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 fornecida às luzes deste teatro foi gerada há poucos momentos atrás. Pois do jeito como as coisas estão hoje, a demanda de eletricidade precisa estar em constante equilíbrio com o fornecimento de eletricidade. Se no tempo que levo para andar aqui no palco, algumas dezenas de megawatts de energia eólica parassem de fornecer a rede energética, a diferença teria de ser fornecida por outros geradores imediatamente. Mas usinas de carvão, usinas atômicas não respondem com tal velocidade. Uma bateria gigante poderia. Com uma bateria gigante, nós poderíamos resolver o problema da intermitência que impedem o vento e o sol de contribuírem com a rede do mesmo modo que o carvão, gás e energia nuclear o fazem hoje.
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.
Veja, a bateria é que permitirá isso. Com ela, nós poderíamos usar eletricidade solar mesmo quando o sol não brilha. E isto muda tudo. Pois então as fontes renováveis tais como vento e sol saem da periferia, tomam o centro do palco. Hoje quero falar sobre tal dispositivo. É chamado de bateria de metal líquido. É uma nova forma de armazenar energia que inventei no MIT com um grupo de meus estudantes e pós-doutorados.
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 deste ano do TED é Todo o Espectro. O OED (Dicionário Oxford) define espectro como 'Toda a faixa de comprimento de onda da radiação eletromagnética desde as ondas longas de rádio até os pequenos raios gama do qual a faixa visível é apenas uma pequena parte.' Então não estou aqui apenas para contar como meu grupo no MIT extraiu da natureza uma solução para um dos maiores problemas do mundo. Quero usar todo o espectro e contar como, no processo de desenvolvimento desta nova tecnologia, descobrimos algumas surpresas heterodoxas. que podem servir como lições para a inovação, ideias que valem a pena difundir. E sabe, se vamos tirar o país fora da atual situação da energia, não podemos conservar como a única saída; não podemos perfurar como a única saída: não podemos bombardear como a única saída. Faremos do velho jeito americano, vamos inventar a nossa única 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.
Vamos começar. A bateria foi inventada há mais ou menos 200 anos por um professor, Alessandro Volta, na Universidade de Pádua, na Itália. Sua invenção criou um novo campo da ciência, a eletroquímica, e novas tecnologias tais como a galvanoplatia. Talvez não notaram, a invenção da bateria por Volta, pela primeira vez também, demonstrou a utilidade de um professor. (Risos) Até Volta, ninguém imaginaria que um professor poderia ter serventia.
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 -- moedas, zinco e prata empilhadas, separadas com papelão embebido em salmoura. Este é o começo do projeto de uma bateria -- dois eletrodos, neste caso metais com composições diferentes, e um eletrólito, neste caso sal dissolvido em água. A ciência é assim simples. Admito, deixei alguns detalhes de lado.
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.
Ensinei vocês que a ciência da bateria é simples e a necessidade do nível de rede de armazenamento é urgente, mas o fato é que hoje simplesmente não há uma tecnologia da bateria capaz de atender a demanda de desempenho exigida pela rede -- potência excepcionalmente alta, durabilidade e baixíssimo custo. Nós precisamos pensar no problema por outro ângulo. Precisamos pensar grande, precisamos 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.
Abandonemos o paradigma de vamos pesquisar pela química 'da hora' e então, quem sabe, conseguiremos baixar a curva do custo somente pela alta produção. Em vez disso, vamos inventar do ponto de vista do preço da eletricidade no mercado. Assim parece que certas partes da tabela periódica são axiomas fora dos limites. Esta bateria precisa ser feita de um elemento abundante na natureza. Digo, se quiser fazer algo bem barato, faça-o do lixo -- (Risos) de preferência do lixo fornecido na vizinhança. E nós precisamos estar aptos a construir esta coisa usando técnicas de manufatura simples e fábricas que não nos custe 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.
Então há uns seis anos, comecei a pensar neste problema. E de modo a adotar uma nova perspectiva, procurei inspiração além do campo da armazenagem da eletricidade. De fato, procurei uma tecnologia que nem armazena e nem gera energia, mas que consome eletricidade, enormes quantidades de eletricidade. Estou falando da produção de alumínio. O processo foi inventado em 1886 por duas pessoas de 22 anos de idade -- Hall nos Estados Unidos e Heroult na França. E poucos anos depois da descoberta, o alumínio mudou de um metal precioso que custava tanto quanto a prata para um 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.
Vocês estão vendo uma célula de um forno de fundição de alumínio moderno. Com uns 15m de largura e uns 800m de comprimento -- fileiras e mais fileiras de células que, por dentro, lembram a bateria de Volta, com três diferenças importantes. A bateria de Volta trabalha na temperatura ambiente. Tem eletrodos sólidos e um eletrólito de água e sal. A célula de Hall-Heroult trabalha em alta temperatura, uma temperatura alta o suficiente que mantém o alumínio em estado líquido. O eletrólito não é uma solução de água e sal, mas sim o sal derretido. É está combinação de metal líquido, sal derretido e alta temperatura que nos permite mandar alta corrente por esta coisa. Hoje, podemos produzir metal virgem do minério a um custo menor que 50 centavos por 450g. Isso é milagre econômico da eletrometalurgia 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.
É isto que me captura e me envolve a ponto de eu me tornar obcecado pela invenção de uma bateria que poderia sintetizar esta gigantesca economia de escala. E eu fiz. Eu fiz uma bateria totalmente líquida -- metais líquidos para ambos eletrodos e um sal derretido como eletrólito. Mostrarei como. Coloquei um metal líquido de baixa densidade em cima, um metal líquido de alta densidade embaixo e sal derretido entre eles.
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.
E agora, como escolher os metais? Para mim, o exercício do projeto sempre começa aqui com a tabela periódica, criada por outro professor, Dimitri Mendeleyev. Tudo o que conhecemos é feito de alguma combinação do que vocês veem representado aqui. E isto inclui nosso próprio corpo. Lembro do exato momento em que estava buscando um par de metais que fosse ao mesmo tempo abundante na Terra, diferente, com densidade oposta e altamente reativos entre si. Eu senti o frison da realização quando soube que tinha conseguido a resposta. Magnésio na parte superior. E antimônio para a parte inferior. Sabe, tenho de contar um dos grandes benefícios de ser um 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.
Para produzir a corrente, o magnésio perde dois elétrons tornando-se o íon magnésio, que migra através do eletrólito. aceitando dois elétrons do antimônio, e aí se mistura para formar uma liga. Os elétrons vão para o trabalho no mundo real cá fora, energizando nossos equipamentos. Agora, para carregar a bateria, conectamos uma fonte de eletricidade. Poderia ser algo como uma fazenda eólica. Então nós invertemos a corrente. E isto força o magnésio a se recompor e retorna para o eletrodo superior, restaurando a constituição inicial da bateria. A corrente passando entre os eletrodos gerando calor suficiente para manter a 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 inteligente, pelo menos em teoria. Mas isto realmente funciona? E aí, o que fazer depois? Vamos para o laboratório. E aí, contrato profissionais qualificados? Não, eu contrato um estudante e o oriento, ensino como pensar sobre o problema, e ver isto da minha perspectiva e aí deixo-o solto. Eis aqui aquele estudante, David Bradwell que, nesta foto, parece estar pensando se esta coisa um dia funcionará. O que não disse a David naquela época é que eu não estava convencido de que funcionaria.
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 David é jovem e inteligente e ele quer um doutorado, e ele passou a construir -- (Risos) Ele passou a construir a primeiríssima bateria de metal liquido desta química. E baseado nos promissores resultados iniciais de David, que era pago com os fundos do MIT, fui capaz de atrair fundos maiores para pesquisa do setor privado e do governo federal. Isto me permitiu ampliar meu grupo para 20 pessoas, composto de estudantes graduados, pós doutores e mesmo alguns estudantes da graduação.
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 pude atrair gente realmente muito muito boa, pessoas que compartilhavam minha paixão pela ciência e por servir a sociedade, não a ciência e o serviço para fazer carreira. E se você perguntar a eles por que trabalham na bateria de metal líquido, as respostas podem ecoar os comentários do Presidente Kennedy na Universidade Rice em 1962 quando disse -- estou tomando liberdades aqui -- 'Nós escolhermos trabalhar em nível de rede de armazenamento, não porque é fácil, mas porque é difícil.'
(Applause)
(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.
Então esta é a evolução da bateria de metal líquido. Começamos aqui com nossa célula de 1watt/hora. Que chamo de dose. Nós trabalhamos com mais de 400 dessas, aperfeiçoando seu desempenho com várias substâncias químicas -- não somente magnésio e antimônio. Seguindo, ampliamos para a célula de 20watt/hora. Eu chamo-a de disco de hóquei. E conseguimos resultados muito bons. E assim estávamos no caminho do prato. Essa é a de 200watt/hora. A tecnologia está se provando robusta e expansível. Mas o ritmo não era rápido o suficiente para nós. Daí há um ano e meio, David e eu, junto com outro pesquisador do grupo, fundamos uma empresa para acelerar o ritmo do progresso e a corrida para fabricar o produto.
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.
Hoje na LMBC, estamos construindo células de 40,5cm de diâmetro com uma capacidade de 1kw/hora -- 1.000 vezes a capacidade de nossa célula dose inicial. Nós a chamamos de pizza. Agora temos uma célula de 4kw/hora em desenvolvimento. Terá 91,5cm de diâmetro. Nós a chamamos de mesa de bar, mas ainda não está pronta para o primeiro teste. E uma variante da tecnologia nos permite empilhar estas mesas de bar em módulos, agregando módulos em uma bateria gigante que cabe em um porta-contentor de 20,20m para ser colocada no campo. Com capacidade nominal de 2Mw/hora 2 milhões de watt/hora. Energia suficiente para atender as necessidades diárias de 200 casas de americanos. Aqui está, o nível de rede de armazenamento: silencioso, sem emissão de gases, sem partes móveis, controlado remotamente, projetado para um 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 aprendemos com tudo isso? (Aplausos) Então o que aprendemos com tudo isso? Deixe-me compartilhar com vocês algumas das surpresas heterodoxas. Elas estão além do visível. Temperatura: a sabedoria popular diz para manter baixa, na temperatura ambiente ou próxima, e dai instalar um sistema de controle para mantê-la. Evitar desvios térmicos. A bateria de metal líquido foi projetada para operar em temperaturas elevadas com mínima regulagem. Nossa bateria pode suportar subidas altas de temperatura resultado de surtos de corrente. Expansão: A sabedoria popular diz que a redução de custo se faz pela alta produção. A bateria de metal liquido foi projetada para reduzir os custos produzindo poucas, mas serão grandes. E finalmente, recursos humanos: A sabedoria popular diz empregue conhecedores de baterias, profissionais experientes, que podem produzir a partir da vasta experiência e conhecimento. Para desenvolver a bateria de metal líquido, empreguei estudantes e pós-doutorados e os orientei. Em uma bateria, eu me esforcei em maximizar o potencial elétrico. ao orientar, eu me esforcei em maximizar o potencial humano. Então veem, a história da bateria de metal líquido é mais do que inventar uma tecnologia, é um modelo para inventar inventores, de largo espectro.
(Applause)
(Aplausos)