Det är ett svårt val:gå hungrig eller gå ensam.

När soldater tyngs ner på slagfältet av matförråd och de tunga batteripaketen som driver deras kommunikationsutrustning, de väljer ofta att lämna ransonerna. Det är en uppoffring som görs för att hålla enheter påslagna och kommunikationslinjer öppna i fält.

Mindre, batterier som håller längre skulle hjälpa till att lätta en soldats belastning, så USC-forskare arbetar med det amerikanska försvarsdepartementet för att utveckla bättre batterier som väger hälften så mycket som nuvarande kraftpaket.

Batteritekniken har inverkan utanför militären, för, eftersom batterier driver allt från mobiltelefoner till bilar. När världens energibehov växer, USC-forskare tar en ny titt på en batteridriven framtid. Innovativa batterier kan hjälpa oss att lagra förnybar energi i storskaliga energinät för att betjäna hela städer, minska vårt beroende av fossila bränslen. På samma gång, forskare har upptäckt nya källor för denna energi.

Tävlingen är igång för att driva en ny batterirevolution.

Nya material för mer effektiv, Renare batterier

Det finns många typer av uppladdningsbara batterier, men bland de mest förekommande är de i våra mobiltelefoner och datorer:litiumjonbatterier. Dessa enheter kan lagra dubbelt så mycket energi i volym som nickel-metallhydridvarianter, och de är i allmänhet lättare, för. Men de är också kända för sin benägenhet att hetta upp sig (och beklagade sig för att de dör vid de mest obekväma tiderna). Över tid, de försämras och förlorar sin förmåga att hålla en elektrisk laddning. Experter säger att trots deras popularitet, deras dagar kan vara räknade.

"Ett av de största problemen med litiumjonbatterier är att litium inte är ett rikligt material, så det är helt enkelt inte hållbart", säger Sri Narayan, professor i kemi vid USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences och en vetenskaplig meddirektör vid USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Faktiskt, om du ser in i en avlägsen framtid, vi kan få slut på litium om vi fortsätter att konsumera det i nuvarande takt. Vi behöver alternativa material som packar mer energi i samma volym utan mycket litium."

Narayan tror att ett hållbart alternativ ligger i svavel, en riklig och billig naturresurs. Genom att lägga till ett unikt ledningsmembran till ett litium-svavelbatteri, han skapade ett batteri som producerar tre gånger så mycket energi för sin storlek än nuvarande litiumjonteknik. Eftersom dessa batterier skulle vara mindre och bättre på att lagra elektrisk laddning än litiumjonbatterier, de skulle vara idealiska när mer energi behöver packas in i en liten enhet. Enligt Narayan, de kan användas i mobiltelefoner, datorer och så småningom elfordon, inklusive bilar och till och med flygplan.

Den banbrytande potentialen i hans arbete uppmärksammades av det amerikanska försvarsdepartementet, som har finansierat Narayans forskning för att utveckla ett lättare batteri för soldater på slagfältet.

Chongwu Zhou, professor i elektroteknik vid USC Viterbi School of Engineering, har vänt sig till en annan naturresurs för att förbättra mobiltelefonbatterierna. Hans design använder natrium - ett element som vanligtvis förknippas med bordssalt - som ersättning för litium. Zhous innovativa natriumjonbatteri kan laddas till 50 procent kapacitet på bara 2 minuter. Även om det fortfarande är under utveckling och ännu inte är redo för marknaden, det har redan en fördel jämfört med befintliga batterier:tillverkning. Natrium är billigt och rikligt, och det är lättare för miljön än litium, som måste brytas.

Batteriteknik som är pålitlig och motståndskraftig

En timmes solljus ger mer än all energi som förbrukas på planeten på ett år. Solpaneler är ett sätt för oss att utnyttja en del av detta universella, gratis strömkälla — men vad händer en regnig dag? Solpaneler kan bara generera ström när solen skiner på dem, och vindkraftverk kan bara generera ström när det blåser. Upp- och nedgångarna i utbudet från dessa förnybara källor gör det svårt för kraftbolagen att lita på dem för att möta kundernas efterfrågan i realtid.

"Det är säkert att säga att solen kommer att vara där under de kommande 4,5 miljarderna åren; därför, vi har inte en energikris utan en energilagringskris, " säger Surya Prakash, professor i kemi och innehavare av George A. och Judith A. Olah Nobelpristagare i kolvätekemi.

Om batterier kunde lagra överskottsenergi för att hålla en jämn försörjning till hands, fastän, att sporadisk opålitlighet skulle kunna sluta vara ett problem. Det är därför Prakash och Narayan har utvecklat ett vattenbaserat organiskt batteri som är långvarigt och byggt av billiga, miljövänliga komponenter. Denna nya design använder inga metaller eller giftiga material och är avsedd för användning i sol- och vindkraftverk, där dess storskaliga lagringskapacitet skulle kunna göra energinätet mer motståndskraftigt och effektivt.

Deras batteriteknik skiljer sig från de konventionella batterier som konsumenterna känner till. Det kallas ett redoxflödesbatteri och består av två tankar med vätska, som lagrar energin. Vätskorna pumpas genom elektroder som är separerade av ett membran. Vätskan innehåller elektrolyter, och joner och elektroner strömmar från en vätska till den andra genom membranet och sedan elektroden, skapar en elektrisk ström.

"Megaskalig energilagring är ett kritiskt problem i framtiden för förnybar energi, " Narayan säger. "Dessa flödesbatterier kan lätt skalas upp för att lagra den typ av överskottsenergi som genereras."

Liknar en liten byggnad, redoxflödesbatteriet Prakash föreställer sig skulle fungera som en slags batterifarm, lagra överskottsenergi som genereras från närliggande solpaneler eller vindkraftverk. "Du skulle inte använda all energi som lagras för att driva enskilda hem, utan snarare för att hålla nätet balanserat, " säger Prakash, direktör för USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "När kraven på kraft ökar, lagringen som tillhandahålls av dessa batterier hjälper till att balansera nätet genom att tillåta lastförskjutning, så att du inte bara litar på att bränna fossila bränslen."

De nya vattenbaserade organiska flödesbatterierna håller i cirka 5, 000 laddningscykler – fem gånger längre än traditionella litiumjonbatterier – vilket ger dem en livslängd på cirka 15 år. Till en tiondel av kostnaden för litiumjonbatterier, de är också mycket billigare att tillverka tack vare deras användning av rikligt, hållbara material.

Narayan och Prakash har testat ett 1-kilowatt flödesbatteri som kan driva de grundläggande elbehoven i ett litet hus. "Vi tittar härnäst på att skala upp för att lagra tillräckligt med energi för ett helt stadskvarter, själva staden, och slutligen för en megastad som Los Angeles, " säger Narayan.

Ett nytt ramverk för att lagra energi

Med den årliga globala energiförbrukningen som förväntas fortsätta att öka med cirka 50 procent under de kommande 30 åren, att förlita sig på förnybara resurser är en av de viktigaste drivkrafterna för att driva hållbar teknologiforskning framåt. Världen kan inte fortsätta att förlita sig på fossila bränslen för att möta energibehov utan förödande miljökonsekvenser, säger forskare.

"Vad vi måste göra inom de kommande 30 åren är att diversifiera vår energiportfölj så att den inkluderar förnybara energikällor och införliva dem gradvis för att avvänja oss från att bränna fossila bränslen, eller åtminstone skära ner dramatiskt, " säger Smaranda C. Marinescu, Gabilan biträdande professor i kemi vid USC Dornsife.

Marinescu fokuserar på att samla energi som skördats från solljus och lagra den som kemisk energi - ungefär som växter gör genom fotosyntes. Hon och hennes team arbetar på ett sätt att omvandla den lagrade energin till elektricitet genom att använda så kallade metallorganiska ramverk. Dessa flexibla, ultratunna och mycket porösa kristallina strukturer har unika egenskaper som har använts av forskare främst för att absorbera och separera olika typer av gas. Deras användning för energitillämpningar verkade vara en förlorad sak eftersom forskare trodde att de inte kunde leda elektricitet. Men Marinescus arbete har förändrat det.

I labbet, hennes team experimenterade med materialet. De tog elektroner som var lokaliserade i bindningar (vilket hindrar dem från att leda elektricitet) och spred ut dem över flera bindningar, utveckla fasta ämnen som nu kan bära elektrisk ström på samma sätt som metaller gör. "Metal-organiska ramverk har nu potential för förnybar energiproduktion och lagring, " säger Marinescu.

De ramverk som utvecklats av hennes forskargrupp innehåller billiga grundämnen och kan omvandla surt vatten till väte. Detta representerar ett enormt framsteg, eftersom dessa material en dag skulle kunna användas i tekniker som de för vätgasdrivna fordon. De kan också spridas tunt över ett stort område:Det krävs bara 10 gram av materialet för att belägga en yta lika stor som en fotbollsplan.

Tekniken öppnar dörren för lagring av förnybar energi till en enorm, nästan otänkbar skala.

Batterier med ett eget liv

Kan framtidens batterier komma från levande organismer?

Moh El-Naggar, Robert D. Beyer ordförande för tidig karriär i naturvetenskap och professor i fysik och astronomi, biologiska vetenskaper och kemi vid USC Dornsife, tycker att naturen har en viss överraskande potential för makt.

El-Naggar studerar den ovanliga metabolismen av bakterier som Shewanella oneidensis. Bakterierna överför elektroner till fasta ytor som sten, skapar små elektriska laddningar. För att skapa ett levande "bakteriebatteri, " El-Naggars team föreställer sig en mikrobiell bränslecell som kan generera energi genom att fånga elektroner från bakterierna via elektroder. Forskarna designar teknologier som utnyttjar bakteriernas naturliga elektronöverföringsprocess.

"Bakterierna är högt utvecklade maskiner som är riktigt bra på att omvandla energi och interagera med de icke-levande delarna av miljön, " säger El-Naggar. "Vi arbetar också med att använda bakteriernas egna naturliga processer för att tillverka biobränslen eller bygga halvledare för ren energiteknik som solceller."

Men El-Naggar varnar för att bakterier sannolikt aldrig kommer att vara svaret på storskaliga energibehov. "Jämfört med mer traditionella batterier, krafttätheten vi får från att utnyttja biologi är vanligtvis lägre, " säger El-Naggar. "Men det finns specifika nischer som faktiskt förlitar sig på låg effekt där det är en utmaning att använda traditionella kraftkällor."

Till exempel, mikrober och enheter kan placeras på botten av havet och generera tillräckligt med kraft för små, mycket känsliga sensorer. Den amerikanska militären utvecklar sådana sensorer för undervattensövervakning. Att använda levande batterier för sensorer på avlägsna platser i havet skulle vara mycket mer praktiskt än att behöva byta traditionella batterier eller leverera bränsle till dessa sensorer.

El-Naggars arbete kan leda till utvecklingen av nya hybridmaterial och förnybara teknologier som kombinerar mikroorganismer med nanoteknologins syntetiska byggstenar, potentiellt skapa en ny hybridform av hållbar energi.

Även om det sannolikt kommer att finnas mer än en lösning för att driva planeten hållbart, El-Naggar ser en möjlighet att störa status quo. Han ser också att universitetet är redo att utöka möjligheterna för vad bättre batterier kan göra.

"USC är riktigt bra på att bryta ner murar mellan vetenskapliga discipliner, och detta är en viktig fördel för innovation inom området förnybar energi, som inte definieras av någon disciplin, " säger El-Naggar. Hans labb innehåller lika många doktorander och postdoktorer i fysik, biologiska vetenskaper och kemi.

"Vi är ganska kvicka när det gäller att flytta över de traditionella gränserna för vetenskapliga områden."