De fleste av oss kjører på tomt. Siden mobiltelefonen oppsto en smartphone-første verden, har vi alle tatt hensyn til batteris behov.

Den daglige eller nattlige avgiften på smarttelefonen er den mest utbredte, men bærbare datamaskiner, tabletter, droner, trådløse hodetelefoner, smartwatches og andre bærbare enheter blir stadig mer vanlige.

Vi lader konstant batterier, det er noen forsøk på å skape hurtigladende batterier og selvfølgelig en ny generasjon trådløse ladere, men de handler bare om bekvemmelighet.

Med den kommende æra av elbilen og mer avansert robotikk, et behov for å bytte til fornybar energi, og en stadig økende (og mer mobil gadget-sulten) global befolkning, vil menneskets evne til å lagre energi bli kritisk.

Enten vi innoverer og skaper ny og kraftigere batteriteknologi, eller vi går inn i en periode med stasis hvor mangel på mobilkraft strenger ny teknologi. Heldigvis er innovasjoner innkommende.

Telefon batterier er minst av våre bekymringer

Behovet for bærbar kraft

Elektrisk kraft, enten bærbar eller ikke, er en av hjørnesteinene i livet, og en som vi alle tar for gitt. Og vi er problemet.

"Menneskeskapet har vært så vellykket i befolkningsvekst som vi nå trenger å bekymre oss for bærekraft, sier Upal Sengupta, Application Manager, Battery Management Solutions ved Texas Instruments.

"Den elektriske kraften og teknologien som bidro til drivstoff vår vekst, må brukes og genereres på måter som minimerer deres innvirkning på vår planet. Hvis ikke, kan det bokstavelig talt være en global katastrofe."

Sengupta mener at vi først må konsentrere oss om bevaring og effektivitet, og for det andre på alternative kilder for kraftproduksjon, som solcellepaneler. Sistnevnte krever store batterier for å lagre Solens energi, slik at vi kan bruke det om natten eller på et tidspunkt når det passer oss.

For det tredje mener han at beslutningstakere av elektroniske produkter skal gjøre strømkretsløp så effektivt som mulig. Imidlertid kommer det andre bærbare enheter som vil gi store utfordringer til batteriteknologi; den elektriske bilen - og det elektriske alt.

Tesla modell 3 kan gå for 500km / 310 miles. Kreditt: Tesla

Den elektriske bilen

Å lage smarttelefoner som varer i to dager i stedet for en, vil ikke forandre verden, men spredningen av den elektriske bilen vil forandre batteriindustrien massivt.

Det er en stor utfordring, med en forventet 20 millioner elektriske kjøretøy som skal selges hvert år innen 2030, hver med et massivt litiumionbatteri.

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) mener at det vil være 530 millioner elbiler innen 2040, og at deres strømforbruk vil vokse til 1800 terawatt timer i 2040 - eller 5% av verdens samlede etterspørsel - fra bare 6 terawatt timer i 2016.

Batteriene som trengs av en elektrisk bil er veldig store. 201 Nissan Leaf har et 30kWh batteri som kan gå til 172km / 107 miles, mens den kommende Tesla Model 3 vil ha et 50kWh eller valgfritt 75kWh batteri, som kan gå henholdsvis 355km / 220 miles og 500km / 310 miles. Er det din veibeskrivelse-angst borte?

"Batteripakken vil sannsynligvis forbli den enkleste komponenten i EV-en i noen tid framover, og kostnadene er stort sett proporsjonale med kapasitet," sier Robin Shaw, Chief Technology Officer for batteri- og energilagringsleverandør Hyperdrive Innovation.

Han mener det avgjørende punktet kommer når kostnaden for en batteripakke med nok rekkevidde gjør en elektrisk bil billigere enn en tilsvarende bensin eller dieselbil. "Etter å ha sagt det, tror jeg 400 mil rekkevidde på en enkelt kostnad er rett rundt hjørnet, sikkert innen de neste tre årene," legger han til.

Teslas mektige Gigafactory er i Nevada. Kreditt: Tesla

Teslas Gigafactories

Tesla og Nissan investerer sterkt i å øke produksjonen av litium-ion-batterier. Verden produserer ca 90 GW (gigawatt timer) verdt av litiumionbatteri med elektrisk kjøretøy nå, og BNEF ser dette stige til 270 GWh innen 2021.

I Sparks, Nevada, er Tesla's Gigafactory, hvor batterikapasiteten er 35GWh. Tesla ønsker å produsere 500.000 biler i 2018, men for å gjøre det må den lage egne batterier.

Imidlertid er hovedleverandøren av elektriske bilbatterier til Tesla Panasonic, et selskap som nå kontrollerer nesten en tredjedel av markedet. Det er bare inked en avtale med Toyota for å utvikle flere batterier for elektriske kjøretøy.

Hva betyr det? Flere stordriftsfordeler, flere batterier og større batterier. Det faktum at en batterimaskin og bilprodusent jobber sammen på dette viser hvor kritisk batteribransjen er i ferd med å bli.

Solenergi krever batterier som kan tømmes og lades mange ganger

Elektrifiseringsarenaen og mikrogitteret

For Tesla handler det ikke bare om elektriske biler, men elektrisk alting. Tesla konstruerte nylig verdens største litiumionbatteri for å drive 30.000 boliger i Sør-Australia i perioder med blackout. Dessuten gjorde det på bare 100 dager.

"Økende energitetthet for litium-ion, kombinert med fallende kostnader per enhet, er en spennende innovasjon i seg selv," sier Shaw, som mener at vi er i ferd med å bli alt elektrisk.

“Måten som genereres, distribueres og forbrukes, blir forvandlet - det betyr at et stort utvalg av kjøretøyer, inkludert lagerroboter, anleggsutstyr, kommunal transport og flyplassflåter setter elektrisk, legger han til.

Kjøretøyflåter i bysentre, byggeplasser og transportnav er helt opp til elektrifisering. Nøkkelen er å effektivt lagre energi samlet fra sol eller vind, som for tiden kan gjøres ved bruk av litium-ion-batterier, bare på grunn av deres reduserte kostnad.

“Den fallende kostnaden for batterilagring skaper en rettidig mulighet til å gjøre fornybare energikilder til et mer levedyktig alternativ for kommersielle organisasjoner over hele verden ved å maksimere det grønne energiforbruket, sier Louis Shaffer, Distributed Energy Segment Manager EMEA på energiselskapet Eaton.

Hvis fornybare energikilder genererer mer energi enn en virksomhet bruker på bestemte tidspunkter, tillater batterilagring denne overflødige energien å lagres og brukes når energi ikke genereres. Bruk av lagret energi reduserer også belastningen på rutenettet i toppetider.

Dette er mikro-nettet; store batterier lagrer nok strøm til å tillate bedrifter å operere uavhengig av det større nasjonale nettverket. Dette er glimrende for å redusere CO2-utslippene, bare fordi det betyr fornybar energi ikke bortkastet.

Litiumionsteknologiens dager er nummerert

Mot solid state batterier

Trenger vi å bevege seg utover litiumionbatterier? Vi må definitivt resirkulere dem fordi etterspørselen etter litium forventes å øke fire ganger i 2025 som elektriske kjøretøyer fanger på.

Vi trenger nye kilder til rent litium og kobolt, også nye ideer, fordi nettobatterier i industriell skala må tømmes og lades så ofte at litiumionbatterier slites ut relativt raskt.

Cue magnesium-ion-batterier, som har en betydelig fordel i forhold til litium-ion; De sliter seg ikke så raskt, og de eksploderer ikke like lett. Det er et undervurdert problem for elektriske kjøretøyer (når de krasjer spesielt), så magnesium-ion-batterier er et forsøk på å gjøre et mye mer stabilt solid state-batteri.

Forskere ved det amerikanske departementet for energi Lawrence Berkeley National Laboratory og Argonne National Laboratory jobber med et magnesiumbatteri, som gir høyere energidensitet enn litium, men de kunne ikke finne en ikke-korroderende væskelektrolytt (som tjener som katalysator for å lage et ledende batteri).

"Magnesium er en ny teknologi, det har ingen gode flytende elektrolytter,” sa Gerbrand Ceder, en berkeley lab senior fakultet forsker. “Vi trodde, hvorfor ikke hoppe og lage en solid-state elektrolytt?” De klarte det også å oppdage at magnesiumskandium selenid-spinel fungerte bra.

Det kan ha en transformativ innvirkning på energilagring. “Det er enorme anstrengelser i industrien for å lage et solid state-batteri, sier Ceder.

“Det er den hellige gralen fordi du vil ha det ultimate trygge batteriet.” Det er imidlertid fortsatt arbeid å gjøre. Teknologiske fremskritt som solid state elektrolytter kan være bemerkelsesverdige, men vi er flere år fra utbredt applikasjon, sier Shaw.

Det globale skiftet mot elektriske kjøretøy vil helt forandre energibransjen, men det mangler en link.

Søket etter et solid-state batteri som er trygt og kan lagre mer energi, er det som elektriske biler trenger, det er det som nettene trenger, og det er det verden trenger hvis kjøretøy skal kjøre på elektrisk kraft i stedet for fossile brensler. Planeten avhenger av den.

  • Kan ikke vente på innovasjon? Dette er de langvarigste smarttelefonene akkurat nå