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.
החשמל שמספק כוח לתאורה באולם הזה הופק לפני רגעים ספורים בלבד. מפני שבמצב העניינים היום, הביקוש לחשמל צריך להימצא בשיווי משקל קבוע מול אספקת החשמל. אם בזמן שנדרש לי לצאת אל הבמה, כמה עשרות מגה-ווט של אנרגיית רוח היו מפסיקים לזרום לרשת החשמל, היה צורך לפצות מיד על ההפרש ממחוללים אחרים. אבל תחנות כוח פחמיות, גרעיניות לא היו יכולות להגיב מספיק מהר. ואילו מצבר ענק - כן. בעזרת מצבר ענק היינו מסוגלים לטפל בבעיית החוסרים הזמניים שמונעים מאנרגיית הרוח והשמש לתרום את חלקם לרשת בדומה לפחם, גז וגרעין.
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.
המצבר היא התקן המפתח כאן. בעזרתו נוכל להפיק חשמל מהשמש אפילו כשהשמש לא זורחת. וזה משנה הכל. מפני שמקורות האנרגיה המתחדשים כמו הרוח והשמש עוברים אז מהשוליים ואל מרכז הבמה. היום ברצוני לספר לכם על התקן כזה. הוא נקרא מצבר מתכת נוזלית. זו צורת חדשה של אגירת אנרגיה שהמצאתי בטכניון של מסצ'וסטס יחד עם צוות סטודנטים שלי ושל בוגרים.
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.
הנושא של TED השנה הוא "ספקטרום מלא". מילון אוקספורד מגדיר את הספקטרום כך: כל טווח אורכי הגל של קרינה אלקטרומגנטית, מגלי הרדיו הארוכים ביותר ועד קרני הגמא הקצרות ביותר כאשר תחום האור הנראה לעין תופס בו רק חלק קטן." אז לא באתי לכאן רק כדי לספר לכם איך הצוות שלי באם-איי-טי הפיק מהטבע פתרון לאחת הבעיות הגדולות בעולם. אלא גם ללכת על כל הספקטרום ולספר לכם איך, בתהליך הפיתוח של הטכנולוגיה החדשה הזו, חשפנו כמה כפירות-בעיקר מפתיעות שיכולות לשמש כלקחים בתחום החדשנות, רעיונות שראוי להפיץ. ואתם יודעים, אם בדעתנו להוציא את המדינה הזו ממשבר האנרגיה הנוכחי שלה, לא נוכל להשיג זאת באמצעים שמרניים בלבד; לא נוכל סתם להמשיך בקידוחים; לא נוכל להשיג זאת רק ע"י פיצוצים. אנו נעשה את זה בדרך האמריקאית המסורתית, כלומר בעזרת המצאות, ובעבודה משותפת.
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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.
וכעת הבה נתחיל. הסוללה הומצאה בערך לפני 200 שנה על ידי פרופסור אלסנדרו וולטה, באוניברסיטת פדואה שבאיטליה. המצאתו הולידה תחום מדעי חדש, האלקטרוכימיה, וטכנולוגיות חדשות כמו הציפוי באלקטרוליזה. עניין שאולי לא זכה להתייחסות, הוא שהמצאת הסוללה ע"י וולטה לראשונה גם המחישה את התועלת שיש בפרופסורים. (צחוק) לפני וולטה איש לא היה יכול לדמיין פרופסור שיש לו איזה שימוש.
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.
הנה הסוללה הראשונה -- ערימה של מטבעות, אבץ וכסף, מופרדות בקרטון ספוג במי-מלח. זו נקודת ההתחלה בתכנון סוללה -- שתי אלקטרודות, במקרה זה, מתכות בהרכבים שונים, ואלקטרוליט, במקרה זה, מלח מומס במים. עד כדי כך הצד המדעי הוא פשוט. למען האמת, השמטתי כמה פרטים.
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.
עכשיו לימדתי אתכם שמדע הסוללות הוא פשוט ושהצורך באגירת אנרגיה ברמת הרשת הוא חיוני, אבל העובדה היא שכיום פשוט אין טכנולוגיית סוללות שמסוגלת לעמוד בדרישות הביצועים של הרשת -- בעיקר במתח גבוה ביותר, זמן שירות ארוך ועלות נמוכה מאד. אנחנו צריכים לחשוב אחרת על הבעיה. עלינו לחשוב בגדול, עלינו לחשוב בזול.
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.
אז בואו ננטוש את הפרדיגמה של חיפוש הכימיה הכי מגניבה בתקווה שנצליח להוריד את עקומת העלות בכך שפשוט נייצר המון מוצרים. אלא הבה נמציא המצאות בהתאם למחירי שוק החשמל. וזה אומר שחלקים מסוימים בטבלת היסודות נותרים בבירור מחוץ לתחום. את המצבר הזה צריך לייצר מחומרים שיש בכדור הארץ בשפע. ואני אומר שאם רוצים לייצר משהו זול כמו עפר, תייצרו אותו מעפר -- (צחוק) רצוי עפר ממקור מקומי. ועלינו להיות מסוגלים לבנות את הדבר הזה בתהליכי ומתקני ייצור פשוטים שלא עולים הון.
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.
אז לפני כשש שנים, התחלתי לחשוב על הבעיה הזאת. וכדי לאמץ נקודת מבט רעננה, חיפשתי השראה מחוץ לתחום אגירת החשמל. למעשה, בחנתי טכנולוגיה שלא אוגרת וגם לא מייצרת חשמל, אלא צורכת חשמל, כמויות חשמל אדירות. אני מדבר על ייצור אלומיניום. התהליך הומצא ב-1886 על ידי שני בני 22 -- האל בארה"ב והירו בצרפת. ורק כמה שנים אחרי תגליתם, האלומיניום הפך ממתכת יקרה שעולה כמו כסף לחומר בניה נפוץ.
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.
אתם מביטים בבניין מודרני של כור תאי היתוך אלומיניום. רוחבו הוא כ-16 מטר והוא נמשך לאורך של כ 800 מטר -- שורה אחרי שורה של תאים שמזכירים מבפנים את הסוללה של וולטה, עם שלושה הבדלים חשובים. הסוללה של וולטה עובדת בטמפרטורת החדר. היא מלאה באלקטרודות מוצקות ובאלקטרוליט שהוא תמיסה של מלח ומים. התא של האל-הירו פועל בטמפרטורות גבוהות, טמפרטורה גבוהה מספיק להפוך את תוצר האלומינייום לנוזלי. האלקטרוליט הוא לא תמיסה של מלח ומים, אלא מלח מותך. תערובת זו של מתכת מותכת, מלח מותך וטמפרטורות גבוהות היא שמאפשרת לנו להעביר זרם גבוה דרך הדבר הזה. היום אנחנו יכולים ליצור מתכת טהורה מעפרה בעלות של פחות מ-50 סנט לקילו. זה הנס הכלכלי של המטלורגיה החשמלית המודרנית.
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.
זה מה שמשך ולכד את תשומת לבי עד כדי כך שנעשיתי כפייתי בנוגע להמצאת מצבר שיכול להיות כלכלי בקנה-מידה עצום כזה וכך עשיתי. יצרתי את המצבר הנוזלי כולו -- מתכת נוזלית לשתי האלקטרודות ומלח מותך כאלקטרוליט. אראה לכם איך. שמתי למעלה מתכת נוזלית בצפיפות נמוכה, מתכת נוזלית בצפיפות גבוהה בתחתית, וביניהן מלח מותך.
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.
כעת השאלה היא, איך לבחור את המתכות? עבורי, התרגיל התכנוני תמיד מתחיל כאן בטבלת היסודות, שנוצרה על ידי פרופסור אחר בשם דימיטרי מנדלייב. כל מה שאנחנו מכירים מורכב מצירוף כלשהו של מה שמתואר כאן. וזה כולל את הגוף שלנו. אני זוכר את הרגע המדויק כשיום אחד חיפשתי זוג מתכות שיעמדו בדרישות של הימצאות בשפע בכדור הארץ, דחיסות שונה והפוכה ותגובתיות הדדית גבוהה. חשתי את הריגוש של ההבנה כשידעתי שהגעתי לתשובה. מגנזיום עבור השכבה העליונה. ואנטימון עבור השכבה התחתונה. אתם יודעים, אני חייב להגיד לכם, זה אחד היתרונות הגדולים של להיות פרופסור: גיר צבעוני.
(Laughter)
(צחוק)
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.
אז כדי ליצור זרם, המגנזיום מאבד שני אלקטרונים והופך ליון של מגנזיום, שעובר דרך האלקטרוליט, מקבל שני אלקטרונים מהאנטימון ואז מתערבב איתו ויוצר סגסוגת. האלקטרונים מתחילים לעבוד בעולם האמיתי, כאן בחוץ, ומפעילים את המכשירים שלנו. עכשיו, כדי לטעון את המצבר, אנחנו מחברים מקור חשמל. זה יכול להיות משהו כמו חוות רוח. ואז אנחנו הופכים את כיוון הזרם. וזה מאלץ את המגנזיום להשתחרר מהסגסוגת לחזור לאלקטרודה העליונה, מה שמשחזר את מצבו המקורי של המצבר. והזרם שעובר בין האלקטרודות יוצר מספיק חום כדי לשמור על הטמפרטורה.
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.
זה די מגניב, לפחות בתאוריה. אבל האם זה באמת עובד? אז מה עושים עכשיו? עכשיו נכנסים למעבדה. האם אני שוכר מומחים מנוסים? לא, אני שוכר סטודנט וחונך אותו, מלמד אותו איך לחשוב על הבעיה, לראות אותה מנקודת המבט שלי ואז משחרר אותו. זהו הסטודנט: דייויד בראדוול, שבתמונה הזו, נראה כתוהה אם זה אי-פעם יעבוד. מה שלא אמרתי לדייויד בזמנו זה שאני עצמי לא בטוח שזה יעבוד.
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.
אבל דייויד צעיר וחכם והוא רוצה תואר דוקטור, והוא ממשיך לבנות -- (צחוק) הוא ממשיך לבנות את מצבר המתכת הנוזלית הראשון אי-פעם עם הכימיה הזאת. ועל יסוד התוצאות הראשוניות המבטיחות של דייויד, שמומנו בכספי הזנק של אם-איי-טי, הצלחתי להשיג מימון מחקרי גדול מהמגזר הפרטי ומהממשל הפדרלי. וזה איפשר לי להרחיב את הצוות שלי ל-20 איש, עירוב של סטודנטים לתואר שני, פוסט-דוקטורנטים ואפילו סטודנטים לתואר ראשון.
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."
והצלחתי למשוך אנשים ממש-ממש טובים, אנשים ששותפים ללהט שלי למדע ולשירות לחברה, ולא למדע ולשירות לבניית קריירה. ואם תשאלו את האנשים האלו מדוע הם עובדים על מצבר מתכת נוזלית, תשמעו בתשובתם הד להערות הנשיא קנדי באוניברסיטת רייס ב-1962 כשאמר-- בלשון חופשית-- "אנחנו בוחרים לעבוד על אחסון ברמת הרשת, לא בגלל שזה קל, אלא בגלל שזה קשה."
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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.
אז זו האבולוציה של מצבר המתכת הנוזלית. התחלנו כאן עם סוס העבודה שלנו, תא של 1 וואט-שעה. אני קורא לו הכוסית. הפעלנו יותר מ-400 כאלה, תוך שיפור הביצועים שלהם בעזרת כל מיני כימיות-- לא רק מגנזיום ואנטימון. בדרך גדלנו לתא של 20 וואט-שעה. אני קורא לו דיסקית ההוקי. וקיבלנו את אותן תוצאות נפלאות. ואז המשכנו לצלחת. כאן זה 200 וואט-שעה. הטכנולוגיה הוכיחה את עצמה כאמינה וניתנת להגדלה. אבל הקצב לא היה מהיר מספיק בשבילנו. אז לפני שנה וחצי, דייויד ואני, יחד עם חבר-צוות נוסף, הקמנו חברה כדי להאיץ את קצב ההתקדמות ואת המירוץ לייצר מוצר.
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.
אז היום ב"תאגיד המצבר הנוזלי", אנחנו בונים תאים בקוטר 40 ס"מ בעלי קיבולת של 1 קילוואט-שעה-- פי 1,000 מהקיבולת של תא הכוסית הראשון. אנחנו קוראים לתא כזה "פיצה". ובאופק יש לנו תא של 4 קילווואט-שעה. הוא יהיה בקוטר 91 ס"מ. אנחנו מכנים אותו "שולחן בר", אך הוא עדיין לא מוכן לחשיפה בשעת צפיית-שיא. וסוג אחד של הטכנולוגיה הזו מאפשר לנו לערום את שולחנות הבר האלה זה על זה כמודולים, ולחבר מודולים למצבר ענק שנכנס למכולה של 12 מטר ומיועד להצבה בשטח. יש לה קיבולת מוצהרת של 2 מגה-וואט שעה-- שני מיליון וואט-שעה. זו אנרגיה שמספיקה כדי לעמוד בדרישה היומית של 200 בתי אב אמריקאים. אז הרי לכם אחסון ברמת הרשת: שקט, נטול פליטות, ללא חלקים נעים, נשלט מרחוק, מתוכנן לרמת המחירים בשוק ללא סובסידיות.
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.
ומה למדנו מכל זה? (מחיאות כפיים) מה למדנו מכל זה? תנו לי לשתף אתכם בכמה מההפתעות והכפירות במוסכמות. הן נמצאות מעבר לתחום הנראה-לעין. טמפרטורה: ההגיון המקובל אומר לקבוע אותה נמוך, סביב טמפרטורת החדר, ואז להתקין מערכת בקרה כדי לשמור עליה. למנוע בריחה תרמית. מצבר מתכת נוזלית מתוכנן לעבוד בטמפרטורות גבוהות עם ויסות מינימלי. המצבר שלנו יכול לעמוד בעליות טמפרטורה גבוהות שמקורן בנחשולי הזרם. עליה בגודל: ההגיון המקובל אומר להקטין עלויות ע"י ייצור כמויות. מצברי מתכת נוזלית מתוכננים להפחית עלויות ע"י ייצור של פחות מצברים, אך גדולים יותר. ולבסוף, משאבי אנוש: ההגיון המקובל אומר לשכור מומחים למצברים, אנשי מקצוע מנוסים, שיכולים לשאוב מהנסיון והידע הרחב שלהם. כדי לפתח מצברי מתכת נוזלית, ואני שכרתי סטודנטים ובוגרים וחנכתי אותם. במצבר, אני שואף להגדיל את הפוטנציאל החשמלי; כשאני מחנך, אני שואף להגדיל את הפוטנציאל האנושי. אז אתם רואים, סיפור מצבר המתכת הנוזלית הוא יותר מסיפור העוסק בהמצאת טכנולוגיה, אלא תוכנית להמצאת ממציאים, תכנית לכל הספקטרום.
(Applause)
(מחיאות כפיים)