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.
A eletricidade que alimenta as luzes deste teatro foi gerada há apenas uns momentos. Porque, tal como as coisas são hoje, a procura de eletricidade deve estar em constante equilíbrio com o fornecimento de eletricidade. Se, durante o tempo que me levou caminhar até aqui, neste palco, algumas toneladas de "megawatts" de energia eólica deixassem de ser lançadas na rede, a diferença teria de ser compensada através de outros geradores imediatamente. Mas as fábricas a carvão e as centrais nucleares não conseguem dar resposta com a rapidez suficiente. Uma bateria gigante conseguiria. Com uma bateria gigante seríamos capazes de resolver o problema da intermitência que impede a energia solar e a eólica de contribuírem para a rede da mesma maneira que o carvão, o gás ou o nuclear fazem atualmente.
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.
Compreendem, aqui a bateria é o dispositivo fundamental. Com ela, podíamos tirar a eletricidade do sol mesmo quando o sol não brilha. E isso muda tudo. Porque as energias renováveis, como a eólica e a solar, saem dos bastidores para aqui, para o palco central. Hoje, quero falar-vos sobre um dispositivo desses. Chama-se bateria de metal líquido. É uma forma nova de armazenamento de energia que eu inventei no MIT juntamente com uma equipa de alunos meus e estudantes de pós-doutoramento.
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.
O tema da Conferência TED deste ano é "Espetro Completo". O Dicionário de Inglês Oxford define espetro como: "Toda a faixa de comprimentos de onda "da radiação eletromagnética, "desde as ondas de rádio mais compridas até aos raios gama mais curtos, "dos quais a faixa da luz visível "é apenas uma pequena parte". Não estou aqui hoje apenas para vos dizer como a minha equipa no MIT extraiu da Natureza uma solução para um dos grandes problemas mundiais. Eu quero percorrer o espetro completo e contar-vos como, durante o processo de desenvolvimento desta nova tecnologia, descobrimos algumas heterodoxias surpreendentes que podem servir de lições para a inovação, ideias que vale a pena divulgar. E vocês sabem, se queremos fazer com que este país saia da sua atual situação energética, não podemos simplesmente conservar a nossa atual saída; não podemos simplesmente perfurar uma saída; não podemos bombear uma saída. Vamos fazê-lo à velha maneira americana, vamos inventar uma saída, trabalhando 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.
Agora, comecemos. A bateria foi inventada há cerca de 200 anos por um professor, Alessandro Volta, na Universidade de Pádua, na Itália. A sua invenção fez nascer um novo ramo da ciência, — a eletroquímica — e novas tecnologias, como a galvanoplastia. Um aspeto talvez negligenciado: a invenção da bateria por Volta, também pela primeira vez, demonstrou qual a utilidade de um professor. (Risos) Até Volta, ninguém podia imaginar que um professor pudesse servir para alguma coisa.
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.
Aqui está a primeira bateria — uma pilha de moedas, zinco e prata, separadas por cartão embebido em salmoura. Este é o ponto de partida para a conceção de uma bateria: dois elétrodos, — neste caso, metais de composição diferente — e um eletrólito — neste caso, sal dissolvido em água. A ciência é tão simples quanto isto. Obviamente, deixei de fora alguns detalhes.
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.
Agora, ensinei-vos que a ciência das baterias é objetiva e a necessidade de armazenamento ao nível da rede é imperiosa, mas o facto é que hoje, simplesmente, não existe tecnologia de baterias capaz de responder aos exigentes requisitos de desempenho da rede, nomeadamente potência invulgarmente alta, longo tempo de vida do serviço e custo superbaixo. Precisamos de pensar no problema de modo diferente. Precisamos de pensar em grande, Precisamos de 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.
Portanto, vamos abandonar o paradigma de irmos à procura da química mais fixe e depois esperarmos conseguir baixar a curva do custo produzindo enormes quantidades de produto. Em vez disso, vamos inventar para o nível do preço do mercado de eletricidade. Isso significa que algumas partes da tabela periódica estão axiomaticamente fora dos limites. Esta bateria precisa de ser feita a partir de elementos abundantes na terra. Quero dizer, se queremos fazer algo barato como o lixo, façamo-lo a partir de lixo... (Risos) preferencialmente lixo de origem local. (Risos) E precisamos de ser capazes de construir isso usando técnicas de fabrico simples e fábricas que não nos custem uma 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.
Portanto, há cerca de seis anos, comecei a pensar neste problema. E, com vista a adotar uma perspetiva nova, procurei inspiração fora do campo do armazenamento de energia. De facto, analisei uma tecnologia que não armazena nem gera eletricidade, mas, pelo contrário, consome eletricidade em enormes quantidades. Estou a falar da produção de alumínio. O processo foi inventado em 1886 por dois jovens de 22 anos — Hall, nos Estados Unidos, e Heroult, em França. Poucos anos após a sua descoberta, o alumínio transformou-se de um metal precioso ao preço da prata num material estrutural comum.
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.
Estão a ver a casa das células de uma moderna fundição de alumínio. Tem cerca de 15 metros de largura e alonga-se por cerca de 800 metros — filas após filas de células que, no interior, se assemelham a baterias de Volta, com três importantes diferenças. A bateria de Volta trabalha à temperatura ambiente. É equipada com elétrodos sólidos e um eletrólito que é uma solução de sal e água. A célula de Hall-Heroult funciona a alta temperatura, uma temperatura suficientemente alta para o produto metálico de alumínio ser líquido. O eletrólito não é uma solução de sal e água, mas antes sal que é derretido. É a combinação do metal líquido, sal fundido e alta temperatura que nos permite enviar alta corrente através disto. Hoje, podemos produzir metal virgem a partir de minério a um custo inferior a um dólar o quilo. É o milagre económico da moderna eletrometalurgia.
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.
Foi isto que captou e prendeu a minha atenção ao ponto de me ter tornado obcecado com a ideia de inventar uma bateria que pudesse capturar esta gigantesca economia de escala. E inventei. Fiz a bateria completamente líquida — metais líquidos para ambos os elétrodos e sal fundido para o eletrólito. Vou mostrar-vos como. Coloco metal líquido de baixa densidade no topo, coloco metal líquido de alta densidade no fundo, e sal fundido no meio.
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.
Portanto, agora, como escolher os metais? Para mim, o exercício da conceção começa sempre aqui, com a tabela periódica, enunciada por outro professor, Dimitri Mendeleyev. Tudo o que conhecemos é feito a partir de alguma combinação daquilo que vemos aqui representado. E isso inclui os nossos próprios corpos. Lembro-me do preciso momento em que, um dia, estava à procura de alguns metais que preenchessem os requisitos de abundância na terra, diferença, densidade oposta e alta reatividade mútua, senti a emoção da realização quando soube que tinha encontrado a resposta. Magnésio para a camada de topo e antimónio para a camada do fundo. Sabem, tenho que vos contar, um dos maiores benefícios de ser professor: giz colorido.
(Laughter)
(Risos)
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.
Portanto, para produzir corrente, o magnésio perde dois eletrões para se tornar num ião de magnésio, que então migra através do eletrólito, aceita dois eletrões do antimónio, e então mistura-se com ele para formar uma liga. Os eletrões vão trabalhar para o mundo real, cá fora, fornecendo energia aos nossos aparelhos. Agora, para carregar a bateria, ligamos a uma fonte de eletricidade. Pode ser qualquer coisa como uma central eólica. E então revertemos a corrente. E isso obriga o magnésio a desligar-se e regressar ao elétrodo superior, restaurando a constituição inicial da bateria. E a corrente que passa entre os elétrodos gera calor suficiente para a manter à 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.
É muito fixe, pelo menos em teoria. Mas funcionará realmente? Então, o que fazer a seguir? Vamos para o laboratório. Agora, contrato profissionais experientes? Não, contrato um estudante e oriento-o, ensino-o como pensar sobre o problema, vê-lo a partir da minha perspetiva, e depois liberto-o. Este é o tal estudante, David Bradwell, que, nesta imagem, parece estar a perguntar-se se aquilo alguma vez funcionará. O que eu na altura não disse ao David foi que eu próprio não estava convencido de que aquilo funcionasse.
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.
Mas o David é jovem e inteligente e quer um doutoramento, e passa à construção... (Risos) Passa à construção da primeira bateria de metal líquido de sempre com esta composição. E com base nos promissores resultados iniciais obtidos pelo David, que foram pagos com fundos de capital do MIT, consegui atrair fundos substanciais de investigação do setor privado e do governo federal. E isso permitiu-me expandir o meu grupo para 20 pessoas, uma mistura de estudantes licenciados, pós-doutorados, e até alguns estudantes de licenciatura.
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."
E consegui atrair gente muito, muito boa, pessoas que partilham da minha paixão pela ciência e pelo serviço à sociedade, não a ciência e o serviço pela ascensão na carreira. Se perguntarem a estas pessoas porque trabalham na bateria de metal líquido, a sua resposta recordará as observações do Presidente Kennedy na Universidade de Rice, em 1962, quando disse — e aqui tomo algumas liberdades: "Escolhemos trabalhar no armazenamento ao nível da rede, "não porque seja fácil, "mas porque é difícil".
(Applause)
(Risos) (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.
Portanto, esta é a evolução da bateria de metal líquido: Este é o nosso primeiro cavalo de batalha, a célula de 1 watt-hora. Eu chamo-lhe o copo de "shot". Trabalhámos com mais de 400 destas, aperfeiçoando o seu desempenho com uma série de produtos químicos — não apenas com magnésio e antimónio. Ao longo do percurso, aumentámos até células de 20 Wh. Chamo a este o "disco de hóquei". E conseguimos os mesmos excelentes resultados. Depois foi sobre o disco. Isto são 200 Wh. A tecnologia estava a dar provas de ser robusta e escalável. Mas, para nós, o ritmo não era suficientemente rápido. Por isso, há um ano e meio, o David e eu, juntamente com outro membro da equipa de investigação, fundámos uma empresa para acelerar o ritmo de progresso e a corrida ao produto final.
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.
Portanto, hoje na LMBC estamos a produzir células de 40,3 cm de diâmetro com a capacidade de 1 quilowatt-hora — 1000 vezes a capacidade daquela célula de copo de "shot" inicial. Chamamos àquela, a "pizza". Depois temos uma célula de 4 kWh no horizonte. Vai ter 91,44 cm de diâmetro. Chamamos-lhe a "mesa de café", mas ainda não está pronta para aparecer no horário-nobre. E uma variante da tecnologia levou-nos a empilhar estes tampos de "mesa de café" em módulos, agregando os módulos em baterias gigantes que cabem num contentor de 1,20 m de comprimento para instalação no campo. E este tem nas especificações uma capacidade de 2 megawatt-hora dois milhões de watt-hora. Trata-se de energia suficiente para responder às necessidades de eletricidade diária de 200 famílias americanas. Portanto, aqui têm: armazenamento ao nível da rede, silenciosa, livre de emissões, sem partes amovíveis, controlada remotamente, concebida para o nível do preço de mercado, sem subsídios.
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.
Então, o que é que aprendemos com tudo isto? (Aplausos) O que é que aprendemos com tudo isto? Deixem-me partilhar convosco algumas das surpresas, as heterodoxias. Elas encontram-se além do visível. Temperatura: A sabedoria convencional diz para baixar a temperatura a um nível igual ou próximo da temperatura ambiente, instalar um sistema de controlo para a manter nesse nível. evitar a fuga térmica. A bateria de metal líquido está concebida para funcionar a temperatura elevada com o mínimo de regulação. A nossa bateria consegue aguentar as subidas muito elevadas de temperatura ocasionadas pelos surtos de corrente. Escala: A sabedoria convencional diz para reduzir o custo produzindo em grande quantidade. A bateria de metal líquido está desenhada para reduzir o custo produzindo menos, mas com tamanho maior. E, finalmente, os recursos humanos: A sabedoria convencional diz para contratar especialistas em baterias, profissionais experientes, que se possam basear na sua vasta experiência e conhecimento. Para desenvolver a bateria de metal líquido, contratei estudantes e pós-doutorados e orientei-os. Numa bateria, eu luto por maximizar o potencial elétrico. Quando oriento, luto por maximizar o potencial humano. Portanto, estão a ver, a história da bateria de metal líquido é mais do que um relato sobre a invenção de tecnologia, é um plano para a invenção de inventores, o espetro completo.
(Applause)
(Aplausos)