Ett koncept som verkade otänkbart för några år sedan blev verklighet när Milwaukee Tool introducerade en motorsåg som överträffade en motorsåg.

Ta mitt ord på det. Jag körde Milwaukee mot ett populärt märke av motoriserad motorsåg, både med 16-tums blad och skär genom aska. Milwaukee stannade aldrig, eller kom nära det, när den motoriserade sågen susade. Om det inte är tillräckligt imponerande, Milwaukee har också precis introducerat en slagnyckel och vinkelslip som tar bort alla versioner av sladd eller pneumatiska verktyg utom industriell storlek till dammiga förvaringshyllor. Flera tillverkare arbetar på att förstärka kapaciteten hos sina nuvarande batteridrivna svetsare för att smälta samman ½ tum tjockt stål och arbeta i upp till en timme mellan laddningarna.

Framstegen inom sladdlösa verktyg är toppen av ett Titanic-isberg i batteriutvecklingen. Tekniken lovar att göra elektriska traktorer och lastbilar till verklighet inom en snar framtid. Senast 2020, du kommer att kunna ladda din pickup under den tid det tar att dricka en kaffe, och sedan kör du 300 mil innan du behöver toppa.

Dagens litiumjonbatterier (Li-ion) rymmer mer än dubbelt så mycket energi i vikt och är 10 gånger billigare än de första litiumjonbatterier som introducerades 1991. Företag gör stora investeringar i batteritillverkning, som Teslas batteri Gigafactory för 3,3 miljarder dollar i Nevada.

Detta har lagt grunden för en explosiv tillväxt av laddningsbar kapacitet, lovar att fyrdubbla batterikapaciteten under de kommande 10 åren. Du kan tacka kemin för en framtid då sladdar och förbränning kommer att gå i pension. Alla batterier skapar ström genom att frigöra elektroner genom en kemisk reaktion som antingen lagrar eller frigör en ström. De tar sina namn från de element som används i den reaktionen, som nickel-kadmium- eller NiCd-batteriet som nu skräpar ner butikshyllorna efter att ha blivit undanskuffade av de mer effektiva Li-ion-enheterna.

Litium blev den föredragna kemikalien i dagens batterivärld eftersom det laddas snabbare, håller en laddning längre, och har ett längre liv. En innovation som lovar nästa stora framsteg för Li-ion-batterier är guldnanotrådarna som fungerar som en elektrod. Dessa trådar är 1, 000 gånger tunnare än ett människohår och tål hundratusentals laddningar utan att förnedra.

Bortom Li-ion till Li-air

Batteriernas framtid kan ses i en uppfinning vid University of Illinois och Argonne National Laboratory i Chicago. Ett team av forskare där har skapat ett batteri som använder syret i luften för att reagera med litium i batteriet
anodelektrod. Andra forskare "har försökt bygga litium-luftceller, men de misslyckades på grund av dålig cykellivslängd, säger Larry Curtiss från forskargruppen.

UIC-Argonnes forskargrupp övervann dessa utmaningar genom att använda en unik kombination av anod, katod, och elektrolyt som förhindrar oxidation och ansamling av batteridödande biprodukter. Sådana framsteg förutspår utvecklingen av batterier som skulle hålla hela livslängden för enheten (vare sig det är ett verktyg eller en pickup) utan också för kraftceller som är en bråkdel av storleken på dagens Li-ion-batterier, som laddar mycket snabbare och ger upp till 15 gånger mer kraft.

Toyotas forskare testar en annan Li-ion-metod som involverar solid state-batterier som använder sulfidöverjoniska ledare som kan laddas på bara sju minuter. Detta tillvägagångssätt skulle fungera i temperaturer så låga som -22°F. och upp till 212°F.

Utforskningar av att använda olika kemikalier för att lagra kraft förutspår ersättning av litium med sådana element som natrium, silikon, aluminium, och magnesium. Till exempel, ett spanskt företag som heter Graphenano undersöker grafenbatterier som kan erbjuda fordon en räckvidd på upp till 500 miles på en enda laddning och en laddningstid på bara några minuter. Detta grafenbatteri (tillverkat av grafit) laddas också ur 33 gånger snabbare än nuvarande Li-ion-batterier, som bättre skulle möta de höga effektbehoven hos kraftkrävande traktorer, kombinerar, och lastbilar.

Batterikomponenter

BATTERIET

Som alla andra batterier, ett uppladdningsbart litiumjonbatteri (Li-ion) är tillverkat av ett eller flera strömgenererande fack som kallas celler eller cellenheter. Li-ion-teknologin använder en speciell molekylstruktur som tillåter ström att flyta tredimensionellt istället för genom tvådimensionella lager i en cell. Resultaten är stora ökningar av effekt och körtid och möjligheten att köra kraftkrävande verktyg. Milwaukee Tool använde också en ny generation av större individuella batterier som kallas 20700-celler för att öka energilagringskapaciteten upp till branschledande 12 amperetimmar. Milwaukee har redan uttalat sina avsikter att gå upp till en ännu större enhet, märkt 21700, som packar upp till 47 % mer energikapacitet.

Cellenheter är samlade i en serie och får ström (vid omladdning) eller urladdning genom en innovativ solid metallkabel som minskar flödesmotståndet, levererar alltså mer kraft (så mycket som 50 % mer elektriskt flöde än tidigare batterikonstruktioner) till verktyget samt minimerar värmeutvecklingen (så mycket som 70 %). Denna sele är också mycket mindre benägen att gå sönder om batteriet tappas (jämfört med kablage).

ELEKTRONISKA REGLER

Hjärnan hos litiumjondrivna verktyg är elektroniska kontroller som sitter både på batteriet och motorn. De två mikroprocessorerna talar med varandra för att reglera strömflödet från batteriet till verktyget. Den elektroniska styrningen på den borstlösa motorn kräver ett ökat kraftflöde när verktyget är belastat och genererar mer vridmoment. Styrenheten på batteriet reglerar inte bara hur mycket ström den släpper ut till motorn utan också hur snabbt batteriet laddas.

BORSTlösa MOTORER

Nyckeln till att generera den fenomenala tillväxten i arbetet som genereras av sladdlösa verktyg är användningen av borstlösa motorer som eliminerar kolborstar och kommutatorn som används i borstade motorer. I dessa motorer, placeringen av magneterna och kopparlindningarna är omvända. I en borstlös motor, magneterna sitter på motoraxeln, och kopparlindningarna på ankaret är fixerade och omger den axeln. Effektförstärkningen av borstlösa motorer är möjlig eftersom kopparlindningarna är placerade på utsidan av motorkonfigurationen, som ger utrymme att göra dem större. Också, borstlösa motorer har inte friktionen och spänningsfallet som borstar skapar genom att dra mot den snurrande kommutatorn.

Storleksanpassa äkta batterikraftpotential

Bedömning av strömpotentialen för ett batteri har varit grumlad de senaste åren, eftersom spänningsvärdena har skjutit i höjden bortom sådana vanliga värden på 18 eller 20 volt. Men är batterierna med högre spänning nödvändigtvis kraftfullare?

För att svara på den frågan, du måste också titta på ett batteris amperetimmar. "Ampertimmar är ungefär som att bedöma ett batteris bränsletank, ” förklarar Bob Hunter, verktygsutvärderare för Trä tidskrift, Framgångsrik jordbruk tidningens systerpublikation.

Högre spänning betyder inte alltid större effekt. Spänningen varierar något inom ett batteris individuella celler baserat på mängden laddning de håller. De kan producera en högre spänning vid full laddning än låg.

Likaså, högre amperetimmar garanterar inte att du får den bästa körtiden.

När det kommer till att bedöma strömpotentialen för ett batteri, beräkna dess wattimmar.

Ekvationen för att göra det är enkel. Multiplicera nominella volt med amperetimmar. Resultatet är wattimmar.

Ett exempel på detta skulle vara ett 18-volts batteri som ger 12 amperetimmar energi. Wattimmar för detta batteri skulle vara 216 (18×12).

En annan mycket pålitlig guide till batterikraft är det arbete som utförs av verktyget som det levererar mätt i vridmoment eller maximalt vridmoment. Verklig vridmomentkapacitet är en återspegling av både batterikapaciteten och kvaliteten på verktygets motor och de elektroniska kontrollerna som reglerar den motorn och dess batteris funktioner.

Elbilar under utveckling

Förra januari, Workhorse Group avslöjade en hybrid elektrisk pickup som accelererar till 60 mph på 5,5 sekunder på grund av sin 480 hk. hybridmotor. Den fyrhjulsdrivna Workhorse W-15 lever upp till företagets namn, eftersom den kan dra en 2, 200 pund nyttolast och genererar en dragkapacitet på 5, 000 pund. W-15 är "designad för att göra allt en Ford F-150 kan göra, ” hävdar företagets vd Steve Burns.

Workhorse bygger 5, 300 av lastbilarna i år för flottförsäljning. Konsumentbeställningar kommer att börja tidigt under 2019 för en lastbil som börjar på $52, 000 (stöds av en $7, 500 skatteavdrag).

Elbilspionjären Elon Musk rapporterar att hans företag är på väg att introducera en Tesla-pickup som kommer att ha dubbelmotorig fyrhjulsdrift "med galet vridmoment och en fjädring som dynamiskt anpassar sig efter belastningen, ” skryter elbilspionjären Musk.

En helelektrisk semitruck är inte långt från marknaden, antingen. Thor Trucks har utvecklat en elektrisk semi som kan dra 80, 000 pund last och resa upp till 300 miles på en enda laddning (visas ovan). Drivlinan för lastbilen sträcker sig från 300 till 700 hk. med fullt vridmoment från 0 rpm. Företaget hävdar att Thor körs 70% billigare än diesel semi. En begränsad flotta av demonstrationslastbilar är nu tillgängliga från företaget.

Radikal batteriomformning

Forskare undersöker olika kemiska sammansättningar för att öka den elektriska bärförmågan hos dagens litiumjonbatterier.

LITIUM JON BATTERI

Ett litiumjonbatteri (Li-jon) består av anod- och katodelektroder och en elektrolyt som hålls i en isolatorseparationsvägg som består av mikroskopiska hål. I laddat tillstånd, litiumatomer lagras i anodelektroden. När batteriet blir en del av en sluten (eller avslutad) krets, det börjar urladdas. Detta gör att en oxidationsreaktion uppstår mellan litiumatomerna (i anodelektroden) och elektrolytlösningen, vilket resulterar i att elektroner hoppar från litiumatomerna för att skapa litiumjoner. Elektrolytlösningen låter bara joner passera genom den till katodelektroden där en reduktionsreaktion skapar energi. Att ladda batteriet omvänder denna process.

LITIUM-SVAVEL BATTERI

Ett batteri skapat av litium och svavel (Li-S) har potentialen att bära fem gånger mer energi i vikt än Li-jonbatteriet. I ett Li–S-batteri, metalloxidelektroden ersätts med svavel, som har förmågan att hålla fler litiumatomer eftersom varje svavelatom binder till två litiumatomer. Grafitelektroden ersätts av en skiva av ren litiummetall som fungerar dubbelt både som elektrod och leverantör av litiumjoner.

LITIUM-SYRE BATTERI

Detta tillvägagångssätt drar in luft i batteriet där syre fungerar som en elektrolyt. Sådana andningsbatterier erbjuder en enorm viktfördel jämfört med andra batterimetoder eftersom de inte behöver bära med sig en av sina huvudingredienser. Ett litium-syre (Li–O) batteri kan, i teorin, lagra energi lika tätt som en gasmotor, vilket är 10 gånger mer än batterierna som används i dagens bilar. Utmaningen med Li-O-batterier är att de snabbt tappar bärkraft vid varje laddningscykel. Forskare undersöker billigare andningsbatterier baserade på natrium-syre

(Na-O). Na-O-batteriet ger bara hälften så mycket energitäthet som Li-O men är fortfarande fem gånger kraftfullare än Li-ion-batterier.

MAGNESIUM-JON-BATTERI

Att designa om elektroderna i batterier och ersätta litiumet med tyngre joner, som de som erbjuds av magnesium, har potential eftersom magnesiumjoner bär två elektriska laddningar vardera kontra den ena laddningen som bärs av litiumjoner. Men laddnings- och släpp-svarstiden är långsammare med Mg-jon-batterier eftersom magnesiumjoner rör sig mycket långsammare än litiumjoner.

Elektrisk traktor nu en verklighet

Drömmen om batteridrivna traktorer blev verklighet i somras när ett begränsat antal Fendt modell e100 Vario åkte till jobbet på gårdar och kommuner i Europa. Kan fungera i upp till fem timmar på en laddning, 67-hk. Vario drar ur ett 650-volts litiumjonbatteri. Plus, batteriet kan laddas upp till 80 % på bara 40 minuter.

Fendt rapporterar att e100 designades för att driva både konventionella (via kraftuttag eller hydraulik) och elektrifierade redskap. Det förväntas att e100 Varios sannolikt inte kommer att vara allmänt tillgänglig förrän 2019.

AGCO (Fendts moderbolag) är inte det enda företaget som ser allvarligt på elektriska traktorer. John Deere avslöjade en helelektrisk prototyp 2017 på en maskinmässa i Paris som visade hela 174 hk.

Kallas SESAM (Sustainable Energy Supply for Agricultural Machinery), Deere-prototypen är baserad på företagets 6R-seriechassi utrustad med två elmotorer. SESAM:s batteripaket erbjuder tillräckligt med energi för att driva traktorn i upp till fyra timmar. Deere uppskattar att traktorn är minst tre till fyra år borta från kommersiell produktion.

Den tyska motortillverkaren Deutz är också i jakten på elektriska hästkrafter. Det företaget spenderade nyligen 117 miljoner dollar för att implementera E-Deutz-strategin. De första produkterna från den investeringen väntas om cirka två år.