Het is een moeilijke keuze:honger lijden of het alleen doen.

Als soldaten op het slagveld gebukt gaan onder voedselvoorraden en de zware accu's die hun communicatieapparatuur van stroom voorzien, ze kiezen er vaak voor om de rantsoenen te dumpen. Het is een opoffering om apparaten ingeschakeld te houden en communicatielijnen in het veld open te houden.

Kleiner, batterijen met een langere levensduur zouden de last van een soldaat verlichten, daarom werken USC-onderzoekers samen met het Amerikaanse ministerie van Defensie om betere batterijen te ontwikkelen die de helft minder wegen dan de huidige powerpacks.

De batterijtechnologie heeft impact buiten het leger, te, aangezien batterijen alles van stroom voorzien, van mobiele telefoons tot auto's. Naarmate de vraag naar energie in de wereld toeneemt, USC-onderzoekers kijken met een frisse blik naar een toekomst op batterijen. Innovatieve batterijen kunnen ons helpen hernieuwbare energie op te slaan in grootschalige energienetwerken om hele steden te bedienen, het verminderen van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Tegelijkertijd, wetenschappers hebben nieuwe bronnen voor deze energie ontdekt.

De race is begonnen om een ​​nieuwe batterijrevolutie aan te drijven.

Nieuwe materialen voor efficiëntere, Schonere batterijen

Er zijn veel soorten oplaadbare batterijen, maar een van de meest voorkomende zijn die in onze mobiele telefoons en computers:lithium-ionbatterijen. Deze eenheden kunnen twee keer zoveel energie in volume opslaan als nikkel-metaalhydride-varianten, en ze zijn over het algemeen lichter, te. Maar ze staan ​​ook bekend om hun neiging om op te warmen (en ze betreurden het dat ze op de meest ongelegen momenten dood gingen). Overuren, ze degraderen en verliezen hun vermogen om een ​​elektrische lading vast te houden. Experts zeggen dat ondanks hun populariteit, hun dagen kunnen geteld zijn.

"Een van de grootste problemen met lithium-ionbatterijen is dat lithium geen overvloedig materiaal is, dus het is gewoon niet duurzaam", zegt Sri Narayan, hoogleraar scheikunde aan het USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences en wetenschappelijk mededirecteur van het USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "In feite, als je in de verre toekomst kijkt, we zouden zonder lithium kunnen komen te zitten als we het in het huidige tempo blijven consumeren. We hebben alternatieve materialen nodig die meer energie in hetzelfde volume verpakken zonder veel lithium."

Narayan gelooft dat een levensvatbaar alternatief in zwavel ligt, een overvloedige en goedkope natuurlijke hulpbron. Door een uniek geleidingsmembraan toe te voegen aan een lithium-zwavelbatterij, hij creëerde een batterij die driemaal zoveel energie produceert voor zijn grootte dan de huidige lithium-iontechnologieën. Omdat deze batterijen kleiner zijn en beter in het opslaan van elektrische lading dan lithium-ionbatterijen, ze zouden ideaal zijn wanneer er meer energie in een klein apparaat moet worden verpakt. Volgens Narayan, ze kunnen worden gebruikt in mobiele telefoons, computers en uiteindelijk elektrische voertuigen, inclusief auto's en zelfs vliegtuigen.

Het baanbrekende potentieel van zijn werk trok de aandacht van het Amerikaanse ministerie van Defensie, die het onderzoek van Narayan financiert om een ​​lichtere batterij te ontwikkelen voor soldaten op het slagveld.

Chongwu Zhou, hoogleraar elektrotechniek aan de USC Viterbi School of Engineering, heeft zich tot een andere natuurlijke hulpbron gewend om de batterijen van mobiele telefoons te verbeteren. Zijn ontwerp gebruikt natrium - een element dat gewoonlijk wordt geassocieerd met tafelzout - als vervanging voor lithium. Zhou's innovatieve natrium-ionbatterij kan in slechts 2 minuten worden opgeladen tot 50 procent van de capaciteit. Ook al is het nog in ontwikkeling en nog niet klaar voor de markt, het heeft al één voordeel ten opzichte van bestaande batterijen:productie. Natrium is goedkoop en overvloedig, en het is beter voor het milieu dan lithium, die moet worden gedolven.

Batterijtechnologie die betrouwbaar en veerkrachtig is

Eén uur zonlicht levert meer dan alle energie die in een jaar op aarde wordt verbruikt. Zonnepanelen zijn voor ons een manier om iets van deze universele, gratis stroombron, maar wat gebeurt er op een regenachtige dag? Zonnepanelen kunnen alleen stroom opwekken als de zon erop schijnt, en windturbines kunnen alleen stroom opwekken als het waait. De ups en downs in het aanbod van deze hernieuwbare bronnen maken het moeilijk voor energiebedrijven om erop te vertrouwen om in realtime aan de vraag van de klant te voldoen.

"Het is veilig om te zeggen dat de zon er de komende 4,5 miljard jaar zal zijn; daarom we hebben geen energiecrisis maar een energieopslagcrisis, " zegt Surya Prakash, hoogleraar scheikunde en houder van de George A. en Judith A. Olah Nobelprijswinnaarsleerstoel in Hydrocarbon Chemistry.

Als batterijen overtollige energie zouden kunnen opslaan om een ​​constante voorraad bij de hand te houden, Hoewel, dat sporadische onbetrouwbaarheid geen probleem meer zou kunnen zijn. Daarom hebben Prakash en Narayan een organische batterij op waterbasis ontwikkeld die lang meegaat en is gemaakt van goedkoop, milieuvriendelijke componenten. Dit nieuwe ontwerp gebruikt geen metalen of giftige materialen en is bedoeld voor gebruik in zonne- en windenergiecentrales, waar de grootschalige opslagcapaciteit het energienet veerkrachtiger en efficiënter kan maken.

Hun batterijtechnologie verschilt van de conventionele batterijen die de consument kent. Het wordt een redoxflow-batterij genoemd en bestaat uit twee tanks met vloeistof, waarin de energie wordt opgeslagen. De vloeistoffen worden door elektroden gepompt die worden gescheiden door een membraan. De vloeistof bevat elektrolyten, en ionen en elektronen stromen van de ene vloeistof in de andere door het membraan en vervolgens de elektrode, het creëren van een elektrische stroom.

"Megaschaal energieopslag is een cruciaal probleem in de toekomst van hernieuwbare energie, " zegt Narayan. "Deze stroombatterijen kunnen gemakkelijk worden opgeschaald om het soort overtollige energie dat wordt opgewekt op te slaan."

Lijkt op een klein gebouw, de redoxflow-batterij die Prakash voor ogen heeft, zou fungeren als een soort batterijpark, het opslaan van overtollige energie opgewekt door nabijgelegen zonnepanelen of windturbines. "Je zou niet alle opgeslagen energie gebruiken om individuele huizen van stroom te voorzien, maar om het net in evenwicht te houden, " zegt Prakash, directeur van het USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Als de vraag naar macht toeneemt, de opslag die door deze batterijen wordt geleverd, helpt het elektriciteitsnet in evenwicht te brengen door belastingverschuiving mogelijk te maken, zodat je niet alleen afhankelijk bent van het verbranden van fossiele brandstoffen."

De nieuwe organische stroombatterijen op waterbasis gaan ongeveer 5, 000 oplaadcycli - vijf keer langer dan traditionele lithium-ionbatterijen - waardoor ze ongeveer 15 jaar meegaan. Tegen een tiende van de kosten van lithium-ionbatterijen, ze zijn ook veel goedkoper te produceren dankzij het gebruik van overvloedige, duurzame materialen.

Narayan en Prakash hebben een stroombatterij van 1 kilowatt getest die in staat is om in de basiselektriciteitsbehoeften van een klein huis te voorzien. "We kijken vervolgens naar opschaling om genoeg energie op te slaan voor een heel stadsblok, de stad zelf, en ten slotte voor een megastad als Los Angeles, ' zegt Narayan.

Een nieuw kader voor het opslaan van energie

Aangezien het jaarlijkse wereldwijde energieverbruik naar verwachting de komende 30 jaar met ongeveer 50 procent zal blijven stijgen, vertrouwen op hernieuwbare bronnen is een van de belangrijkste drijfveren voor onderzoek naar duurzame technologie. De wereld kan niet blijven vertrouwen op fossiele brandstoffen om aan de energievraag te voldoen zonder verwoestende gevolgen voor het milieu. zeggen onderzoekers.

"Wat we binnen de komende 30 jaar moeten doen, is onze energieportfolio diversifiëren om hernieuwbare energiebronnen op te nemen en deze geleidelijk op te nemen om ons af te leiden van het verbranden van fossiele brandstoffen. of op zijn minst drastisch bezuinigen, " zegt Smaranda C. Marinescu, Gabilan Universitair Docent Scheikunde bij USC Dornsife.

Marinescu richt zich op het verzamelen van energie die wordt geoogst uit zonlicht en het opslaan ervan als chemische energie, net zoals planten dat doen door middel van fotosynthese. Zij en haar team werken aan een manier om die opgeslagen energie om te zetten in elektriciteit met behulp van zogenaamde metaal-organische raamwerken. Deze flexibele, ultradunne en zeer poreuze kristallijne structuren hebben unieke eigenschappen die door wetenschappers voornamelijk zijn gebruikt om verschillende soorten gas te absorberen en te scheiden. Het gebruik ervan voor energietoepassingen leek een verloren zaak omdat onderzoekers dachten dat ze geen elektriciteit konden geleiden. Maar het werk van Marinescu heeft daar verandering in gebracht.

In het labortorium, haar team experimenteerde met het materiaal. Ze namen elektronen die in bindingen waren gelokaliseerd (waardoor ze geen elektriciteit kunnen geleiden) en verspreidden ze over meerdere bindingen, het ontwikkelen van vaste stoffen die nu elektrische stroom kunnen transporteren op dezelfde manier als metalen. "Metaal-organische raamwerken hebben nu het potentieel voor de productie en opslag van hernieuwbare energie, ', zegt Marinescu.

De raamwerken die haar onderzoeksgroep ontwikkelde, bevatten goedkope elementen en kunnen zuur water omzetten in waterstof. Dit betekent een enorme vooruitgang, aangezien deze materialen ooit zouden kunnen worden gebruikt in technologieën zoals die voor voertuigen op waterstof. Ze kunnen ook dun over een enorm gebied worden verspreid:er is slechts 10 gram van het materiaal nodig om een ​​oppervlak ter grootte van een voetbalveld te coaten.

De technologie opent de deur voor het opslaan van duurzame energie met een enorme, bijna ondenkbare schaal.

Batterijen met een eigen leven

Kunnen batterijen van de toekomst afkomstig zijn van levende organismen?

Moh El Naggar, Robert D. Beyer Early Career Chair in Natuurwetenschappen en hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, biologische wetenschappen en scheikunde bij USC Dornsife, denkt dat de natuur een verrassend machtspotentieel heeft.

El-Naggar bestudeert het ongebruikelijke metabolisme van bacteriën zoals Shewanella oneidensis. De bacteriën brengen elektronen over naar vaste oppervlakken zoals steen, het creëren van kleine elektrische ladingen. Om een ​​levende "bacteriële batterij te creëren, "Het team van El-Naggar stelt zich een microbiële brandstofcel voor die energie kan genereren door elektronen van de bacteriën op te vangen via elektroden. De wetenschappers ontwerpen technologieën die gebruikmaken van het natuurlijke elektronenoverdrachtsproces van de bacteriën.

"De bacteriën zijn hoogontwikkelde machines die heel goed zijn in het omzetten van energie en in interactie met de niet-levende delen van de omgeving, " zegt El-Naggar. "We werken ook aan het gebruik van de eigen natuurlijke processen van de bacteriën om biobrandstoffen te maken of halfgeleiders te bouwen voor schone energietechnologieën zoals zonnecellen."

Maar El-Naggar waarschuwt dat bacteriën waarschijnlijk nooit het antwoord zullen zijn op grootschalige energiebehoeften. "Vergeleken met meer traditionele batterijen, de vermogensdichtheid die we krijgen door gebruik te maken van biologie is doorgaans lager, ", zegt El-Naggar. "Maar er zijn specifieke niches die eigenlijk afhankelijk zijn van een laag vermogen, waar het een uitdaging is om traditionele stroombronnen te gebruiken."

Bijvoorbeeld, microben en apparaten kunnen op de bodem van de oceaan worden geplaatst en genoeg stroom opwekken voor kleine, zeer gevoelige sensoren. Het Amerikaanse leger ontwikkelt dergelijke sensoren voor onderwatersurveillance. Het gebruik van levende batterijen voor sensoren op afgelegen locaties in de oceaan zou veel praktischer zijn dan traditionele batterijen te moeten vervangen of brandstof aan deze sensoren te moeten leveren.

Het werk van El-Naggar kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe hybride materialen en hernieuwbare technologieën die micro-organismen combineren met de synthetische bouwstenen van nanotechnologie, mogelijk een nieuwe hybride vorm van duurzame energie te creëren.

Hoewel er hoogstwaarschijnlijk meer dan één oplossing zal zijn om de planeet duurzaam van energie te voorzien, El-Naggar ziet een kans om de status-quo te verstoren. Hij ziet ook dat de universiteit klaar is om de mogelijkheden uit te breiden van wat betere batterijen kunnen doen.

"USC is echt goed in het afbreken van muren tussen wetenschappelijke disciplines, en dit is een belangrijk voordeel voor innovatie op het gebied van hernieuwbare energie, die door geen enkele discipline wordt gedefinieerd, "zegt El-Naggar. Zijn lab omvat evenveel afgestudeerde studenten als postdocs in de natuurkunde, biologische wetenschappen en scheikunde.

"We zijn behoorlijk wendbaar als het gaat om het overschrijden van de traditionele grenzen van wetenschappelijke velden."