Bateri ada di mana-mana. Mereka berada di telefon kami, kapal terbang kami, kereta bertenaga petrol kami, walaupun-dalam kes orang-orang dengan alat pacu jantung atau peranti perubatan lain yang ditanamkan-badan kita.
Bateri yang benar-benar akan menjadi masalah pada masa akan datang, walaupun, bukannya yang akan membantu anda bermain Angry Birds pada telefon anda selama 12 jam lurus atau memulakan kenderaan anda pada pagi musim sejuk yang dingin. Bateri yang berpotensi mengubah pandangan tenaga dunia akan memberi kuasa kepada kenderaan elektrik dan menyediakan storan kuasa.
"Sekiranya anda boleh menggerakkan tongkat sihir dan menyelesaikan masalah tenaga dunia, anda hanya perlu mengubah satu perkara: bateri, " kata Ralph Eads, naib pengerusi firma pelaburan perbankan Jeffries LLC, yang melabur dalam teknologi tenaga baru.
Masalah dengan tenaga bukanlah kita tidak cukup; Teknologi baru seperti penggerudian mendatar dan patah hidraulik, atau "fracking, " baru-baru ini membuka kuantiti bahan api fosil yang tidak dapat dibayangkan hanya sedekad yang lalu. Masalahnya adalah bahawa pergantungan kita kepada bahan api fosil untuk majoriti tenaga kita adalah tidak sihat, menyebabkan berjuta-juta kematian pramatang setiap tahun dan mengubah iklim dengan cara yang drastik dan tidak dapat diramalkan.
Tetapi bahan api fosil bukan sumber tenaga yang popular hanya kerana mereka sangat banyak. Mereka popular kerana mereka boleh menyimpan banyak tenaga dalam ruang yang kecil. Bateri juga menyimpan tenaga, tetapi dalam perbandingan pound-for-pound, mereka tidak boleh bersaing. Tempat paling mudah untuk menunjukkan perbezaan ini adalah di dalam kereta:
Bateri di Toyota Prius hibrid ini mempunyai tenaga 225 watt tenaga per paun. Itulah ketumpatan tenaga bateri kereta - jumlah tenaga yang boleh disimpan setiap unit volum atau berat. Petrol dalam Prius itu mengandungi 6, 000 jam watt per paun. Perbezaan ketumpatan tenaga antara bahan api petroleum cecair dan bateri yang paling maju mencipta senario di mana Suburban Chevrolet 7, 200-pound boleh pergi 650 batu ke tangki gas dan Nissan Leaf semua-elektrik, yang berat kurang dari separuh sebanyak, mempunyai rangkaian hanya kira-kira 100 batu.
Dan walaupun kira-kira 80 peratus perjalanan kereta Amerika kurang daripada 40 batu, penyelidikan pengguna menunjukkan bahawa pemandu mengalami "kebimbangan pelbagai". Mereka mahu kereta yang dapat melakukan perjalanan jalan panjang serta berulang untuk bekerja dan melakukan tugas di sekitar bandar.
Ketumpatan tenaga kekal sebagai noire bateri selama 100 tahun. Apabila teknologi atau reka bentuk baru datang bersama-sama yang meningkatkan ketumpatan tenaga, satu lagi aspek penting prestasi bateri-katakan, kestabilan pada suhu tinggi, atau bilangan kali ia boleh disalirkan dan diisi semula-mengalami. Dan apabila salah satu daripada aspek tersebut bertambah baik, ketumpatan tenaga menderita.
Teknologi fosfat litium adalah contoh yang baik. Bateri ini, dari pembuat BYD China, digunakan secara meluas dalam kenderaan elektrik dan hibrid di selatan China. Mereka mengenakan bayaran dengan lebih cepat daripada bateri lithium-ion yang biasa digunakan dalam kenderaan elektrik lain, seperti Daun, tetapi mereka kurang tenaga.
Satu lagi aspek yang sangat bernilai dalam reka bentuk bateri ialah berapa kali bateri boleh dicas dan dikeringkan tanpa kehilangan keupayaan mereka untuk menyimpan tenaga. Hidrida nikel-logam, atau NiMH, bateri, yang telah menjadi huru-hara untuk kenderaan hibrid termasuk hibrid Prius dan Ford Escape selama lebih daripada satu dekad, lakukan dengan baik dalam kategori ini. Ted J. Miller, yang bekerja pada teknologi bateri lanjutan untuk Ford Motor Company, mengatakan bahawa Ford telah mengeluarkan bateri dari hibrida Escape yang digunakan untuk perkhidmatan teksi 260, 000 batu di San Francisco dan mendapati mereka masih mempunyai 85 peratus keupayaan kuasa asal mereka . Daya tahan itu adalah kelebihan, tetapi untuk kenderaan elektrik semata-mata, bateri NiMH lebih berat untuk jumlah tenaga yang sama yang disimpan oleh bateri lithium-ion; berat tambahan menurunkan julat kenderaan. Bateri NiMH juga beracun-jadi tidak mengecilkan mereka di dalam tong sampah apabila mereka kehabisan jus-mereka perlu dikitar semula. Dan kerana nikel mungkin lebih jarang di masa depan daripada lithium, bateri ini boleh menjadi lebih mahal.
Bateri polimer litium-ion mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi sedikit daripada versi lithium-ion biasa-prototaip Audi kenderaan pergi 372 batu pada satu caj-tetapi mereka tidak boleh dikenakan dan habis berkali-kali, jadi mereka mempunyai daya tahan yang lebih rendah.
Perlu diingatkan bahawa walaupun batasan ini, bateri yang direka bentuk untuk kuasa kereta telah lama berjalan dalam masa yang agak singkat - hanya 40 tahun yang lalu, bateri yang kurang daripada separuh ketumpatan tenaga yang terdapat dalam hibrid hari ini dan kenderaan elektrik adalah dianggap impian eksotik-dan mereka pasti akan terus bertambah. "Kami melihat laluan yang jelas untuk menggandakan keupayaan bateri, " kata Miller Ford. "Itu tanpa mengubah teknologi secara dramatik, tetapi memperbaiki proses supaya kami mempunyai bateri automotif berkualiti tinggi dengan kandungan tenaga yang sama seperti yang kami temukan pada peranti mudah alih hari ini."
Bateri sedemikian untuk semua kenderaan elektrik akan mengubah pengangkutan, menjadikannya lebih mesra alam. Pengangkutan kira-kira 27 peratus daripada pelepasan gas rumah kaca AS, dan kira-kira 14 peratus pelepasan di seluruh dunia. Sembilan puluh lima peratus kenderaan penumpang AS berjalan pada petroleum. Sekiranya kereta dan trak itu boleh digantikan dengan kenderaan elektrik, jika secara signifikan mengurangkan pencemaran walaupun elektrik terus datang terutamanya dari arang batu, Jabatan Tenaga telah menemui. Itu kerana enjin pembakaran dalaman begitu tidak cekap, kehilangan sebanyak 80 peratus tenaga dalam bahan api mereka untuk memanaskan, sementara motor elektrik meletakkan hampir semua tenaga mereka untuk menggerakkan kenderaan.
Bateri boleh memainkan peranan dalam mengubah sumber elektrik kita, juga, dengan menyimpan tenaga yang dihasilkan dari sumber yang boleh diperbaharui seperti angin dan solar. Oleh kerana utiliti telah meningkatkan peratusan elektrik yang mereka hasilkan daripada sumber-sumber ini, prinsip panduan ini adalah bahawa loji janakuasa gas asli diperlukan untuk memenuhi permintaan apabila turbin angin dan sel fotovoltaik tidak menghasilkan. Sekiranya tenaga yang boleh diperbaharui yang berlebihan dihasilkan apabila permintaan yang rendah dapat dipindahkan ke bateri, disimpan tanpa kerugian yang besar dan disingkirkan dengan cepat apabila permintaan meningkat-dan jika sistem itu cukup murah-ia akan menghilangkan keperluan untuk kedua-dua loji yang terbarukan menggantikan, dan tumbuh-tumbuhan gas asli dianggap penting untuk mengiringi angin dan suria.
"Bateri besar-besaran yang dapat mengalihkan tenaga akan menjadi penukar permainan, " kata Peter Rothstein, presiden Majlis Tenaga Bersih New England.
Bateri yang menyimpan tenaga untuk grid mempunyai keperluan yang berbeza daripada yang masuk ke dalam kereta, kerana kenderaan memerlukan bateri yang agak padat yang dapat memindahkan tenaga mereka hampir seketika. Oleh itu, teknologi yang tidak berfungsi dengan baik untuk menggerakkan kenderaan elektrik boleh menjadi hebat untuk menyimpan kuasa untuk grid.
Bateri litium, teknologi yang agak baru yang menghasilkan banyak keseronokan, boleh mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih besar daripada bateri litium yang sedia ada, tetapi mereka memberikan lebih sedikit tenaga yang diperlukan untuk mempercepatkan kenderaan, kata Miller Ford. "Jika anda memerlukan keupayaan kuasa sebanyak 120 kilowatt, dengan lithium-air, anda mungkin memerlukan 80-ke-100 kilowatt-jam tenaga bateri untuk memenuhi keperluan itu, " jelas Miller. "Itulah bateri yang sangat rumit dan sangat besar." Ia tidak berfungsi dengan baik di dalam kereta - Ford Focus EV, dengan perbandingan, menggunakan lebih kurang 100 kilowatt kuasa dengan bateri 23 kilowatt-jam - tetapi mungkin apabila duduk di sebelah ladang angin.
Bateri aliran vanadium, pembangunan lain yang menjanjikan, juga mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, dan mereka mempunyai masa pelepasan yang cepat, menjadikannya ideal untuk penyimpanan. Itulah permohonan yang mana Ron MacDonald, Ketua Pegawai Eksekutif American Vanadium, sedang melancarkannya. "Terdapat banyak pilihan simpanan yang baik, tetapi setiap orang mempunyai masalah, " mengakui MacDonald. "Isu kami selalu menjadi biaya pendahuluan, kerana kami lebih mahal." Baterai vanadium-aliran dapat bertahan 20 tahun, "jadi kami berada di bawah kebanyakan orang lain jika anda melihat biaya sepanjang hayat bateri, " dia cakap.
Tetapi pembangunan grid yang dipanggil "pintar" - yang akan menggunakan algoritma dan teknologi komunikasi yang maju untuk bertindak balas dengan cepat sebagai bekalan kuasa dan permintaan pengguna dan surut - aliran dan storan teragih mungkin membuat lebih banyak bateri yang padat tenaga kurang diperlukan daripada pakar telah berfikir pada masa lalu. Dengan berpuluh-puluh ribu bateri kecil di dalam kereta, lampu isyarat dan di mana-mana di seluruh bandar, utiliti elektrik secara teorinya dapat menurunkan kuasa dari bateri ini pada masa permintaan yang tinggi, dan mengembalikan tenaga kepada pelanggan beberapa jam kemudian.
Utiliti juga boleh cuba mengubah masa dan bagaimana orang menggunakan tenaga dengan mengenakan kadar yang terlalu tinggi untuk pembelian elektrik ke tahap tertentu semasa tempoh permintaan yang tinggi. Pelanggan akan digalakkan daripada meletakkan beban yang tinggi pada sistem, seperti dengan mengendalikan peralatan besar atau mengecas kereta elektrik mereka, pada waktu itu. Seperti bateri, amalan sedemikian akan merapatkan lengkung keperluan pengeluaran elektrik yang dikenakan ke atas utiliti itu.
"Respon permintaan akan memainkan peranan yang penting sebagai simpanan, " kata Randy Howard, pengarah perancangan dan pembangunan sistem kuasa untuk Jabatan Air & Kuasa Los Angeles.
Walau bagaimanapun, Howard ingin melihat bateri membawa kepada utiliti jenis kemajuan yang telah dilihat pengeluar minyak dan gas. "Kami semua berharap bahawa pada satu ketika akan ada lompatan teknologi dalam bateri, tetapi itu belum berlaku, " kata Howard. "Kami sedang mencari fracking kami di dunia bateri."
