The electricity powering the lights in this theater was generated just moments ago. Because the way things stand today, electricity demand must be in constant balance with electricity supply. If in the time that it took me to walk out here on this stage, some tens of megawatts of wind power stopped pouring into the grid, the difference would have to be made up from other generators immediately. But coal plants, nuclear plants can't respond fast enough. A giant battery could. With a giant battery, we'd be able to address the problem of intermittency that prevents wind and solar from contributing to the grid in the same way that coal, gas and nuclear do today.
La electricidad que alimenta las luces en este teatro ha sido generada hace unos momentos. Porque como están las cosas hoy en día, la demanda de electricidad debe estar en constante equilibrio con la oferta. Si mientras caminaba hacia el escenario, algunas decenas de megavatios de energía eólica dejaban de fluir en la red, la diferencia tendría que haber sido compensada inmediatamente por otros generadores. Pero las plantas de carbón y las centrales nucleares no pueden responder con suficiente rapidez. Una batería gigante podría hacerlo. Con una batería gigante seríamos capaces de hacer frente al problema de intermitencia que impide a la energía eólica y solar contribuir a la red del mismo modo que hacen hoy el carbón, el gas y la energía nuclear.
You see, the battery is the key enabling device here. With it, we could draw electricity from the sun even when the sun doesn't shine. And that changes everything. Because then renewables such as wind and solar come out from the wings, here to center stage. Today I want to tell you about such a device. It's called the liquid metal battery. It's a new form of energy storage that I invented at MIT along with a team of my students and post-docs.
Vean, la batería es el dispositivo clave que permitiría hacerlo. Con ella podríamos extraer electricidad del sol, incluso cuando no brilla. Y esto cambia todo. Porque entonces las energías renovables como la eólica y la solar salen tras bambalinas, aquí al centro del escenario. Hoy quiero hablarles de un dispositivo similar. Se llama batería de metal líquido. Es una nueva forma de almacenamiento de energía que inventé en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) junto con un equipo de mis estudiantes y post-docs (postdoctorales).
Now the theme of this year's TED Conference is Full Spectrum. The OED defines spectrum as "The entire range of wavelengths of electromagnetic radiation, from the longest radio waves to the shortest gamma rays of which the range of visible light is only a small part." So I'm not here today only to tell you how my team at MIT has drawn out of nature a solution to one of the world's great problems. I want to go full spectrum and tell you how, in the process of developing this new technology, we've uncovered some surprising heterodoxies that can serve as lessons for innovation, ideas worth spreading. And you know, if we're going to get this country out of its current energy situation, we can't just conserve our way out; we can't just drill our way out; we can't bomb our way out. We're going to do it the old-fashioned American way, we're going to invent our way out, working together.
El tema de TED de este año es Full Spectrum (amplio espectro). El Diccionario Inglés Oxford define espectro como: "Toda la gama de longitudes de onda de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio más largas a los rayos gamma más cortos, de los cuales el rango de luz visible es solo una pequeña parte". No estoy aquí solo para contarles cómo mi equipo en el MIT ha extraído de la naturaleza una solución a uno de los problemas más grandes del mundo. Quiero recorrer el amplio espectro y contarles cómo, en el proceso de desarrollo de esta nueva tecnología, hemos descubierto algunas heterodoxias sorprendentes que pueden servir como lección para la innovación, ideas que vale la pena difundir. Y saben, si queremos sacar al país de la situación energética actual, la salida no pueden ser los mismos procedimientos; no podemos solo excavar; no podemos solo bombardear. Vamos a hacerlo a la antigua manera americana, vamos a inventar nuestra salida trabajando juntos.
(Applause)
(Aplausos)
Now let's get started. The battery was invented about 200 years ago by a professor, Alessandro Volta, at the University of Padua in Italy. His invention gave birth to a new field of science, electrochemistry, and new technologies such as electroplating. Perhaps overlooked, Volta's invention of the battery for the first time also demonstrated the utility of a professor. (Laughter) Until Volta, nobody could imagine a professor could be of any use.
Bien, comencemos. La batería fue inventada hace unos 200 años por un profesor, Alessandro Volta, en la Universidad de Padua, en Italia. Su invento dio origen a un nuevo campo de la ciencia, la electroquímica, y a nuevas tecnologías como la galvanoplastia. Tal vez pasó por alto, pero la invención de la batería de Volta, también demostró por primera vez la utilidad de un profesor. (Risas) Hasta Volta, parecía impensable que un profesor pudiera servir de algo.
Here's the first battery -- a stack of coins, zinc and silver, separated by cardboard soaked in brine. This is the starting point for designing a battery -- two electrodes, in this case metals of different composition, and an electrolyte, in this case salt dissolved in water. The science is that simple. Admittedly, I've left out a few details.
Aquí está la primera batería: una pila de monedas, zinc y plata, separados por cartón salmuerizado. Este es el punto de partida para el diseño de una batería: dos electrodos, en este caso metales de diferente composición, y un electrolito, en este caso sal disuelta en agua. La ciencia es así de simple. Claro que he dejado fuera algunos detalles.
Now I've taught you that battery science is straightforward and the need for grid-level storage is compelling, but the fact is that today there is simply no battery technology capable of meeting the demanding performance requirements of the grid -- namely uncommonly high power, long service lifetime and super-low cost. We need to think about the problem differently. We need to think big, we need to think cheap.
Ahora les he enseñado que la ciencia de la batería es sencilla y la necesidad de almacenar energía en red es urgente, pero el hecho es que hoy simplemente no hay tecnología de las baterías capaz de satisfacer la demanda de rendimiento que requiere la red; es decir, potencia extraordinariamente alta, larga vida útil y bajísimo costo. Tenemos que pensar el problema de manera diferente. Tenemos que pensar en grande, tenemos que pensar barato.
So let's abandon the paradigm of let's search for the coolest chemistry and then hopefully we'll chase down the cost curve by just making lots and lots of product. Instead, let's invent to the price point of the electricity market. So that means that certain parts of the periodic table are axiomatically off-limits. This battery needs to be made out of earth-abundant elements. I say, if you want to make something dirt cheap, make it out of dirt -- (Laughter) preferably dirt that's locally sourced. And we need to be able to build this thing using simple manufacturing techniques and factories that don't cost us a fortune.
Abandonemos el paradigma de la búsqueda de la mejor química con la esperanza de reducir la curva de los costos haciendo solo montones y montones de productos. En su lugar, inventemos el punto de precio del mercado de la electricidad. Eso quiere decir que ciertas partes de la tabla periódica están axiomáticamente fuera de los límites. Esta batería debe hacerse con elementos abundantes en la tierra. Yo digo, si quieren hacer algo muy barato, háganlo con la basura, (Risas) preferiblemente basura de origen local. Y tenemos que ser capaces de construir esta cosa utilizando técnicas sencillas de producción y fábricas que no nos cuesten una fortuna.
So about six years ago, I started thinking about this problem. And in order to adopt a fresh perspective, I sought inspiration from beyond the field of electricity storage. In fact, I looked to a technology that neither stores nor generates electricity, but instead consumes electricity, huge amounts of it. I'm talking about the production of aluminum. The process was invented in 1886 by a couple of 22-year-olds -- Hall in the United States and Heroult in France. And just a few short years following their discovery, aluminum changed from a precious metal costing as much as silver to a common structural material.
Así que, hace unos seis años, empecé a pensar en este problema. Y para adoptar una nueva perspectiva, busqué inspiración más allá del campo del almacenamiento de electricidad. De hecho, miré hacia una tecnología que no almacena ni produce electricidad, sino que en cambio, consume en grandes cantidades. Estoy hablando de la producción de aluminio. El proceso fue inventado en 1886 por dos jóvenes de 22 años: Hall en los Estados Unidos y Héroult en Francia. Y solo unos pocos años después de su descubrimiento, el aluminio pasó de un metal precioso costoso como la plata a ser un material estructural común.
You're looking at the cell house of a modern aluminum smelter. It's about 50 feet wide and recedes about half a mile -- row after row of cells that, inside, resemble Volta's battery, with three important differences. Volta's battery works at room temperature. It's fitted with solid electrodes and an electrolyte that's a solution of salt and water. The Hall-Heroult cell operates at high temperature, a temperature high enough that the aluminum metal product is liquid. The electrolyte is not a solution of salt and water, but rather salt that's melted. It's this combination of liquid metal, molten salt and high temperature that allows us to send high current through this thing. Today, we can produce virgin metal from ore at a cost of less than 50 cents a pound. That's the economic miracle of modern electrometallurgy.
Están viendo la casa de las celdas de una ferrería de aluminio moderna. Tiene unos 15 metros de ancho y aproximadamente un kilómetro de largo; hileras e hileras de celdas que, por dentro, se asemejan a la batería de Volta, con tres diferencias importantes. La batería de Volta funciona a temperatura ambiente. Está dotada de electrodos sólidos y un electrolito que es una solución de agua y sal. La celda de Hall-Heroult funciona a alta temperatura, suficientemente alta para mantener el aluminio líquido. El electrolito no es una solución de agua y sal, sino más bien de sal fundida. Es esta combinación de metal líquido, sal fundida y alta temperatura que nos permite enviar corriente elevada a través de esta cosa. Hoy en día, podemos producir metal virgen del mineral por menos de 1 USD el kilo. Ese es el milagro económico de la electrometalurgia moderna.
It is this that caught and held my attention to the point that I became obsessed with inventing a battery that could capture this gigantic economy of scale. And I did. I made the battery all liquid -- liquid metals for both electrodes and a molten salt for the electrolyte. I'll show you how. So I put low-density liquid metal at the top, put a high-density liquid metal at the bottom, and molten salt in between.
Esto es lo que llamó mi atención a tal punto que me obsesioné con la invención de una batería capaz de capturar esta economía de escala enorme. Y lo hice. Hice una batería completamente líquida: metales líquidos para ambos electrodos y una sal fundida para el electrolito. Les mostraré cómo. Puse metal líquido de baja densidad en la parte superior, un metal líquido de alta densidad en la parte inferior, y sal fundida en el medio.
So now, how to choose the metals? For me, the design exercise always begins here with the periodic table, enunciated by another professor, Dimitri Mendeleyev. Everything we know is made of some combination of what you see depicted here. And that includes our own bodies. I recall the very moment one day when I was searching for a pair of metals that would meet the constraints of earth abundance, different, opposite density and high mutual reactivity. I felt the thrill of realization when I knew I'd come upon the answer. Magnesium for the top layer. And antimony for the bottom layer. You know, I've got to tell you, one of the greatest benefits of being a professor: colored chalk.
Y ahora, ¿cómo elegir los metales? Para mí, el ejercicio de diseño siempre comienza aquí con la tabla periódica, formulada por otro profesor, Dmitri Mendeleyev. Todo lo que conocemos está constituido por una combinación de lo que ven representado aquí. Y eso incluye a nuestros propios cuerpos. Recuerdo el día en que estaba buscando un par de metales que pudieran adaptarse a las limitaciones de profusión en la tierra, a densidad diferente y opuesta y a reactividad recíproca alta. Sentí una emoción increíble cuando supe que había hallado la respuesta. Magnesio para la capa superior. Y antimonio para la capa inferior. Saben, tengo que decírselos, uno de los mayores beneficios de ser un profesor: tizas de colores.
(Laughter)
(Risas)
So to produce current, magnesium loses two electrons to become magnesium ion, which then migrates across the electrolyte, accepts two electrons from the antimony, and then mixes with it to form an alloy. The electrons go to work in the real world out here, powering our devices. Now to charge the battery, we connect a source of electricity. It could be something like a wind farm. And then we reverse the current. And this forces magnesium to de-alloy and return to the upper electrode, restoring the initial constitution of the battery. And the current passing between the electrodes generates enough heat to keep it at temperature.
Así que para producir corriente, el magnesio pierde dos electrones para convertirse en iones de magnesio que luego migra a través del electrolito, acepta dos electrones del antimonio, y luego se mezcla con éste para formar una aleación. Los electrones van a trabajar en el mundo real aquí, alimentando nuestros aparatos. Ahora, para cargar la batería, conectamos una fuente de electricidad. Podría ser algo como un parque eólico. Y luego invertimos la corriente. Esto obliga al magnesio a separarse y regresar al electrodo superior, restaurando la constitución inicial de la batería. Y la corriente que pasa entre los electrodos genera suficiente calor para mantener la temperatura constante.
It's pretty cool, at least in theory. But does it really work? So what to do next? We go to the laboratory. Now do I hire seasoned professionals? No, I hire a student and mentor him, teach him how to think about the problem, to see it from my perspective and then turn him loose. This is that student, David Bradwell, who, in this image, appears to be wondering if this thing will ever work. What I didn't tell David at the time was I myself wasn't convinced it would work.
Es genial, al menos en teoría. Pero, ¿realmente funciona? Entonces, ¿qué se hace después? Vamos al laboratorio. Ahora, ¿puedo contratar profesionales con experiencia? No, contrato a un estudiante y lo preparo, le enseño cómo pensar el problema para verlo desde mi punto de vista y luego lo dejo libre. Este es el estudiante, David Bradwell, que en esta imagen parece estar preguntándose si esto algún día funcionará. Lo que no le dije al momento fue que ni yo mismo estaba convencido que funcionaría.
But David's young and he's smart and he wants a Ph.D., and he proceeds to build -- (Laughter) He proceeds to build the first ever liquid metal battery of this chemistry. And based on David's initial promising results, which were paid with seed funds at MIT, I was able to attract major research funding from the private sector and the federal government. And that allowed me to expand my group to 20 people, a mix of graduate students, post-docs and even some undergraduates.
Pero David es joven, inteligente y quiere un doctorado, y sigue construyendo... (Risas) Sigue construyendo la primera batería de metal líquido de esta química. Y basado en los primeros resultados prometedores de David, pagados con el capital semilla del MIT, logré conseguir mayor financiamiento para investigación de parte del sector privado y del gobierno federal. Y eso me permitió ampliar mi grupo a 20 personas, una mezcla de egresados, post-docs e incluso algunos estudiantes universitarios.
And I was able to attract really, really good people, people who share my passion for science and service to society, not science and service for career building. And if you ask these people why they work on liquid metal battery, their answer would hearken back to President Kennedy's remarks at Rice University in 1962 when he said -- and I'm taking liberties here -- "We choose to work on grid-level storage, not because it is easy, but because it is hard."
Logré reunir gente realmente buena, personas que comparten mi pasión por la ciencia y el servicio a la sociedad y no ciencia y servicio para hacer carrera. Y si preguntan a estas personas por qué trabajan en la batería de metal líquido, su respuesta se remonta a las declaraciones del presidente Kennedy hechas en la Universidad Rice en 1962, cuando dijo –y aquí me estoy tomando la libertad– "Elegimos trabajar en el almacenamiento de energía en red, no porque sea fácil, sino porque es difícil".
(Applause)
(Aplausos)
So this is the evolution of the liquid metal battery. We start here with our workhorse one watt-hour cell. I called it the shotglass. We've operated over 400 of these, perfecting their performance with a plurality of chemistries -- not just magnesium and antimony. Along the way we scaled up to the 20 watt-hour cell. I call it the hockey puck. And we got the same remarkable results. And then it was onto the saucer. That's 200 watt-hours. The technology was proving itself to be robust and scalable. But the pace wasn't fast enough for us. So a year and a half ago, David and I, along with another research staff-member, formed a company to accelerate the rate of progress and the race to manufacture product.
Esta es la evolución de la batería de metal líquido. Empezamos aquí con nuestro caballo de batalla: la celda de un vatio-hora. Yo la llamo copita. Hemos construido más de 400, perfeccionando su rendimiento con una serie de composiciones químicas; no solo magnesio y antimonio. En el proceso pasamos a la celda de 20 vatios-hora. Yo la llamo disco de hockey. Y conseguimos los mismos notables resultados. Y luego estaba en el platillo. Esa es de 200 vatios-hora. La tecnología estaba demostrando ser sólida y escalable. Pero el ritmo no era suficientemente rápido para nosotros. Así que hace un año y medio, David y yo, junto con otro miembro del personal de investigación, formamos una compañía para acelerar el ritmo de los avances y la carrera para la fabricación del producto.
So today at LMBC, we're building cells 16 inches in diameter with a capacity of one kilowatt-hour -- 1,000 times the capacity of that initial shotglass cell. We call that the pizza. And then we've got a four kilowatt-hour cell on the horizon. It's going to be 36 inches in diameter. We call that the bistro table, but it's not ready yet for prime-time viewing. And one variant of the technology has us stacking these bistro tabletops into modules, aggregating the modules into a giant battery that fits in a 40-foot shipping container for placement in the field. And this has a nameplate capacity of two megawatt-hours -- two million watt-hours. That's enough energy to meet the daily electrical needs of 200 American households. So here you have it, grid-level storage: silent, emissions-free, no moving parts, remotely controlled, designed to the market price point without subsidy.
Hoy en la LMBC, estamos construyendo celdas de 41 cm de diámetro con una capacidad de un kilovatio-hora; 1.000 veces la capacidad de la celda copita inicial. La llamamos pizza. Y ya está en desarrollo una celda de cuatro kilovatios-hora que tendrá un diámetro de 60 centímetros. A esa la llamamos mesa de bistro, pero todavía no está lista para ser mostrada. Y una variante de la tecnología nos permite apilar estas mesas de bistro en módulos, que se agregan en una batería gigante que encaja en un contenedor de 12 metros para la colocación en el campo. Y esta tiene una capacidad nominal de 2 megavatios-hora: dos millones de vatios-hora. Energía suficiente para satisfacer las necesidades de electricidad diarias de 200 hogares estadounidenses. Aquí está, el acumulador de energía de red: silencioso, libre de emisiones, sin piezas móviles, a control remoto, diseñado para un precio de mercado sin subsidio.
So what have we learned from all this? (Applause) So what have we learned from all this? Let me share with you some of the surprises, the heterodoxies. They lie beyond the visible. Temperature: Conventional wisdom says set it low, at or near room temperature, and then install a control system to keep it there. Avoid thermal runaway. Liquid metal battery is designed to operate at elevated temperature with minimum regulation. Our battery can handle the very high temperature rises that come from current surges. Scaling: Conventional wisdom says reduce cost by producing many. Liquid metal battery is designed to reduce cost by producing fewer, but they'll be larger. And finally, human resources: Conventional wisdom says hire battery experts, seasoned professionals, who can draw upon their vast experience and knowledge. To develop liquid metal battery, I hired students and post-docs and mentored them. In a battery, I strive to maximize electrical potential; when mentoring, I strive to maximize human potential. So you see, the liquid metal battery story is more than an account of inventing technology, it's a blueprint for inventing inventors, full-spectrum.
Entonces, ¿qué hemos aprendido de todo esto? (Aplausos) ¿Qué hemos aprendido de todo esto? Permítanme compartir con ustedes algunas sorpresas, las ideas no convencionales. No se ven a simple vista. Temperatura: la sabiduría popular sugiere mantenerla baja -a temperatura ambiente o casi- y luego instalar un sistema de control para mantenerla constante. Evitar escapes térmicos. La batería de metal líquido está diseñada para funcionar a temperatura elevada con una regulación mínima. Nuestra batería es capaz de responder a temperaturas muy altas que originan los picos de corriente. Proporción: la sabiduría popular sugiere producir muchas para reducir los costos. La batería de metal líquido está diseñada para reducir el costo produciendo pocas, pero serán más grandes. Y finalmente, los recursos humanos: La sabiduría popular sugiere contratar a expertos de la batería, profesionales avezados, que puedan aprovechar su enorme experiencia y conocimiento. Para desarrollar la batería de metal líquido, contraté estudiantes y post-docs y los instruí. En una batería, me esfuerzo por maximizar el potencial eléctrico; cuando instruyo, me esfuerzo por maximizar el potencial humano. Como pueden ver, la historia de la batería de metal líquido más que un relato sobre la invención de una tecnología, es un proyecto para crear inventores, de amplio espectro.
(Applause)
(Aplausos)