De flesta av oss kör på tomt. Sedan mobiltelefonen skapade en smartphone-första värld har vi alla blivit anpassade till batteriernas behov.

Den dagliga eller nattliga laddningen av smarttelefonen är den vanligaste, men bärbara datorer, tabletter, dronor, trådlösa hörlurar, smartwatches och andra bärbara enheter blir vanligare.

Vi laddar hela tiden batterier, det finns några försök att skapa snabbladdningsbatterier och naturligtvis en ny generation trådlösa laddningsenheter, men de handlar bara om bekvämlighet.

Med den elektriska bilens kommande era och mer avancerade robotik, ett behov av att byta till förnybar energi och en ständigt ökande (och mer mobil gadget-hungrig) global befolkning kommer mänsklighetens kapacitet att lagra energi att bli kritisk.

Antingen vi innoverar och skapar ny och kraftfull batteriteknik, eller vi går in i en period av stasis där brist på mobilkraft stränger ny teknik. Lyckligtvis är innovationer inkommande.

Telefon batterier är minst av våra bekymmer

Behovet av bärbar kraft

Elkraft, oavsett bärbar eller ej, är en av hörnstenarna i livet, och en som vi alla tar för givet. Och vi är problemet.

"Människan har varit så framgångsrik för befolkningstillväxten att vi nu måste oroa sig för hållbarhet", säger Upal Sengupta, Application Manager, Battery Management Solutions på Texas Instruments.

"Den elektriska kraften och tekniken som bidrog till att bränna vår tillväxt kommer att behöva användas och genereras på sätt som minimerar deras påverkan på vår planet. Om inte skulle det kunna vara en global katastrof."

Sengupta anser att vi måste koncentrera oss först om bevarande och effektivitet, och för det andra om alternativa källor för elproduktion, som solpaneler. Den senare kräver stora batterier för att lagra solenergi, så vi kan använda den på natten eller i en tid när det passar oss.

För det tredje anser han att tillverkare av elektroniska produkter borde göra kraftöverföringskretsar så effektivt som möjligt. Det finns dock andra bärbara enheter som kommer att ge stora utmaningar för batteritekniken. elbilen - och det elektriska allt.

Tesla Model 3 kan gå för 500km / 310 miles. Kredit: Tesla

Elbilen

Att skapa smartphones som varar i två dagar istället för en kommer inte att förändra världen, men spridningen av elbilen kommer att förändra batterinäringen massivt.

Det är en stor utmaning, med en förväntad 20 miljoner elbilar som säljs årligen 2030, var och en använder ett massivt litiumjonbatteri.

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) tror att det kommer att finnas 530 miljoner elbilar år 2040 och att deras elförbrukning kommer att öka till 1.800 terawattimmar i 2040 - eller 5% av världens energibehov - från bara 6 terawatt timmar 2016.

Batterierna som behövs av en elbil är riktigt stora. Nissanbladet från 2016 har ett 30kWh-batteri som kan gå 172km / 107 miles, medan den kommande Tesla-modellen 3 kommer att ha ett 50kWh eller 75kWh-batteri som kan gå för 355km / 220 miles respektive 500km / 310 miles. Är det din vägen-ångest borta?

"Batteripaketet kommer sannolikt att förbli den enklaste komponenten i EV-apparater under en tid framöver, och kostnaderna är i stort sett proportionella mot kapacitet", säger Robin Shaw, teknisk chef för batteri- och energilagringsleverantör Hyperdrive Innovation.

Han tror att den avgörande punkten kommer när kostnaden för ett batteri med tillräckligt intervall gör en elbil billigare än en motsvarande bensin eller dieselbil. "Jag har sagt att 400 milsintervallet på en enda laddning ligger precis runt hörnet, säkerligen inom de närmaste tre åren," tillägger han.

Teslas mäktiga Gigafactory är i Nevada. Kredit: Tesla

Teslas Gigafactories

Tesla och Nissan satsar kraftigt på att öka produktionen av litiumjonbatterier. Världen producerar ca 90GWh (gigawatt timmar) värt av el-litiumjonbatterier nu, och BNEF ser detta stiga till 270GWh före 2021.

I Sparks, Nevada, är Tesla Gigafactory, där batteriproduktionskapaciteten är 35GWh. Tesla vill producera 500 000 bilar år 2018, men för att göra det behöver man göra egna batterier.

Huvudleverantören av elbilbatterier till Tesla är dock Panasonic, ett företag som nu kontrollerar nästan en tredjedel av marknaden. Det har bara blivit ett avtal med Toyota att gemensamt utveckla fler batterier för elbilar.

Vad betyder det? Mer skalfördelar, fler batterier och större batterier. Det faktum att en batteribryggare och bilproducent jobbar tillsammans på detta visar hur kritisk batterinäringen är på väg att bli.

Solenergi kräver batterier som kan tömmas och laddas upp många gånger

Elektrifieringsera och mikrogrid

För Tesla handlar det inte bara om elbilar, utan också för el. Tesla konstruerade nyligen världens största litiumjonbatteri för att driva 30 000 bostäder i södra Australien under perioder av blackout. Dessutom gjorde det på bara 100 dagar.

"Ökad energitäthet för litiumjon, i kombination med fallande kostnader per enhet, är en spännande innovation i sig", säger Shaw, som tycker att vi är på väg att allt blir elektriskt.

“Det sätt på vilket energi genereras, distribueras och konsumeras omvandlas - det betyder ett stort utbud av fordon inklusive lagerrobotar, byggutrustning, kommunal transport och flygplatsflottor som vrider el, "tillägger han.

Fordonsflottor i stadskärnor, byggarbetsplatser och transportnav är alla upp för elektrifiering. Nyckeln är att effektivt lagra energi som samlas in från sol eller vind, vilket för närvarande kan göras med hjälp av litiumjonbatterier endast på grund av deras minskade kostnad.

“Den fallande kostnaden för batterilagring skapar en snabb möjlighet att göra förnybara energikällor ett mer livskraftigt alternativ för kommersiella organisationer runt om i världen genom att maximera den gröna energiförbrukningen ", säger Louis Shaffer, Distributed Energy Segment Manager EMEA hos Power Management Company Eaton.

Om förnybara energikällor genererar mer energi än en företagsanvändning vid vissa tillfällen tillåter batteriladdningen att denna överskottsenergi lagras och används när energi inte genereras. Användning av lagrad energi minskar även belastningen på gallret vid högtider.

Detta är mikronätet; stora batterier lagrar tillräckligt med ström för att tillåta företag att fungera oberoende av det större nationella nätet. Det här är briljant för att minska koldioxidutsläppen helt enkelt för att det innebär att förnybar energi inte slösas bort.

Litiumjonsteknologins dagar är numrerade

Mot solid state-batterier

Behöver vi flytta bortom litiumjonbatterier? Vi behöver definitivt återvinna dem eftersom efterfrågan på litium förutspås öka fyra gånger 2025 då elektriska fordon fångar på.

Vi behöver nya källor till rent litium och kobolt, även nya idéer, eftersom nätförvaringsbatterier i industriell skala måste tömmas och laddas så ofta att litiumjonbatterier slits ut relativt snabbt.

Cue magnesiumjonbatterier, som har en betydande fördel gentemot litiumjon; De sliter inte så snabbt ut och de exploderar inte lika lätt. Det är ett undervärderat problem för elbilar (när de kraschar specifikt), så magnesiumjonbatterier är ett försök att göra ett mycket stabilare solid state-batteri.

Forskare vid US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory och Argonne National Laboratory arbetar på ett magnesiumbatteri, vilket ger högre energidensitet än litium, men de kunde inte hitta en icke-frätande flytande elektrolyt (som fungerar som katalysator för att göra ett ledande batteri).

"Magnesium är en sådan ny teknik, det har ingen goda flytande elektrolyter,” sade Gerbrand Ceder, en berkeley lab senior fakultet forskare. “Vi trodde varför inte hoppa och göra en solid-state elektrolyt?” De lyckades också upptäcka att magnesiumscandium selenidspinel fungerade bra.

Det kan ha en transformativ inverkan på energilagring. “Det finns enorma ansträngningar inom industrin att göra ett solid state-batteri, säger Ceder.

“Det är den heliga graden eftersom du skulle ha det ultimata säkra batteriet.” Det finns dock fortfarande arbete att göra. "Tekniska framsteg som solid state elektrolyter kan vara anmärkningsvärda, men vi är flera år från utbredd applikation", säger Shaw.

Den globala övergången mot elfordon kommer helt att förändra energinäringen, men det finns en saknad länk.

Sökningen efter ett solid state-batteri som är säkert och kan spara mer energi är vad elbilar behöver, det är vad nätet behöver, och det är vad världen behöver om fordon ska köras på el i stället för fossila bränslen. Planeten beror på den.

  • Kan inte vänta på innovation? Det här är de längstgående smarttelefonerna just nu