De meesten van ons rennen op leeg. Sinds de mobiele telefoon de eerste wereld van een smartphone heeft voortgebracht, hebben we allemaal de neiging gehad om batterijen te gebruiken.

De dagelijkse of nachtelijke lading van de smartphone is het meest gangbaar, maar laptops, tablets, drones, draadloze hoofdtelefoons, smartwatches en andere draagbare apparaten worden steeds gebruikelijker.

We zijn voortdurend bezig met het opladen van batterijen, er zijn enkele pogingen om snelladingsbatterijen te maken en, natuurlijk, een nieuwe generatie draadloze oplaadapparaten, maar ze gaan bijna over gemak.

Met het komende tijdperk van de elektrische auto en meer geavanceerde robotica, een behoefte om te ruilen voor hernieuwbare energie en een steeds groter wordende (en meer mobiele, gadget-hongerige) wereldbevolking, zal het vermogen van de mensheid om energie op te slaan kritiek worden.

Ofwel we innoveren en creëren nieuwe en krachtigere batterijtechnologie, of we gaan een periode van stasis in waarin een gebrek aan mobiele energie nieuwe technologie wurgt. Gelukkig komen er innovaties binnen.

Telefoonbatterijen zijn de minste van onze zorgen

De behoefte aan draagbare kracht

Elektrische stroom, of ze nu draagbaar is of niet, is een van de hoekstenen van het leven, en een die we allemaal als vanzelfsprekend beschouwen. En wij zijn het probleem.

"Het menselijk ras is zo succesvol geweest in de bevolkingsgroei dat we ons nu zorgen moeten maken over duurzaamheid", zegt Upal Sengupta, Applications Manager, Battery Management Solutions bij Texas Instruments.

"De elektrische stroom en technologie die hebben bijgedragen aan onze groei zullen moeten worden gebruikt en gegenereerd op manieren die hun impact op onze planeet minimaliseren. Zo niet, dan zou dit letterlijk een wereldwijde ramp kunnen zijn."

Sengupta vindt dat we ons eerst moeten concentreren op behoud en efficiëntie, en ten tweede op alternatieve bronnen voor energieopwekking, zoals zonnepanelen. Voor dit laatste zijn enorme batterijen nodig om de energie van de zon op te slaan, zodat we deze 's nachts kunnen gebruiken, of op een moment dat het ons uitkomt.

Ten derde vindt hij dat producenten van elektronische producten stroomconversiecircuits zo efficiënt mogelijk moeten maken. Er komen echter andere draagbare apparaten aan die de batterijtechnologie enorme uitdagingen zullen bieden; de elektrische auto - en het elektrische alles.

De Tesla Model 3 kan 500 km / 310 mijl rijden. Krediet: Tesla

De elektrische auto

Het maken van smartphones die twee dagen in plaats van één blijven, zal de wereld niet veranderen, maar de verspreiding van de elektrische auto zal de batterijindustrie enorm veranderen.

Het is een enorme uitdaging, met een verwachte 20 miljoen elektrische voertuigen die elk jaar tegen 2030 worden verkocht, elk met een enorme lithium-ionbatterij.

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) denkt dat er in 2040 530 miljoen elektrische voertuigen zullen zijn en dat hun elektriciteitsverbruik zal toenemen tot 1.800 terawatt uur in 2040 - of 5% van de wereldwijde vraag naar energie - vanaf slechts 6 terawatt uur in 2016.

De batterijen die een elektrische auto nodig heeft, zijn erg groot. De 2016 Nissan Leaf heeft een 30kWh-batterij die 172 km / 107 mijl kan gaan, terwijl de aanstaande Tesla Model 3 een 50kWh of optionele 75kWh-batterij zal hebben, die respectievelijk 355 km / 220 mijl en 500 km / 310 mijl kan rijden. Is dat jouw weg-afstand-angst kwijt?

"Het batterijpakket zal waarschijnlijk nog enige tijd het enige duurste component in EV's blijven en de kosten zijn grotendeels evenredig aan de capaciteit", zegt Robin Shaw, Chief Technology Officer voor leverancier van batterijen en energieopslag Hyperdrive Innovation.

Hij denkt dat het cruciale punt zal komen wanneer de kosten van een batterijpak met voldoende bereik een elektrische auto goedkoper maken dan een gelijkwaardige benzine- of dieselauto. "Dat gezegd hebbende, ik denk dat het bereik van 400 mijl op één lading om de hoek ligt, zeker binnen de komende drie jaar," voegt hij eraan toe..

Tesla's machtige Gigafactory bevindt zich in Nevada. Krediet: Tesla

Gigafactories van Tesla

Tesla en Nissan investeren zwaar in de uitbreiding van de productie van lithium-ionbatterijen. De wereld produceert nu ongeveer 90 GWh (gigawattuur) elektrische lithium-ionbatterij en BNEF ziet dit stijgen tot 270GWh in 2021.

In Sparks, Nevada, is Tesla's Gigafactory, waar de productiecapaciteit van de batterij 35 GWh is. Tesla wil 500.000 auto's produceren in 2018, maar daarvoor moet het zijn eigen batterijen maken.

De belangrijkste leverancier van elektrische auto-accu's aan Tesla is Panasonic, een bedrijf dat nu bijna een derde van de markt bestuurt. Er is gewoon een deal getekend met Toyota om samen meer batterijen te ontwikkelen voor elektrische voertuigen.

Wat betekent dat? Meer schaalvoordelen, meer batterijen en grotere batterijen. Het feit dat een batterijmaker en een autofabrikant hier samen aan werken, laat zien hoe kritisch de batterijindustrie op het punt staat te worden.

Zonne-energie vereist batterijen die vaak kunnen worden geleegd en opgeladen

Het elektrificatietijdperk en het microrooster

Voor Tesla gaat het niet alleen om elektrische auto's, maar om alles elektrisch. Tesla heeft onlangs 's werelds grootste lithium-ionbatterij gebouwd om 30.000 huizen in South Australia te voeden tijdens perioden van stroomuitval. Wat meer is, het deed het in slechts 100 dagen.

"Het verhogen van de energiedichtheid voor lithium-ion, in combinatie met dalende kosten per eenheid, is een opwindende innovatie op zich", zegt Shaw, die denkt dat we op het punt staan ​​dat alles elektrisch wordt.

“De manier waarop energie wordt opgewekt, gedistribueerd en verbruikt, wordt getransformeerd - het betekent een enorm scala aan voertuigen, waaronder magazijnrobots, bouwmachines, gemeentelijk vervoer en grondvloten op de luchthaven die elektrisch worden, "voegt hij eraan toe..

Voertuigvloten in stadscentra, bouwplaatsen en transportknooppunten zijn allemaal aan het elektrificeren. De sleutel is om energie verzameld uit zon of wind efficiënt op te slaan, wat momenteel kan worden gedaan met behulp van lithium-ion batterijen puur vanwege hun dalende kosten.

“De dalende kosten van batterijopslag creëren een tijdige gelegenheid om hernieuwbare energiebronnen een meer haalbare optie te maken voor commerciële organisaties over de hele wereld door het groene energieverbruik te maximaliseren, "zegt Louis Shaffer, Distributed Energy Segment Manager EMEA bij energiebeheerbedrijf Eaton.

Als hernieuwbare energiebronnen meer energie genereren dan een bedrijf op bepaalde tijden gebruikt, kan bij opslag van batterijen deze overtollige energie worden opgeslagen en gebruikt wanneer er geen energie wordt opgewekt. Het gebruik van opgeslagen energie vermindert ook de belasting op het rooster op piekmomenten.

Dit is het microrooster; grote batterijen met voldoende vermogen om bedrijven onafhankelijk van het grotere nationale netwerk te laten opereren. Dit is geweldig om de CO2-uitstoot te verminderen, simpelweg omdat het betekent dat duurzame energie niet wordt verspild.

De dagen van de lithium-iontechnologie zijn geteld

Op weg naar solid-state batterijen

Moeten we verder gaan dan lithium-ionbatterijen? We moeten ze zeker nog meer recyclen omdat de vraag naar lithium naar verwachting in 2025 verviervoudigd zal worden naarmate elektrische voertuigen aanslaan.

We hebben nieuwe bronnen van zuiver lithium en kobalt nodig, ook nieuwe ideeën, omdat op industriële schaal opgeslagen accu's van het netwerk zo vaak moeten worden geleegd en opgeladen dat lithium-ionbatterijen relatief snel verslijten.

Cue magnesium-ionbatterijen, die een aanzienlijk voordeel hebben ten opzichte van lithium-ion; ze slijten niet zo snel en ze exploderen niet zo gemakkelijk. Dat is een onderschat probleem voor elektrische voertuigen (wanneer ze specifiek crashen), dus magnesium-ionbatterijen zijn een poging om een ​​veel stabielere solid-state batterij te maken.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en het nationale laboratorium van Argonne werken aan een magnesiumbatterij, die een hogere energiedichtheid biedt dan lithium, maar ze konden geen niet-corrosieve vloeibare elektrolyt vinden (die als katalysator dient voor het maken van een batterij geleidend).

"Magnesium is zo'n nieuwe technologie, het heeft geen goede vloeibare elektrolyten,” zei Gerbrand Ceder, een Senior Faculty Scientist van Berkeley Lab. “We dachten, waarom niet haasje over en maak een solid-state elektrolyt?” Ze slaagden er ook in om te ontdekken dat magnesium scandium selenide spinel uitstekend werkte.

Het zou een transformatieve impact kunnen hebben op energieopslag. “Er zijn enorme inspanningen in de industrie om een ​​solid-state batterij te maken, "zei Ceder.

“Het is de heilige graal omdat je de ultieme veilige batterij zou hebben.” Er is echter nog werk aan de winkel. "Technologische vooruitgang, zoals elektrolyten in vaste toestand, is misschien opmerkelijk, maar we zitten al een aantal jaren na een grootschalige toepassing", zegt Shaw..

De wereldwijde verschuiving naar elektrische voertuigen zal de energiesector volledig veranderen, maar er is een ontbrekende schakel.

De zoektocht naar een solid-state batterij die veilig is en meer energie kan opslaan, is wat elektrische auto's nodig hebben, het is wat rasters nodig hebben, en het is wat de wereld nodig heeft als voertuigen op elektriciteit moeten rijden in plaats van fossiele brandstoffen. De planeet hangt ervan af.

  • Kan niet wachten op innovatie? Dit zijn de langdurigste smartphones op dit moment