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.
L'électricité qui alimente les ampoules de cette salle, a été générée il y a quelques instants. Parce que de nos jours, la demande en électricité doit toujours être en équilibre avec son approvisionnement. Supposons que pendant que je me présentais sur scène quelques dizaines de mégawatts fournis par des éoliennes arrêtaient d'approvisionner le réseau, il faudrait générer l'équivalent en énergie immédiatement à partir d'autres génératrices . Mais les centrales au charbon, et les centrales nucléaires ne peuvent répondre assez vite. Une pile géante en serait capable. Avec une pile géante, nous serions capables de régler les problèmes de disponibilité qui empêchent les énergies éoliennes et solaires de contribuer au réseau comme le peuvent les centrales nucléaires, au charbon et au gaz.
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.
Vous voyez, la pile devient la clé de voûte du système. Avec ça, nous pouvons produire de l'électricité avec le soleil même s'il ne brille pas. Ça change toute la donne. Parce que les énergies renouvelables comme l'éolienne et le solaire partent des pales pour parvenir jusqu'à cette scène. Aujourd'hui je veux vous parler de ce système. On l'appelle la pile au métal liquide. C'est une nouvelle forme de stockage de l'énergie que j'ai inventée au MIT avec mon équipe d'étudiants et de post-doctorants.
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.
Le thème de la conférence TED, cette année, est « Le spectre complet ». Le Dictionnaire Oxford en donne cette définition: « La gamme complète des longueurs d'ondes du spectre électromagnétique, en partant des ondes radio, très longues, jusqu'aux rayons gamma les plus courts duquel la plage de la lumière visible ne représente qu'une petite partie. » Bon, je ne suis pas ici juste pour vous dire comment mon équipe du MIT a pu soutirer de la nature la solution à l'un des plus grands problèmes sur terre. Je veux vous montrer la vue d'ensemble et vous expliquer comment tout en développant cette nouvelle technologie, nous avons découvert des anticonformismes surprenants qui peuvent servir de leçon pour l'innovation, des idées qui valent qu'on les partage. Vous savez, si nous voulons sortir notre pays de son cul-de-sac énergétique, on ne peut pas simplement réduire pour réussir; on ne peut pas juste forer des puits pour réussir; on ne peut pas dynamiter pour réussir. Nous allons y arriver de la bonne vielle façon américaine, on va inventer pour réussir, en travaillant ensemble.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Alors, on y va. La pile a été inventée il y a 200 ans environ par le professeur Alessandro Volta, à l'université de Padoue, en Italie. Son invention a donné naissance à une toute nouvelle branche de la science, l'électrochimie, et à de nouvelles technologies comme l'électro galvanisation. On ignore pourtant que, l'invention de la pile par Volta a réussi à démontrer, pour la première fois aussi, l'utilité d'un professeur. (Rires) Avant Volta, personne ne s'imaginait qu'un professeur puisse servir à quoi que ce soit.
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.
Voici la première pile — un tas de monnaie, en zinc et en argent, séparés par du carton trempé dans la saumure. — C'est le point de départ pour concevoir une pile — deux électrodes, dans ce cas-ci des métaux de composition différente, et un électrolyte, dans ce cas du sel dissout dans l'eau — Cette science est aussi simple que ça. C'est vrai que j'ai omis quelques détails.
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.
Bon, je vous ai montré que la science de la pile est assez évidente et que le besoin d'avoir une capacité de stockage en réseau est essentielle, mais en fait de nos jour il n'y a aucune technologie des piles capable de rencontrer les performances exigeantes du réseau c'est-à-dire une quantité d'énergie peu commune, une longue durée (de vie) et à un coût vraiment bas. Il faut penser au problème différemment. Nous devons élargir notre vision, et penser à des solutions bon marché.
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.
Alors oublions le paradigme qui demande à trouver la chimie la plus hot pour éventuellement s'attaquer au coût de production en le produisant en grande quantité. Inventons plutôt au prix de rentabilité du marché de l'électricité. Ça signifie que certaines sections du tableau périodique deviennent hors d'atteinte automatiquement. La pile doit être faite d'éléments qui sont disponibles en abondance. En fait si vous voulez produire à très faible coût, utilisez de la poussière (Rires) — Surtout de la poussière qui est produite localement — Et il nous faut construire ce truc en utilisant des techniques facilement accessibles dans des usines qui ne coûtent pas des fortunes.
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.
Alors il y a six ans environ, j'ai commencé à penser à ce problème. Et afin d'en obtenir une perspective complètement nouvelle j'ai cherché l'inspiration au-delà du stockage de l'électricité. En fait, j'ai regardé une technologie qui ne stocke pas et ne génère pas d'électricité, mais qui en consomme plutôt, d'énormes quantités. Je parle de la production d'aluminium. Le procédé a été inventé en 1886 par un couple de deux jeunes de 22 ans — un dénommé Hall aux États-Unis, et Héroult en France — Et quelques années après leur découverte, l'aluminium s'est transformé d'un métal précieux au coût similaire à l'argent à un matériau structurel très commun.
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.
Voici la salle de la pile d'une fonderie d'aluminium moderne. C'est 50 pieds de large et ça contient environ un demi-mille — en mettant les cellules bout à bout — de ce qui ressemble à la pile de Volta, avec trois différences importantes. La pile de Volta fonctionnait à la température de la pièce. Elle est entourée d'électrodes solides et d'un électrolyte qui est une solution de sel et d'eau. La pile Hall-Héroult fonctionne à une température plus grande, une température tellement élevée que l'aluminium qu'il produit est liquide. L'électrolyte n'est pas une solution de sel et d'eau, mais plutôt du sel qui est fondu. C'est une combinaison de métal liquide, et de sel fondu à haute température qui nous permettent de faire circuler un courant intense à travers ce truc. Aujourd'hui nous pouvons produire du métal pur à partir du minerai pour aussi peu que 50 cents la livre. Voilà le miracle économique de l'électro-métallurgie moderne.
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.
Voilà ce qui a attiré mon attention au point que je suis devenu obsédé par l'invention de cette pile qui pouvait capter cette immense économie d'échelle. Et je l'ai fait. J'ai créé cette pile 100% liquide — des métaux liquides provenant d'électrodes et du sel fondu pour l'électrolyte — Je vais vous montrer comment. Bon, j'ai mis un métal à faible densité sur le dessus puis un métal liquide à haute densité en bas, et du sel fondu entre les deux.
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.
Alors maintenant, comment choisir les métaux? Pour ma part je débute toujours l'exercice de conception ici avec le tableau périodique, rédigé par un autre professeur, Dimitri Mendeleiev. Tout ce que nous connaissons est créé à partir d'une combinaison de ce que vous voyez décrit ici. Et ça comprend nos propres corps. Je me souviens d'un moment bien précis lorsque je cherchais une paire de métaux qui rencontrerait les containtes de l'abondance et de la disponibilité des densités différentes, opposées, et d'une réactivité mutuelle très grande. J'ai ressenti le frisson de l'accomplissement lorsque j'ai su que j'avais trouvé la réponse. Du magnésium pour la couche du haut. Et de l'antimoine pour la couche du bas. Vous savez, il faut que je vous dise, un des plus grands avantages de devenir professeur: c'est la craie colorée.
(Laughter)
(Rires)
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.
Alors pour produire du courant, le magnésium perd deux électrons pour devenir l'ion magnésium, qui migre ensuite à travers l'électrolyte, pour accepter les deux électrons fournis par l'antimoine, et qui ensuite s'y fixe pour former un alliage. Les électrons partent travailler dans le monde réel qui nous entoure, afin de fournir l'énergie à nos appareils. Pour charger une pile, nous nous connectons à une source d'électricité. Il pourrait s'agir d'un parc d'éoliennes. Et ensuite on inverse le courant. Ce qui force le magnésium à sortir de l'alliage et à retourner dans l'électrode supérieure, en restituant la constitution initiale de la pile. Et le courant qui passe entre les électrodes génère assez de chaleur pour la maintenir à la bonne température.
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.
C'est vraiment hot, du moins en théorie. Mais est-ce que ça fonctionne? Que faire ensuite? Nous entrons dans le laboratoire. Est-ce qu'il faut engager des professionnels reconnus? Non, j'embauche un étudiant et je lui sert de mentor, en lui montrant comment je vois le problème, pour qu'il le voit avec ma perspective et ensuite je le laisse aller. Voici cet étudiant, David Bradwell, qui, sur cette photo, se demande si ce truc va bien fonctionner un jour. Ce que je n'ai pas dit à David c'est que je n'étais pas convaincu que ça pouvait marcher.
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.
Mais David est jeune et il est rusé et il veut son Ph.D., et il commence la construction (Rires) Il commence à construire la première pile liquide jamais inventée en chimie. Et suite aux résultats initiaux de David, assez prometteurs, qui ont été rétribués avec les fonds de démarrage du MIT, j'ai pu attirer des fonds de recherche majeurs du secteur privé et du gouvernement fédéral. Ça m'a permis d'accroître l'équipe jusqu'à 20 personnes, un mélange de diplômés, de post-doctorants et même de quelques bacheliers.
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."
Et j'ai pu attirer des gens vraiment, vraiment capables, des gens qui partageaient ma passion de la science et du service à la société, non pas pour la science et le développement de carrière. Et si vous demandez à ces gens pourquoi ils ont travaillé sur la pile au métal liquide, leur réponse résonnerait avec celle de la présentation du Président Kennedy à l'université Rice en 1962 lorsqu'il a dit — et j'interprète librement ici — « Nous choisissons de travailler sur le stockage en réseau, pas parce que c'est facile, mais parce que c'est difficile. »
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Donc voici l'évolution de la pile au métal liquide. Nous avons commencé avec notre « cheval-vapeur » d'un watt-heure. Je l'ai nommé le shooter. Nous en avons fait fonctionner plus de 400, en perfectionnant leurs performances avec une pléthore d'éléments chimiques — pas juste le magnésium et l'antimoine — En progressant nous avons créé la pile de 20 watt-heure. Je l'appelle la rondelle de hockey. Et nous avons obtenu le même résultat remarquable. Ensuite ce fut le tour de la soucoupe. C'est 200 watt-heures. La technologie commençait à devenir robuste et extensible. Mais on ne progressait pas assez vite à notre goût. Alors il y a un an et demi, David et moi ainsi qu'un autre membre de l'équipe de recherche, avons fondé une compagnie pour accélérer le taux de progression et la course au produit manufacturé.
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.
Alors aujourd'hui chez LMBC, nous construisons des piles de 16 pouces de diamètre avec une capacité de un kilowatt-heure — 1 000 fois la capacité du shooter d'origine — Nous l'appelons la pizza. Et nous avons maintenant une pile de quatre kilowatt-heure dans les plans. Elle aura 36 pouces de diamètre. Nous l'appelons la table de bistro, mais elle n'est pas encore prête pour être présentée publiquement. Et une variante de la technologie nous fait mettre ces tables de bistro en modules en les rassemblant en modules dans une pile géante qui remplit un conteneur de 40 pieds pour placement à l'extérieur. Et la capacité nominale du système est de deux mégawatts-heures — deux millions de watt-heure — C'est l'énergie suffisante pour rencontrer les besoins journaliers de 200 foyers américains. Alors je vous le présente, le stockage en réseau: silencieux, sans émissions polluantes, sans parties mobiles, contrôlé à distance, et conçu pour rencontrer le prix du marché sans subvention.
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.
Qu'avons-nous appris de cette expérience? (Applaudissements) Qu'avons-nous appris de cette expérience? Laissez-moi partager avec vous quelques surprises, les anticonformismes. Elles se cachent derrière le visible. La température: La sagesse nous dit : laissez-la basse, près de la température de la pièce, et ensuite installer un système de contrôle pour qu'elle y reste. Évitez l'emballement thermique. La pile au métal liquide est conçue pour fonctionner à haute température avec un contrôle minimal. Notre pile peut supporter les grandes hausses de température qui proviennent des pointes de la demande actuelle. Extensible: La sagesse nous dicte de réduire les coûts en produisant beaucoup. La pile au métal liquide est conçue pour réduire les coûts en en produisant peu, mais de plus grandes. Et finalement, les ressources humaines: La sagesse dicte qu'il faut embaucher des experts des piles, des professionnels chevronnés, qui peuvent compter sur leur expérience et leur savoir. Pour développer la pile au métal liquide, j'ai embauché un étudiant et des post-doctorants et je leur ai montré. Dans une pile, j'essaie de maximiser le potentiel électrique; lorsque je mentore, j'essaie de maximiser le potentiel humain. Alors vous voyez, l'histoire de la pile au métal liquide est plus qu'un récit sur le développement des technologies, c'est un plan pour inventer des inventeurs, de tous les domaines.
(Applause)
(Applaudissements)