømkilde – men hvad sker der på en regnvejrsdag? Solpaneler kan kun generere strøm, når solen skinner på dem, og vindmøller kan kun generere strøm, når vinden blæser. Op- og nedture i udbuddet fra disse vedvarende kilder gør det vanskeligt for elselskaber at stole på dem for at imødekomme kundernes efterspørgsel i realtid.

"Det er sikkert at sige, at solen vil være der i de næste 4,5 milliarder år; derfor, vi har ikke en energikrise, men en energilagringskrise, " siger Surya Prakash, professor i kemi og indehaver af George A. og Judith A. Olah Nobelpristagerstolen i kulbrintekemi.

Hvis batterier kunne lagre overskydende energi for at holde en ensartet forsyning ved hånden, selvom, at sporadisk upålidelighed kunne ophøre med at være et problem. Det er derfor, Prakash og Narayan har udviklet et vandbaseret organisk batteri, der er langtidsholdbart og bygget af billige, miljøvenlige komponenter. Dette nye design bruger ingen metaller eller giftige materialer og er beregnet til brug i sol- og vindkraftværker, hvor dens store lagerkapacitet kunne gøre energinettet mere robust og effektivt.

Deres batteriteknologi adskiller sig fra de konventionelle batterier, som forbrugerne kender. Det kaldes et redoxflow-batteri og består af to tanke med væske, som lagrer energien. Væskerne pumpes gennem elektroder, der er adskilt af en membran. Væsken indeholder elektrolytter, og ioner og elektroner strømmer fra den ene væske ind i den anden gennem membranen og derefter elektroden, skabe en elektrisk strøm.

"Megaskala energilagring er et kritisk problem i fremtiden for vedvarende energi, " Narayan siger. "Disse strømningsbatterier kunne let skaleres op for at lagre den slags overskudsenergi, der genereres."

Ligner en lille bygning, redoxflow-batteriet Prakash forestiller sig ville fungere som en slags batterifarm, lagring af overskudsenergi genereret fra nærliggende solpaneler eller vindmøller. "Du ville ikke bruge al den lagrede energi til at drive individuelle hjem, men snarere for at holde nettet afbalanceret, " siger Prakash, direktør for USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Når kravene til strøm stiger, opbevaringen fra disse batterier vil hjælpe med at balancere nettet ved at tillade belastningsforskydning, så du ikke kun er afhængig af afbrænding af fossile brændstoffer."

De nye vandbaserede organiske flow-batterier holder til omkring 5, 000 genopladningscyklusser - fem gange længere end traditionelle lithiumion-batterier - hvilket giver dem en levetid på omkring 15 år. Til en tiendedel af prisen på lithium-ion-batterier, de er også meget billigere at fremstille takket være deres brug af rigelige, bæredygtige materialer.

Narayan og Prakash har testet et 1-kilowatt flow-batteri, der er i stand til at forsyne et lille huss grundlæggende elbehov. "Vi ser nu på at opskalere for at lagre nok energi til en hel byblok, selve byen, og endelig for en megaby som Los Angeles, " siger Narayan.

En ny ramme for lagring af energi

Med det årlige globale energiforbrug forventes at fortsætte med at stige med omkring 50 procent i de næste 30 år, at stole på vedvarende ressourcer er en af ​​de vigtigste motivatorer, der driver bæredygtig teknologiforskning fremad. Verden kan ikke fortsætte med at stole på fossile brændstoffer for at opfylde energibehovet uden ødelæggende miljømæssige konsekvenser, siger forskere.

"Det, vi skal gøre inden for de næste 30 år, er at diversificere vores energiportefølje til at inkludere vedvarende energi og gradvist inkorporere dem for at vænne os fra afbrænding af fossile brændstoffer, eller i det mindste skære dramatisk ned, " siger Smaranda C. Marinescu, Gabilan assisterende professor i kemi ved USC Dornsife.

Marinescu fokuserer på at indsamle energi høstet fra sollys og lagre det som kemisk energi - meget ligesom planter gør gennem fotosyntese. Hun og hendes team arbejder på en måde at omdanne den lagrede energi til elektricitet ved at bruge det, der kaldes metal-organiske rammer. Disse fleksible, ultratynde og meget porøse krystallinske strukturer har unikke egenskaber, som er blevet brugt af forskere primært til at absorbere og adskille forskellige typer gas. Deres brug til energianvendelser virkede som en tabt sag, fordi forskere troede, at de ikke kunne lede elektricitet. Men Marinescus arbejde har ændret det.

I laboratoriet, hendes hold eksperimenterede med materialet. De tog elektroner, der var lokaliseret i bindinger (hvilket forhindrer dem i at lede elektricitet) og spredte dem ud over flere bindinger, udvikle faste stoffer, der nu kunne føre elektrisk strøm på samme måde, som metaller gør. "Metal-organiske rammer har nu potentialet til produktion og lagring af vedvarende energi, " siger Marinescu.

Rammerne udviklet af hendes forskergruppe indeholder billige elementer og kan omdanne surt vand til brint. Dette repræsenterer et stort fremskridt, da disse materialer en dag kunne bruges i teknologier som dem til brintdrevne køretøjer. De kan også spredes tyndt ud over et enormt område:Det kræver kun 10 gram af materialet at belægge en overflade på størrelse med en fodboldbane.

Teknologien åbner døren for lagring af vedvarende energi på en enorm, næsten utænkelig skala.

Batterier med deres eget liv

Kan fremtidens batterier komme fra levende organismer?

Moh El-Naggar, Robert D. Beyer, lærer for tidlig karriere i naturvidenskab og professor i fysik og astronomi, biologiske videnskaber og kemi ved USC Dornsife, mener, at naturen har et eller andet overraskende potentiale for magt.

El-Naggar studerer det usædvanlige stofskifte af bakterier som Shewanella oneidensis. Bakterierne overfører elektroner til faste overflader som sten, skabe små elektriske ladninger. For at skabe et levende "bakteriebatteri, " El-Naggars team forestiller sig en mikrobiel brændselscelle, der kan generere energi ved at fange elektroner fra bakterierne via elektroder. Forskerne designer teknologier, der udnytter bakteriernes naturlige elektronoverførselsproces.

"Bakterierne er højt udviklede maskiner, der er rigtig gode til at omdanne energi og interagere med de ikke-levende dele af miljøet, " siger El-Naggar. "Vi arbejder også på at bruge bakteriernes egne naturlige processer til at lave biobrændstoffer eller bygge halvledere til rene energiteknologier såsom solceller."

Men El-Naggar advarer om, at bakterier sandsynligvis aldrig vil være svaret på energibehov i stor skala. "Sammenlignet med mere traditionelle batterier, den effekttæthed, vi får ved at udnytte biologien, er typisk lavere, " siger El-Naggar. "Men der er specifikke nicher, der faktisk er afhængige af lav effekt, hvor det er en udfordring at bruge traditionelle strømkilder."

For eksempel, mikrober og enheder kunne placeres på bunden af ​​havet og generere nok strøm til små, meget følsomme sensorer. Det amerikanske militær er ved at udvikle sådanne sensorer til undervandsovervågning. At bruge levende batterier til sensorer på fjerntliggende havområder ville være langt mere praktisk end at skulle skifte traditionelle batterier eller levere brændstof til disse sensorer.

El-Naggars arbejde kan føre til udvikling af nye hybridmaterialer og vedvarende teknologier, der kombinerer mikroorganismer med nanoteknologiens syntetiske byggesten, potentielt skabe en ny hybrid form for bæredygtig energi.

Selvom der højst sandsynligt vil være mere end én løsning til at drive planeten bæredygtigt, El-Naggar ser en mulighed for at forstyrre status quo. Han ser også universitetet klar til at udvide mulighederne for, hvad bedre batterier kan.

"USC er rigtig gode til at nedbryde mure mellem videnskabelige discipliner, og dette er en vigtig fordel for innovation inden for vedvarende energi, som ikke er defineret af nogen disciplin, " siger El-Naggar. Hans laboratorium omfatter lige mange kandidatstuderende og postdocs i fysik, biologiske videnskaber og kemi.

"Vi er ret kvikke, når det kommer til at bevæge os på tværs af de traditionelle grænser for videnskabelige felter."