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.
De elektriciteit voor de verlichting in dit theater werd slechts enkele ogenblikken geleden gegenereerd. Omdat met de huidige stand van zaken de vraag naar elektriciteit voortdurend in balans moet zijn met de elektriciteitsopwekking. Als toen ik het podium opliep er een aantal megawatt windenergie niet op het net zou zijn geraakt, dan moest dat onmiddellijk worden gecompenseerd door andere generatoren. Maar kolencentrales en kerncentrales kunnen niet snel genoeg reageren. Een gigantische batterij zou dat wel kunnen. Met een grote batterij konden we de onderbrekingen aanpakken die wind- en zonne-energie beletten om op dezelfde manier aan het net te leveren als kolen-, olie- en kerncentrales.
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.
Een batterij zou dit mogelijk maken. Daardoor zouden we gebruik kunnen maken van zonne-energie ook als de zon niet schijnt. Dat verandert het hele plaatje. Want dan kan duurzame energie als wind- en zonne-energie, in plaats van een bijrol, de hoofdrol gaan spelen. Vandaag ga ik het hebben over een dergelijk apparaat. Het heet de vloeibaar-metaalbatterij. Het is een nieuwe vorm van energieopslag die ik aan het MIT heb ontwikkeld samen met een team van mijn studenten en postdoctoralen.
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.
Het thema van de TED-conferentie van dit jaar is Full Spectrum (Gehele Spectrum). De Oxford English Dictionary definieert spectrum Als ‘Het volledige gamma van golflengten van elektromagnetische straling, van de langste radiogolven tot de kortste gammastralen waarvan de reeks van zichtbaar licht slechts een klein deel uitmaakt.’ Ik kom hier vandaag niet alleen vertellen hoe mijn team bij MIT uit de natuur een oplossing voor een van de grote problemen in de wereld heeft gehaald. Ik ga het hele spectrum doorlopen en je vertellen hoe we bij de ontwikkeling van deze nieuwe technologie nogal wat verrassende ketterijen ontdekten die kunnen dienen als lessen voor innovatie, als te verspreiden ideeën. Weet je, als we dit land uit zijn huidige situatie op energiegebied willen halen, gaat dat niet door alleen te besparen; niet door alleen maar te boren, of te blijven bombarderen. We gaan het op de ouderwetse Amerikaanse manier doen: door nieuwe manieren te bedenken, door samen te werken.
(Applause)
(Applaus)
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.
Ik begin. De batterij werd ongeveer 200 jaar geleden uitgevonden door een professor, Alessandro Volta, aan de Universiteit van Padua in Italië. Zijn uitvinding was de start van een heel nieuw wetenschapsgebied, de elektrochemie, en nieuwe technologieën zoals het galvaniseren. Misschien was Volta's uitvinding van de batterij ook wel de eerste keer dat het nut van een professor werd aangetoond. (Gelach) Vóór Volta kon niemand zich voorstellen dat een professor van enig nut zou kunnen zijn.
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.
Hier is de eerste batterij - een stapel munten van zilver en zink, gescheiden door gepekeld nat karton. Dit is het uitgangspunt voor het ontwerpen van een batterij - twee elektroden, in dit geval metalen van verschillende samenstelling, en een elektrolyt, in dit geval zout opgelost in water. Zo eenvoudig is de wetenschap ervan. Toegegeven, ik heb wel een paar details weggelaten.
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.
Nu heb ik jullie geleerd dat de wetenschap van een batterij simpel is en de behoefte aan elektriciteitsopslag dringend, maar feitelijk is er tegenwoordig gewoon geen batterijtechnologie die kan voldoen aan de enorme prestatie-eisen van het net: namelijk ongewoon hoog vermogen, lange levensduur en superlage kosten. We moeten anders gaan denken over het probleem. We moeten groot denken, we moeten goedkoop denken.
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.
Laten we afstappen van het paradigma van het zoeken naar de coolste chemie en daarna de kosten proberen te drukken door massaproductie. Laten we in plaats daarvan gaan uitvinden met de prijzen van de elektriciteitsmarkt in het achterhoofd. Dat betekent dat bepaalde delen van het periodiek systeem al op voorhand uitgesloten zijn. Deze batterij moet worden gemaakt met op aarde overvloedig voorkomende elementen. Ik zeg: als je iets spotgoedkoop wil maken, maak het dan van rommel - (Gelach) bij voorkeur rommel die je niet ver moet gaan zoeken. We moeten dat ding kunnen bouwen met eenvoudige fabricagetechnieken en fabrieken die ons geen fortuin kosten.
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.
Zo'n zes jaar geleden begon ik over dit probleem na te denken. Om nieuwe perspectieven te openen, zocht ik inspiratie buiten het gebied van opslag van elektriciteit. Sterker nog, ik keek naar een technologie die elektriciteit opslaat noch voortbrengt, maar die elektriciteit verbruikt, in grote hoeveelheden. Ik heb het over de productie van aluminium. Het proces werd uitgevonden in 1886 door een paar 22-jarigen - Hall in de Verenigde Staten en Heroult in Frankrijk. Slechts een paar jaar na hun ontdekking veranderde aluminium van een edelmetaal zo duur als zilver in een alledaags constructiemateriaal.
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.
Je kijkt naar de productiehal van een moderne aluminiumsmelterij. Ze is ongeveer 50 meter breed en ongeveer een 800 meter lang - Rij na rij van cellen die van binnen lijken op de batterij van Volta, maar met drie belangrijke verschillen: De batterij van Volta werkt bij kamertemperatuur. Ze had vaste elektroden en een oplossing van zout in water als elektrolyt. De Hall-Heroultcel werkt bij hoge temperatuur, een temperatuur hoog genoeg om het aluminium vloeibaar te houden. Dat elektrolyt is geen oplossing van zout en water, maar een gesmolten zout. Het is deze combinatie van vloeibaar metaal, gesmolten zout en hoge temperatuur die ons toelaat een sterke stroom door dit ding te sturen. Vandaag produceren we uit erts zuiver aluminium tegen een kostprijs van minder dan 80 eurocent per kilogram. Dat is het economische wonder van de moderne electrometallurgie.
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.
Dat trok mijn aandacht. Ik werd geobsedeerd door het idee om een batterij uit te vinden die deze gigantische schaalvoordelen ten nutte kon maken. Dat deed ik ook. Ik maakte een batterij met alleen maar vloeistoffen - vloeibare metalen voor beide elektroden en een gesmolten zout als elektrolyt. Ik toon jullie hoe. Een vloeibaar metaal van lage dichtheid bovenaan, een vloeibaar metaal van hoge dichtheid onderaan en ertussen gesmolten zout.
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.
Welke metalen koos ik? Het ontwerpen begint voor mij altijd hier, bij het periodiek systeem, bedacht door weer een andere professor, Dmitri Mendelejev. Alles wat we kennen is gemaakt van een combinatie van wat je hier ziet afgebeeld. Onze eigen lichamen niet uitgezonderd. Ik herinner me de dag nog toen ik op zoek was naar een paar metalen die zouden voldoen aan de vereisten van voorkomen op de aarde, verschillende dichtheden en hoge onderlinge reactiviteit. Ik herinner me nog de opwinding toen ik wist dat ik het antwoord had gevonden. Magnesium voor de toplaag. En antimoon voor de onderste laag. Een van de grootste voordelen van een hoogleraarschap: kleurkrijt.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Om stroom te produceren, verliest een magnesiumatoom twee elektronen om een magnesiumion te worden, dat dan door het elektrolyt migreert, twee elektronen onttrekt aan het antimoon, en er dan een legering mee vormt. De elektronen gaan in de buitenwereld arbeid verrichten en onze toestellen voeden. Om de batterij op te laden, verbinden we ze met een bron van elektriciteit. Bijvoorbeeld een windmolenpark. We keren de stroom om. Dit dwingt het magnesium uit de legering en doet het teruggaan naar de bovenste elektrode, om zo de originele opbouw van de batterij te herstellen. De stroom die tussen de elektroden loopt levert voldoende warmte om alles op temperatuur te houden.
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.
Het is wel cool, in theorie dan toch. Maar werkt het echt? Wat nu te doen? We gaan naar het laboratorium. Werf ik nu doorgewinterde professionals aan? Nee, ik werf een student aan en begeleid hem, leer hem na te denken over het probleem, om het te zien vanuit mijn perspectief en laat hem erop los. Dit is die student, David Bradwell, die zich op deze foto lijkt af te vragen of dit ding ooit zal werken. Wat ik David toen niet vertelde was dat ik zelf niet wist of het zou werken.
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.
Maar David is jong en slim, hij wil zijn graad halen en begint er maar aan. (Gelach) Hij bouwt vervolgens de eerste vloeibaar-metaalbatterij op basis van deze chemie. Voor de eerste veelbelovende resultaten van David, welke werden betaald met startkapitaal aan het MIT, kon ik een grote financiering voor het onderzoek uit de particuliere sector en de federale overheid aantrekken. Daardoor kon ik mijn groep uitbreiden tot 20 personen, een mix van master-studenten, post-docs en zelfs een aantal bachelor-studenten.
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."
Ik kon zeer goede mensen aantrekken, mensen die mijn passie voor wetenschap en dienst aan de samenleving delen, geen carrièrejagers. Als je deze mensen vraagt waarom ze werken aan vloeibaar-metaalbatterijen, dan gaat hun antwoord terug naar de opmerkingen van president Kennedy aan de Rice University in 1962 toen hij zei - en ik permitteer me hier wat vrijheden - "We werken aan opslag op netniveau, niet omdat het gemakkelijk is, maar omdat het moeilijk is."
(Applause)
(Applaus)
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.
Dit is de ontwikkeling van de vloeibaar-metaalbatterij. We beginnen hier met ons werkpaard: de cel van één watt-uur. Ik noemde ze het ‘borrelglas’. We hebben er nu al meer dan 400 van laten werken, hun prestaties geperfectioneerd met allerlei chemie - niet alleen met magnesium en antimoon. Ondertussen zijn we opgeschaald naar de 20 watt-uur cel. Die noem ik de ‘hockeypuck’. We kregen dezelfde opmerkelijke resultaten. Toen kwam het ‘schotel’. Die geeft 200 watt-uur. De technologie bewijst zichzelf als robuust en schaalbaar. Maar het tempo lag voor ons wat te laag. Daarom hebben David en ik anderhalf jaar geleden samen met ander onderzoekerlid een vennootschap opgericht om het wat sneller te laten vooruitgaan en om dit product in productie te brengen.
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.
Vandaag bouwen we bij LMBC aan cellen met een diameter van 40 centimeter en een capaciteit van één kilowattuur - 1000 keer het vermogen van deze eerste borrelglascel. Deze noemen we de ‘pizza’. We kijken al uit naar een cel van vier kilowatt-uur. Die gaat een diameter van 90 centimeter hebben. We noemen ze de ‘bistrotafel’, maar ze is nog niet klaar om ze in prime-time te bekijken. Een variant op de techniek is het stapelen van bistrotafels tot modules en deze modules dan samen te voegen tot één gigantische batterij die past in een container van 12 meter, om ze waar gewenst te kunnen toepassen. Die zou een nominale capaciteit van twee megawatt-uur hebben - twee miljoen watt-uur. Dat is genoeg energie voor de dagelijkse elektrische behoeften van 200 Amerikaanse huishoudens. Dus voilà: opslag op netniveau. Stil, emissievrij, geen bewegende delen, op afstand bediend, prijstechnisch ontworpen voor zijn markt, zonder subsidie.
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.
Wat leert ons dit alles? (Applaus) Wat leert ons dit alles? Laat ik met jullie enkele verrassingen, enkele ketterijen delen. Ze springen niet direct in het oog. Temperatuur: doorgaans streeft men ernaar die laag te houden, dicht bij kamertemperatuur, met een controlesysteem om haar constant te houden. Voorkom oververhitting. De vloeibaar-metaalbatterij is ontworpen voor gebruik bij hoge temperatuur met een minimum aan regeling. Onze batterij kan omgaan met de zeer hoge temperatuurstijgingen van stroompieken. Schaal: doorgaans streeft men naar lagere kosten door massaproductie. De vloeibaar-metaalbatterij is ontworpen om de kosten te verlagen door het produceren van minder, maar grotere eenheden. Tot slot, human resources: de conventionele wijsheid zegt: werf batterijdeskundigen aan, ervaren professionals, die kunnen putten uit hun ruime ervaring en kennis. Om de vloeibaar-metaalbatterij te ontwikkelen, huurde ik studenten en post-docs in en begeleidde ze. In een batterij streef ik ernaar om de elektrische potentiaal te maximaliseren; als mentor streef ik ernaar om het menselijk potentieel te maximaliseren. Zo zie je maar, dat het verhaal van de vloeibaar-metaalbatterij meer is dan een verslag van het uitvinden van een technologie; het is een blauwdruk voor het uitvinden van uitvinders: het volledige spectrum.
(Applause)
(Applaus)