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'elettricità che alimenta le luci in questo teatro è stata generata pochi minuti fa. Data la situazione attuale, la domanda di elettricità deve essere in costante equilibrio con l'offerta. Se nel tempo che ho impiegato per arrivare fino a questo palco, alcune decine di megawatt di energia eolica cessassero di fluire nella rete, la differenza dovrebbe essere compensata immediatamente da altri generatori. Ma le centrali a carbone e quelle nucleari non possono rispondere con sufficiente rapidità. Una batteria gigante potrebbe. Con una batteria gigante, saremmo in grado di affrontare il problema dell'intermittenza che impedisce all'energia eolica e solare di contribuire alla rete elettrica nello stesso modo in cui lo fanno oggi il carbone, il gas e il nucleare.
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.
Vedete, la batteria è la chiave per renderlo possibile. Potremmo ricavare energia dal sole anche quando non splende. E questo cambia tutto. Perché a quel punto, le energie rinnovabili come quella del sole e del vento, escono dalle quinte, portandosi qui, al centro della scena. Oggi voglio parlarvi di un dispositivo simile. Si chiama batteria a metallo liquido. Si tratta di una nuova forma di stoccaggio dell'energia che ho inventato al MIT insieme ad un gruppo di miei studenti e dottori di ricerca.
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.
Il tema del TED di quest'anno è Full Spectrum [ampio spettro]. L'Oxford English Dictionary definisce spettro "L'intera gamma di lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica, dalle onde radio più lunghe ai raggi gamma più brevi, di cui l'intervallo di luce visibile è solo una piccola parte". Quindi non sono qui oggi solo per raccontarvi come la mia squadra al MIT ha tratto dalla natura una soluzione a uno dei grandi problemi del mondo. Voglio percorrere l'ampio spettro e raccontarvi come, nel corso dello sviluppo di questa nuova tecnologia, abbiamo scoperto delle eterodossie sorprendenti che possono servire come lezione per l'innovazione, idee degne di essere diffuse. E sapete, se vogliamo tirare il paese fuori dalla sua situazione energetica attuale, non possiamo solo tutelare la nostra via d'uscita; non possiamo solo scavare la nostra via d'uscita; non possiamo bombardare la nostra via d'uscita. Lo faremo alla vecchia maniera americana, inventeremo la nostra via d'uscita, lavorando insieme.
(Applause)
(Applausi)
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.
Ora, cominciamo. La batteria fu inventata circa 200 anni fa da un professore, Alessandro Volta, all'Università di Padova, in Italia. La sua invenzione diede vita a un nuovo campo della scienza, l'elettrochimica, e a nuove tecnologie come la galvanoplastica. Forse trascurata, l'invenzione della batteria da parte di Volta per la prima volta dimostrò anche l'utilità di un professore. (Risate) Fino a Volta, sembrava impensabile che un professore potesse essere di alcuna utilità.
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.
Ecco la prima batteria - una pila di monete, zinco e argento, separate da cartone intriso di sale. Questo è il punto di partenza per la progettazione di una batteria - due elettrodi, in questo caso metalli di diversa composizione, e un elettrolita, in questo caso sale disciolto in acqua. La scienza è molto semplice. Certo, ho lasciato fuori alcuni dettagli.
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.
Ora vi ho insegnato che la scienza della batteria è semplice e la necessità dello stoccaggio dell'energia in rete è urgente, ma il fatto è che oggi semplicemente non c'è tecnologia della batteria in grado di soddisfare la domanda di prestazioni richieste dalla rete - cioè potenza eccezionalmente elevata, durabilità e bassissimo costo. Dobbiamo pensare al problema in modo diverso. Dobbiamo pensare in grande, dobbiamo pensare a buon mercato.
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.
Quindi, abbandoniamo l'idea di cercare la chimica migliore nella speranza di ridurre la curva dei costi semplicemente facendo un sacco di prodotti. Invece, inventiamo il prezzo di vendita del mercato dell'elettricità. Il che significa che alcune parti della tavola periodica sono assiomaticamente fuori dai limiti. Questa batteria deve essere fatta con elementi abbondanti in natura. Io dico, se volete fare qualcosa di estremamente economico, fatelo con la sporcizia - (Risate) preferibilmente sporcizia di provenienza locale. E dobbiamo essere in grado di costruire questa cosa utilizzando semplici tecniche di produzione e fabbriche che non ci costino 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.
Così, circa sei anni fa, iniziai a pensare a questo problema. E per adottare una nuova prospettiva, cercai ispirazione al di fuori del campo dello stoccaggio energetico. Infatti guardai verso una tecnologia che non immagazzina né produce elettricità, ma invece ne consuma in grandi quantità. Sto parlando della produzione di alluminio. Il processo fu inventato nel 1886 da una coppia di 22enni - Hall negli Stati Uniti e Heroult in Francia. E solo pochi anni dopo la loro scoperta, l'alluminio è passato da metallo prezioso caro tanto quanto l'argento a materiale strutturale comune.
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.
State vedendo la casa di celle di una moderna fonderia di alluminio. È larga circa 15 metri e lunga circa un chilometro - file e file di celle che, all'interno, assomigliano alla pila di Volta, con tre importanti differenze. La pila di Volta funziona a temperatura ambiente. È dotata di elettrodi solidi e un elettrolita che è una soluzione di acqua e sale. La cella di Hall-Heroult funziona ad alta temperatura, sufficientemente elevata per mantenere l'alluminio liquido. L'elettrolita non è una soluzione di acqua e sale, bensì di sale fuso. È questa combinazione di metallo liquido, sale fuso e alta temperatura che ci permette di inviare corrente elevata attraverso questa cosa. Oggi siamo in grado di produrre metallo vergine dal minerale a meno di un dollaro al chilo. Questo è il miracolo economico dell'elettrometallurgia 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.
È questo che ha attirato la mia attenzione al punto che sono rimasto ossessionato dall'invenzione di una batteria in grado di catturare questa economia su scala enorme. E l'ho fatto. Ho creato una batteria completamente liquida - metalli liquidi per entrambi gli elettrodi e un sale fuso per l'elettrolita. Vi mostrerò come. Ho messo metallo liquido a bassa densità in alto, metallo liquido ad alta densità in basso, e sale fuso tra i due.
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.
Quindi ora, come scegliere i metalli? Per me, l'esercizio di progettazione inizia sempre da qui, dalla tavola periodica, formulata da un altro professore, Dmitri Mendeleev. Tutto quello che sappiamo è costituito da una combinazione di ciò che vedete raffigurato qui. E questo include i nostri corpi. Ricordo il giorno in cui cercavo un paio di metalli che potessero soddisfare le esigenze di abbondanza in natura, densità diversa e opposta, e alta reattività reciproca. Ho provato un'emozione incredibile quando ho capito di aver trovato la risposta. Magnesio per lo strato superiore. E antimonio per lo strato inferiore. Sapete, devo dirvelo, uno dei più grandi vantaggi dell'essere un professore: gessetti colorati.
(Laughter)
(Risate)
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.
Quindi, per generare corrente, il magnesio perde due elettroni per diventare ione di magnesio che poi migra attraverso l'elettrolita, accetta due elettroni dall'antimonio, e poi si mescola con questo per formare una lega. Gli elettroni vanno a lavorare nel mondo reale qui, alimentando i nostri apparecchi. Ora, per caricare la batteria, colleghiamo una fonte di elettricità. Potrebbe essere qualcosa di simile a un parco eolico. E poi invertiamo la corrente. Questo costringe il magnesio a scindersi e ritornare all'elettrodo superiore, ripristinando la costituzione iniziale della batteria. E la corrente che passa tra gli elettrodi genera calore sufficienti a mantenere costante la temperatura.
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.
È molto bello, almeno in teoria. Ma funziona davvero? Allora, cosa si fa dopo? Andiamo in laboratorio. Ora, posso assumere professionisti esperti? No, assumo uno studente e lo preparo, gli insegno come pensare al problema per vederlo dal mio punto di vista e poi lo lascio libero. Questo è lo studente, David Bradwell, che in questa immagine sembra chiedersi se questa cosa funzionerà mai. Quello che non ho detto a David al momento è che nemmeno io ero convinto che avrebbe funzionato.
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.
Ma David è giovane e intelligente e vuole un dottorato di ricerca, e prosegue a costruire - (Risate) Procede a costruire la prima batteria a metallo liquido di questa chimica. E sulla base dei primi risultati promettenti di David, che sono stati pagati con i fondi del MIT, sono riuscito ad ottenere grandi finanziamenti per la ricerca dal settore privato e dal governo federale. E questo mi ha permesso di ampliare il mio gruppo a 20 persone, un mix di studenti laureati, dottori di ricerca e anche alcuni laureandi.
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."
Sono riuscito a reclutare persone veramente valide, persone che condividono la mia passione per la scienza e il servizio alla società e non scienza e servizio per fare carriera. E se chiedete a queste persone perché lavorano sulla batteria a metallo liquido, la loro risposta risalirebbe alle osservazioni del Presidente Kennedy, fatte alla Rice University nel 1962, quando disse - e qui mi prendo delle libertà - "Abbiamo scelto di lavorare sullo stoccaggio dell'energia in rete non perché sia facile, ma perché è difficile".
(Applause)
(Applausi)
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.
Questa è l'evoluzione della batteria a metallo liquido. Iniziamo qui con il nostro cavallo di battaglia: la cella di un wattora. Io la chiamo il "cicchetto". Ne abbiamo costruite oltre 400, perfezionando il loro rendimento con una varietà di composizioni chimiche - non solo magnesio e antimonio. Nel processo siamo passati alla cella di 20 wattora. Io la chiamo il "disco da hockey". E abbiamo ottenuto gli stessi notevoli risultati. E poi era sul piattino. Questa è di 200 wattora. La tecnologia si stava dimostrando solida e scalabile. Ma il ritmo non era abbastanza veloce per noi. Così un anno e mezzo fa, io e David, insieme ad un altro membro dello staff di ricerca, abbiamo formato una società per accelerare il ritmo dei progressi e la corsa per la fabbricazione del prodotto.
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.
Oggi nella LMBC, stiamo costruendo celle di 41 cm di diametro con una capacità di un chilowattora - 1.000 volte la capacità dell'iniziale cella cicchetto. Noi la chiamiamo "pizza". E poi è già in fase di sviluppo una cella di quattro chilowattora che avrà un diametro di 90 centimetri. Noi la chiamiamo il "tavolo da bistrot", ma non è ancora pronta per essere mostrata. E una variante della tecnologia ci consente di impilare questi tavoli da bistrot in moduli, che vengono aggiunti in una batteria gigante che si inserisce in un container di 12 metri per il collocamento sul campo. E questa ha una capacità nominale di due megawattora - due milioni di wattora. Energia sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero di energia elettrica di 200 famiglie americane. Eccolo qui, l'accumulatore dell'energia di rete: silenzioso, a emissioni zero, senza parti in movimento, telecomandato, progettato per un prezzo di mercato senza sovvenzioni.
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.
Quindi, che cosa abbiamo imparato da tutto questo? (Applausi) Che cosa abbiamo imparato da tutto questo? Vorrei condividere con voi alcune sorprese, le idee non convenzionali. Non si notano ad occhio nudo. Temperatura: Il buon senso suggerisce di mantenerla a basso livello, a temperatura ambiente o quasi, e poi installare un sistema di controllo per mantenerla costante. Evitare fughe termiche. La batteria a metallo liquido è progettata per funzionare a temperature elevate con regolazione minima. La nostra batteria è in grado di gestire altissime temperature che provengono dagli sbalzi di tensione. Proporzione: Il senso comune suggerisce di ridurre i costi aumentando la produzione. Le batterie a metallo liquido sono state progettate per ridurre i costi producendo meno, ma saranno più grandi. E infine, le risorse umane: Il senso comune suggerisce di assumere esperti della batteria, professionisti stagionati, che possano sfruttare la loro grande esperienza e la conoscenza. Per sviluppare la batteria a metallo liquido, ho assunto studenti e dottori di ricerca e li ho guidati. In una batteria, cerco di massimizzare il potenziale elettrico; quando sono il mentore, cerco di massimizzare il potenziale umano. Quindi, vedete, la storia della batteria a metallo liquido più che un racconto sull'invenzione della tecnologia, è un progetto per creare inventori, ad ampio spettro.
(Applause)
(Applausi)