Batterier er overalt. De er i telefonene våre, flyene våre, bensindrevne biler, til og med - i tilfelle av mennesker med pacemakere eller annet implantert medisinsk utstyr - kroppene våre.
Batteriene som virkelig kommer til å spille noe i fremtiden, er imidlertid ikke de som hjelper deg å spille Angry Birds på telefonen din i 12 timer eller starte kjøretøyet på en frigid vintermorgen. Batteriene med potensial for å transformere verdens energisyn vil gi elektriske kjøretøyer strøm og gi lagring for strømnettet.
"Hvis du kunne vinke et tryllestav og løse verdens energiproblemer, ville du bare måtte bytte en ting: batterier, " sier Ralph Eads, nestleder i investeringsbankfirmaet Jeffries LLC, som investerer i nye energiteknologier.
Problemet med energi er ikke at vi ikke har nok av det; nye teknologier som horisontal boring og hydraulisk brudd, eller "fracking", har nylig låst opp mengder fossilt brensel som ikke kan tenkes for bare ti år siden. Problemet er at vår avhengighet av fossile brensler for størstedelen av energien vår er alvorlig usunn, og forårsaker millioner av for tidlige dødsfall årlig og endrer klimaet på både drastiske og uforutsigbare måter.
Men fossilt brensel er ikke en populær energikilde bare fordi de er så mange. De er populære fordi de kan lagre mye energi på en liten plass. Batterier lagrer også energi, men i sammenligning med pund-for-pund kan de bare ikke konkurrere. Det enkleste stedet å demonstrere denne forskjellen er i en bil:
Batteriet i hybrid Toyota Prius har rundt 225 watt timer energi per pund. Det er bilbatteriets energitetthet - mengden energi som kan lagres per volumenhet eller vekt. Bensinen i det Prius inneholder 6000 wattimer per pund. Energidensitetsforskjellen mellom flytende petroleum og til og med de mest avanserte batteriene skaper et scenario der en 7200 kilo Chevrolet Suburban kan gå 650 mil på en tank med bensin og et allelektrisk Nissan Leaf, som veier mindre enn halvparten så mye, har en rekkevidde på bare rundt 100 mil.
Og selv om rundt 80 prosent av amerikanernes bilturer går under 40 mil, har forbrukerforskning vist at bilførere lider av "rekkeviddeangst." De vil ha biler som er i stand til å dra på lange bilturer i tillegg til å pendle til jobb og gjøre ærend rundt i byen.
Energitetthet har forblitt bête noire fra batterier i 100 år. Hver gang en ny teknologi eller design følger med som øker energitettheten, lider et annet avgjørende aspekt av batteriets ytelse - si stabilitet ved høy temperatur, eller antall ganger det kan tappes og lades opp -. Og når et av disse aspektene forbedres, lider energitettheten.
Litium-jernfosfat-teknologi er et godt eksempel. Disse batteriene, fra den kinesiske produsenten BYD, er mye brukt i både elektriske og hybridbiler i Sør-Kina. De lader raskere enn litium-ion-batteriene som er vanlige i andre elektriske biler, for eksempel Leaf, men de er mindre energitette.
Et annet høyt verdsatt aspekt ved batteridesign er hvor mange ganger batterier kan lades og tømmes uten å miste evnen til å lagre energi. Nikkel-metallhydrid, eller NiMH, batterier, som har vært arbeidshesten for hybridbiler inkludert Prius og Fords Escape-hybrid i mer enn et tiår, klarer seg bra i denne kategorien. Ted J. Miller, som jobber med avansert batteriteknologi for Ford Motor Company, sier at Ford har trukket batteriene ut av Escape-hybrider som er brukt i 260.000 kilometer drosjetjeneste i San Francisco og funnet at de fremdeles har 85 prosent av sin opprinnelige strømkapasitet . Denne holdbarheten er en fordel, men for rent elektriske biler er NiMH-batterier mye tyngre for den samme mengden energi som er lagret av et litium-ion-batteri; den ekstra vekten senker kjøretøyets rekkevidde. NiMH-batterier er også giftige - så de må ikke gni dem i søppelkassen når de går tom for juice - de må gjenvinnes. Og fordi nikkel kan være mer knapp i fremtiden enn litium, kan disse batteriene bli dyrere.
Litium-ion-batterier har litt høyere energitetthet enn vanlige litium-ion-versjoner - et prototype Audi-kjøretøy gikk 372 miles på en enkelt lading - men de kan ikke lades og tømmes så mange ganger, så de har mindre utholdenhet.
Det er verdt å huske at til tross for disse begrensningene, har batterier designet for å drive biler kommet langt på relativt kort tid - for bare 40 år siden var et batteri med mindre enn halvparten energitetthet av de som finnes i dagens hybrider og elektriske kjøretøyer. betraktes som en eksotisk drøm - og de vil sikkert forbedre seg. "Vi ser en klar vei til å doble batterikapasiteten, " sier Fords Miller. "Det er uten å endre teknologien dramatisk, men forbedre prosessen slik at vi har høykvalitets bilbatterier med samme energiinnhold som vi finner på bærbare enheter i dag."
Et slikt batteri for allelektriske kjøretøy ville transformere transporten, og gjøre det mye mer klimavennlig. Transport utgjør omtrent 27 prosent av de amerikanske klimagassutslippene, og omtrent 14 prosent av verdensomspennende utslipp. Nittifem prosent av amerikanske personbiler kjører på petroleum. Hvis de biler og lastebiler kunne erstattes med elektriske kjøretøyer, hvis det ville redusere forurensningen betydelig, selv om strømmen fortsatt kommer hovedsakelig fra kull, har departementet for energi funnet ut. Det er fordi forbrenningsmotorer er så ineffektive og mister så mye som 80 prosent av energien i brennstoffet til å varme, mens elektriske motorer legger nesten all sin energi i å drive bilen.
Batterier kan også spille en rolle i å endre kilden til strømmen vår ved å lagre energi produsert fra fornybare kilder som vind og solenergi. Siden verktøy har økt prosentandelen av elektrisitet de produserer fra disse kildene, har det ledende prinsippet vært at naturgassfyrte kraftverk ville være nødvendig for å møte etterspørselen når vindturbiner og solceller ikke produserer. Hvis overflødig fornybar energi produsert når etterspørselen er lav, kunne overføres til et batteri, lagres uten betydelig tap og tappes ut raskt når etterspørselen øker - og hvis systemet var billig nok - ville det unngått behovet for begge kullkraftverkets fornybar energi erstatte og naturgassanleggene anses som essensielle for å følge vind og sol.
"Storvolumsbatterier som kan skifte energi vil være spillbytteren, " sier Peter Rothstein, president i New England Clean Energy Council.
Batterier som lagrer energi til nettet har andre krav enn de som går inn i biler, fordi kjøretøy trenger relativt kompakte batterier som kan overføre energien nesten øyeblikkelig. Så teknologier som ikke fungerer bra for å drive elektriske kjøretøy, kan være gode til å lagre strøm til nettet.
Litium-luftbatterier, en relativt ny teknologi som har skapt mye spenning, kan ha større energitetthet enn eksisterende litiumbatterier, men de gir mye mindre av kraften som vil være nødvendig for å akselerere et kjøretøy, sier Fords Miller. "Hvis du trenger 120 kilowatt effektkapasitet, med litium-luft trenger du kanskje 80 til 100 kilowatt-timer batterienergi for å oppfylle dette kravet, " forklarer Miller. "Det er et veldig tungvint, veldig stort batteri." Det ville ikke fungere bra i en bil - Ford Focus EV, til sammenligning, bruker litt over 100 kilowatt strøm med et 23 kilowatt-timers batteri - men det kan hende når du sitter ved siden av en vindpark.
Vanadium flow-batterier, en annen lovende utvikling, har også høy energitetthet, og de har en hurtig utladningstid, noe som gjør dem ideelle for lagring. Det er applikasjonen som Ron MacDonald, administrerende direktør i American Vanadium, kaster dem for. "Det er mange gode lagringsalternativer, men alle har problemer, " erkjenner MacDonald. "Problemet vårt har alltid vært forhåndskostnader, fordi vi er dyrere." Et vanadiumstrømbatteri kan imidlertid vare i 20 år, "så vi er under de fleste andre hvis du ser på kostnadene for batteriets levetid, " han sier.
Men utviklingen av det såkalte “smarte” rutenettet - som vil bruke avanserte algoritmer og kommunikasjonsteknologi for å svare raskt som strømforsyning og forbrukernes etterspørsel eb og flyt - og distribuert lagring har kanskje gjort mer energitette batterier mindre nødvendige enn eksperter har tenkt i det siste. Med titusenvis av små batterier i biler, trafikklys og andre steder i en by, kunne et elektrisk verktøy teoretisk hente ned strøm fra disse batteriene i tider med stor etterspørsel, og returnere energien til kundene flere timer senere.
Verktøy kan også forsøke å endre når og hvordan folk bruker energi ved å belaste ublu priser for strømkjøp over et visst nivå i perioder med stor etterspørsel. Kunder vil ikke bli motet fra å plassere store belastninger på systemet, for eksempel ved å betjene store apparater eller lade elbilen sin i løpet av disse tider. Som batterier, vil slik praksis flate kurven for elektrisitetsproduksjonsbehov som blir pålagt verktøyet.
"Etterspørselssvar vil spille en like viktig rolle som lagringsvilje, " sier Randy Howard, direktør for kraftsystemplanlegging og utvikling for Los Angeles Department of Water & Power.
Howard vil likevel se at et batteri gir verktøyene den typen fremskritt som olje- og gassprodusenter har sett. "Vi er alle håpefulle at det på et tidspunkt vil være et teknologisk sprang i batterier, men det har ikke skjedd ennå, " sier Howard. "Vi ser etter fracking i batteriets verden."
