Eftersom efterfrågan på mobila datorer och allelektriska bilar ökar, presenterar begränsningarna av den nuvarande batteritekniken en vägspärr. Inventad på 1790-talet av den italienska fysikern Alessandro Volta, har det elektriska batteriet varit arbetshästen för många gadgets, enheter och maskiner.

Eftersom konsumentenheter har blivit mindre och deras oavbrutna användning innan de laddas upp viktigare, har det också blivit allt viktigare att batterierna blir både miniatyriserade och mer energieffektiva. Detta har dock visat sig vara ett tekniskt hinder som, om det överträffas, kommer att bli en viktig och lönsam utveckling för morgondagens högteknologiska ekonomi.

Batteriteknik

Alla elektriska batterier bygger på den grundläggande kemiska reaktionen av reduktion och oxidation (redox) som kan uppstå mellan två olika material. Dessa reaktioner är inrymda i en sluten och förseglad behållare. Katoden eller den positiva terminalen reduceras av anoden eller den negativa terminalen, där oxidation sker. Katoden och anoden separeras fysiskt med en elektrolyt som tillåter elektroner att enkelt strömma från en terminal till den andra. Detta flöde av elektroner medför en elektrisk potential, vilket möjliggör en elektrisk ström när en krets är fullbordad.

Engångsbatterier (så kallade primära batterier), som AA- och AAA-storlek celler produceras av företag som Energizer (ENR ENREnergizer Holdings Inc41. -0. 02% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ), lita på en teknik som inte bidrar till moderna applikationer. För en, är de inte laddningsbara. Dessa så kallade alkaliska batterier använder en mangandioxidkatod och en zinkanod, separerad av en utspädd kaliumdioxidelektrolyt. Elektrolyten oxiderar zinket i anoden medan mangandioxid i katoden reagerar med oxiderade zinkjoner för att skapa elektricitet. Gradvis byggs reaktionsbiprodukter i elektrolyten och mängden zink som kvarstår för att oxideras minskar. Så småningom dör batteriet. Dessa batterier ger vanligen 1,5 volts el och kan ordnas i serieform för att öka den mängden. Till exempel ger två AA-batterier i serie tre volt elektricitet.

Uppladdningsbara batterier (kända som sekundära batterier) fungerar på ungefär samma sätt, med hjälp av en reduktionsoxideringsreaktion mellan två material, men de tillåter också reaktionen att strömma i omvänd. De vanligaste laddningsbara batterierna på marknaden idag är litiumjon (LiOn), men även andra andra tekniker har provats i sökandet efter ett fungerande uppladdningsbart batteri, inklusive nickelmetallhydrid (NiMH) och nickelkadmium (NiCd).

NiCd var de första kommersiellt tillgängliga uppladdningsbara batterierna för massmarknadsanvändning, men drabbades av att endast ha ett begränsat antal laddningar. NiMH ersatte NiCd-batterier och kunde laddas oftare. Tyvärr hade de en mycket kort hållbarhetstid, så om de inte användes strax efter att de hade producerats kunde de vara ineffektiva. LiOn-batterier löst dessa problem genom att komma i en liten behållare, ha en lång hållbarhet och tillåta många laddningar. Men LiOn-batterier är inte de vanligaste i konsumentelektroniken som mobila enheter och bärbara datorer. Dessa batterier är mycket dyrare än engångs alkaliska batterier och kommer vanligtvis inte i de traditionella storlekarna AA, AAA, C, D osv. (Se även: Lithiumjonbatterilager .)

Den senaste typen av laddningsbara batterier som de flesta känner till är flytande blybatterier, som oftast används som bilbatterier. Dessa batterier kan ge mycket kraft (som vid kallstart av en bil), men innehåller farliga material, inklusive bly och svavelsyra, som används som elektrolyt. Dessa batterier måste kasseras med försiktighet för att inte förorena miljön eller orsaka fysisk skada för dem som hanterar dem.

Målet med nuvarande batteriteknik är att skapa ett batteri som kan matcha eller förbättra prestandan hos LiOn-batterier, men utan de stora kostnaderna i samband med deras produktion. Inom litiumjonfamiljen har ansträngningarna varit inriktade på att lägga till ytterligare ingredienser för att öka batteriets effektivitet samtidigt som prisnivån sänks. Till exempel finns l ithium-kobolt (LiCoO2) arrangemang nu i många mobiltelefoner, bärbara datorer, digitalkameror och bärbara produkter. L ithium-mangan (LiMn2O4) celler används mest för elverktyg, medicinska instrument och elmotorer, såsom de som finns i elbilar. (För mer, se: Varför är Tesla-bilar så dyra? )

För närvarande finns det lag som utför forskning och utveckling för att öka prestanda för litiumbaserade batterier. Lithium-luft (Li-Air) -batterier är en spännande nyutveckling som möjliggör mycket större energilagringskapacitet - upp till 10 gånger mer kapacitet än ett vanligt LiOn-batteri. Dessa batterier skulle bokstavligen "andas" luft genom att använda fri syre för att oxidera anoden. Medan denna teknik verkar lovande finns det ett antal tekniska problem, bland annat en snabb uppbyggnad av prestanda-minskande biprodukter och problemet med "plötslig död" där batteriet slutar fungera utan varning.

Litium-metallbatterier är också en imponerande utveckling, och lovar nästan fyra gånger mer energieffektivitet än den nuvarande elektriska bilbatterietekniken. Denna typ av batteri är också mycket billigare att producera, vilket kommer att sänka kostnaden för produkter som använder dem. Säkerhetsproblem är dock ett stort problem eftersom dessa batterier kan överhettas, orsaka brand eller explodera om de är skadade.Annan ny teknik som bearbetas är litiumsulfat och kiselkarbon, men dessa celler är fortfarande i de tidiga faserna av forskning och är ännu inte kommersiellt lönsamma.

Investering i batteriteknik

Om och när batteriteknik tar av sig i dessa spännande nya riktningar, kommer det att sänka produktionskostnaden för konsumentelektronik och elbilar som de som tillverkas av Tesla Motors (TSLA TSLATesla Inc306. 05 + 1. 08% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ). Tesla tillkännagav nyligen konstruktion av en "gigafactory" för att inte bara producera fler fordon utan även producera egna LiOn-batterier i hus, i kombination med japansk elektronikjätte Panasonic (ADR: PCRFY). Genom att ta batteriproduktionsproblemet i egna händer kan Tesla ha hittat ett bra sätt att få investeringsexponering för både elbilar och batteriteknik. (Se även: Hybridbatterier spelar .)

Enligt en rapport från energikonsulent Navigant Research, LG Chem i Sydkorea, Johnson Controls (JCI JCIJohnson Controls International PLC40. 99-0. 24% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ), och privatägd AESC är ledare inom batteriteknikutrymmet. Följande företag är Panasonic, Hitachi (ADR: HTHIY), Toshiba (ADR: TOSBF), Samsung (ADR: SSNLF) och EnerSys (ENS ENSEnerSys Inc68. 00-1. 06% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ).

Av dessa företag är endast EnerSys ett rent spel på batterier. Det är för närvarande den största tillverkaren av industriella batterier världen över. Samtliga andra företag, även om de är innovativa i rymden, är också inblandade i andra företag. Mindre, rena spelbolag som för närvarande inte ligger i branschens framkant kan komma fram. För de investerare som söker ett rent spel finns det några alternativ:

• Arotech Corp (ARTX ARTXArotech Corp3. 90 + 1. 30% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ) utvecklar och distribuerar litium- och zinkluftbatterier och räknar amerikanska militären bland sina kunder.
• PolyPore Inc. (PPO) producerar högspecialiserade litiumpolymerbatterier, huvudsakligen för industriell och medicinsk användning.
• Ener1 (OTCMKTS: HEVVQ) är ett alternativt energibolag som har ett majoritetsägt joint venture med Delphi Automotive (DLPH DLPHDelphi Automotive PLC97. 26-0. 01% Skapat med Highstock 4 2. 6 ) för att skapa batterilösningar för elbilar.
• Haydale Graphene Industries PLC (LON: HAYD) är ett brittiskt företag som utnyttjar nanoteknik och materialgrafen för att bland annat producera grafenbaserade batterier. Applied Graphene Materials (OTCMKTS: APGMF) genomför även forskning för sådana tillämpningar.

För de som söker en indirekt exponering är de tre största litiummalmproducenterna ett chilenskt företag Sociedad Quimica y Minera (SQM SQMSoquimich59. 83 + 1. 51% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ), FMC Corp. (FMC FMCFMC Corp93. 51 + 2.80% Skapat med Highstock 4. 2. 6 ) och Rockwood (ROC). Det finns också en litium-aktie ETF som handlar under tickersymbolen LIT LITGlb X Lth & Battr40. 01 + 1. 21% Skapat med Highstock 4. 2. 6 . ( För mer, se: Investera i nästa Megatrend: Litium .)

Bottom Line

Batterier för el har alltid varit viktiga i modern tid. Men med tillkomsten av mobila datorer och elbilar kommer deras betydelse att fortsätta att växa. Just nu, till exempel, batteripaket står för mer än hälften av kostnaden för en Tesla bil. (Se även: Vad är det bästa sättet att få exponering för elbilar när de investerar i bilindustrin? )

På grund av sin växande betydelse ökar forskningen på nyare och bättre uppladdningsbara batterier. Litium-luft- och litium-metallbatterier kan visa sig vara den framsteg som spelar någon roll. Om de här teknikerna slutar betala, kan investeringar i stora företag som är involverade i batteriproduktion, i ren-play litiumjonproducenter eller indirekt exponering via litiummetallproducenter bidra till att stärka en portföljs framtida prestanda.