Apakah Masa Depan Pertanian Bertenaga Baterai?

Sebuah konsep yang tampak tak terbayangkan beberapa tahun lalu menjadi kenyataan saat Milwaukee Tool memperkenalkan gergaji rantai yang mengungguli gergaji bermotor.

Ambil kata-kata saya tentang itu. Saya menjalankan Milwaukee melawan merek gergaji mesin yang populer, keduanya menggunakan bilah 16 inci dan memotong abu. Milwaukee tidak pernah terhenti, atau mendekatinya, saat gergaji bermotor mendesing. Jika itu tidak cukup mengesankan, Milwaukee juga baru saja memperkenalkan kunci pas benturan dan penggiling sudut yang menghentikan semua kecuali versi ukuran industri dari alat yang dijalin dgn tali atau pneumatik ke rak penyimpanan berdebu. Beberapa produsen sedang berupaya meningkatkan kapasitas tukang las bertenaga baterai mereka saat ini untuk menggabungkan baja setebal inci dan beroperasi hingga satu jam di antara pengisian ulang.

Kemajuan dalam alat nirkabel adalah puncak gunung es Titanic dalam kemajuan baterai. Teknologi menjanjikan untuk membuat traktor dan truk listrik menjadi kenyataan dalam waktu dekat. Pada tahun 2020, Anda akan dapat mengisi ulang pickup Anda dalam waktu yang dibutuhkan untuk minum kopi, dan kemudian Anda akan berkendara sejauh 300 mil sebelum Anda perlu mengisi ulang.

Baterai lithium-ion (Li-ion) saat ini menyimpan lebih dari dua kali energi menurut beratnya dan 10 kali lebih murah daripada baterai lithium-ion pertama yang diperkenalkan pada tahun 1991. Perusahaan membuat investasi besar dalam pembuatan baterai, seperti Gigafactory baterai Tesla senilai $3,3 miliar di Nevada.

Ini telah mengatur panggung untuk pertumbuhan eksplosif dalam kapasitas isi ulang, menjanjikan untuk melipatgandakan kapasitas baterai dalam 10 tahun ke depan. Anda dapat berterima kasih kepada kimia untuk masa depan ketika kabel dan pembakaran akan dihentikan. Semua baterai menciptakan arus dengan melepaskan elektron melalui reaksi kimia yang menyimpan atau melepaskan arus. Mereka mengambil nama mereka dari unsur-unsur yang digunakan dalam reaksi itu seperti nikel-kadmium atau baterai NiCd yang sekarang berserakan di rak-rak toko setelah disingkirkan oleh unit Li-ion yang lebih efisien.

Lithium menjadi bahan kimia pilihan di dunia baterai saat ini karena mengisi ulang lebih cepat, menahan muatan lebih lama, dan memiliki umur yang lebih panjang. Sebuah inovasi yang menjanjikan kemajuan besar berikutnya untuk baterai Li-ion adalah kawat nano emas yang berfungsi sebagai elektroda. Kabel ini adalah 1, 000 kali lebih tipis dari rambut manusia dan tahan terhadap ratusan ribu muatan tanpa merendahkan.

Melampaui Li-ion ke Li-air

Masa depan baterai dapat dilihat dalam sebuah penemuan di University of Illinois dan Argonne National Laboratory di Chicago. Sebuah tim peneliti di sana telah menciptakan baterai yang menggunakan oksigen di udara untuk bereaksi dengan lithium di dalam baterai
elektroda anoda. Peneliti lain “telah mencoba membangun sel lithium-udara, tetapi mereka gagal karena siklus hidup yang buruk, ” kata Larry Curtiss dari tim peneliti itu.

Tim peneliti UIC-Argonne mengatasi tantangan ini dengan menggunakan kombinasi unik dari anoda, katoda, dan elektrolit yang mencegah oksidasi dan penumpukan produk sampingan yang mematikan baterai. Kemajuan tersebut memprediksi perkembangan baterai yang akan bertahan seumur hidup tidak hanya perangkat (baik itu alat atau truk pickup) tetapi juga sel daya yang merupakan sebagian kecil dari ukuran baterai Li-ion saat ini, yang mengisi ulang lebih cepat dan menghasilkan daya hingga 15 kali lebih banyak.

Ilmuwan Toyota sedang menguji pendekatan Li-ion lain yang melibatkan baterai solid state menggunakan konduktor superionik sulfida yang dapat diisi ulang hanya dalam tujuh menit. Pendekatan ini akan bekerja pada suhu serendah -22°F. dan hingga 212°F.

Eksplorasi menggunakan bahan kimia yang berbeda untuk menyimpan daya memprediksi penggantian lithium dengan unsur-unsur seperti natrium, silikon, aluminium, dan magnesium. Sebagai contoh, sebuah perusahaan Spanyol bernama Graphenano sedang menjajaki baterai graphene yang dapat menawarkan kendaraan jarak mengemudi hingga 500 mil dengan sekali pengisian daya dan waktu pengisian ulang hanya beberapa menit. Baterai graphene (terbuat dari grafit) ini juga mengeluarkan 33 kali lebih cepat daripada baterai Li-ion saat ini, yang lebih baik memenuhi kebutuhan daya tinggi dari traktor yang haus daya, menggabungkan, dan truk.

Komponen Baterai

BATERAI

Seperti baterai lainnya, baterai lithium-ion (Li-ion) yang dapat diisi ulang terbuat dari satu atau lebih kompartemen penghasil daya yang disebut sel atau rakitan sel. Teknologi Li-ion menggunakan struktur molekul khusus yang memungkinkan arus mengalir tiga dimensi, bukan melalui lapisan dua dimensi dalam sel. Hasilnya adalah peningkatan besar dalam daya dan waktu proses serta kemampuan untuk menjalankan alat yang haus daya. Milwaukee Tool juga menggunakan generasi baru baterai individu yang lebih besar yang disebut sebagai 20700 sel untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan energi hingga 12 amp jam yang terdepan di industri. Milwaukee telah menyatakan niatnya untuk pindah ke unit yang lebih besar, berlabel 21700, yang mengemas hingga 47% lebih banyak kapasitas energi.

Rakitan sel dikumpulkan bersama dalam satu rangkaian dan menerima daya (saat diisi ulang) atau mengeluarkan daya melalui sabuk pengaman logam padat inovatif yang mengurangi hambatan aliran, sehingga memberikan lebih banyak daya (sebanyak 50% lebih banyak aliran listrik daripada desain baterai sebelumnya) ke alat serta meminimalkan pembangkitan panas (sebanyak 70%). Harness ini juga jauh lebih kecil kemungkinannya untuk putus jika baterai terjatuh (dibandingkan dengan wire harness).

KONTROL ELEKTRONIK

Otak alat bertenaga lithium-ion adalah kontrol elektronik yang berada di baterai dan motor. Kedua mikroprosesor berbicara satu sama lain untuk mengatur aliran daya dari baterai ke alat. Kontrol elektronik pada motor tanpa sikat membutuhkan aliran daya yang meningkat saat pahat berada di bawah beban dan menghasilkan lebih banyak torsi. Pengontrol pada baterai tidak hanya mengatur berapa banyak daya yang dilepaskan ke motor, tetapi juga seberapa cepat baterai diisi ulang.

MOTOR TANPA SIKAT

Kunci untuk menghasilkan pertumbuhan fenomenal dalam pekerjaan yang dihasilkan oleh alat tanpa kabel adalah penggunaan motor tanpa sikat yang menghilangkan sikat karbon dan komutator yang digunakan pada motor yang disikat. Di motor-motor ini, lokasi magnet dan gulungan tembaga dibalik. Pada motor tanpa sikat, magnet ada di poros motor, dan gulungan tembaga dinamo dipasang dan dikelilingi poros itu. Peningkatan daya motor brushless dimungkinkan karena gulungan tembaga diposisikan di luar konfigurasi motor, yang memberikan ruang untuk membuatnya lebih besar. Juga, motor brushless tidak memiliki gesekan dan penurunan tegangan yang dibuat oleh sikat dengan menyeret komutator yang berputar.

Mengukur Potensi Daya Baterai Sejati

Peringkat potensi daya baterai telah dikacaukan dalam beberapa tahun terakhir, karena peringkat tegangan telah meroket melampaui peringkat umum seperti 18 atau 20 volt. Tetapi apakah baterai bertegangan lebih tinggi tentu lebih kuat?

Untuk menjawab pertanyaan itu, Anda juga perlu melihat jam ampli baterai. “Amp hours seperti memberi peringkat pada tangki bahan bakar baterai, ” jelas Bob Hunter, alat penilai untuk Kayu Majalah, Bertani yang Sukses publikasi saudara majalah.

Tegangan yang lebih tinggi tidak selalu berarti daya yang lebih besar. Tegangan sedikit bervariasi dalam sel-sel individual baterai berdasarkan jumlah muatan yang mereka pegang. Mereka dapat menghasilkan tegangan yang lebih tinggi pada keadaan pengisian penuh daripada rendah.

Juga, jam amp yang lebih tinggi tidak menjamin Anda mendapatkan waktu pengoperasian terbaik.

Ketika turun ke peringkat potensi daya baterai, hitung watt-jamnya.

Persamaan untuk melakukannya sederhana. Kalikan volt nominal dengan jam amp. Hasilnya adalah watt-jam.

Contohnya adalah baterai 18 volt yang menyediakan energi 12 amp jam. Watt-jam baterai ini adalah 216 (18×12).

Panduan lain yang sangat andal untuk daya baterai adalah kerja yang dihasilkan oleh alat yang disuplainya yang diukur dalam torsi atau torsi maksimum. Kapasitas torsi sebenarnya adalah cerminan dari kapasitas baterai serta kualitas motor alat dan kontrol elektronik yang mengatur motor itu dan fungsi baterainya.

Truk Listrik dalam Pengembangan

Januari lalu, Workhorse Group mengungkapkan truk pikap listrik hibrida yang berakselerasi hingga 60 mph dalam 5,5 detik karena 480-hp-nya. mesin hibrida. Workhorse W-15 berpenggerak empat roda sesuai dengan nama perusahaannya, karena mampu mengangkut 2, muatan 200 pon dan menghasilkan kapasitas penarik 5, 000 pound. W-15 “dirancang untuk melakukan apa pun yang dapat dilakukan Ford F-150, ” klaim CEO perusahaan Steve Burns.

Pekerja keras sedang membangun 5, 300 truk tahun ini untuk penjualan armada. Pesanan konsumen akan dimulai pada awal 2019 untuk truk yang dimulai dari $52, 000 (didukung oleh $7, 500 kredit pajak).

Pelopor mobil listrik Elon Musk melaporkan bahwa perusahaannya hampir memperkenalkan pikap Tesla yang akan memiliki penggerak semua roda dua motor “dengan torsi gila dan suspensi yang secara dinamis menyesuaikan beban, ” membanggakan pelopor mobil listrik Musk.

Sebuah semitruck listrik tidak jauh dari pasar, salah satu. Thor Trucks telah mengembangkan semi listrik yang dapat mengangkut 80, 000 pon kargo dan melakukan perjalanan hingga 300 mil dengan sekali pengisian daya (ditunjukkan di atas). Pilihan power train untuk truk berkisar dari 300 hingga 700 hp. dengan torsi penuh mulai dari 0 rpm. Perusahaan mengklaim bahwa Thor berjalan 70% lebih murah daripada mesin diesel. Armada truk demonstrasi terbatas sekarang tersedia dari perusahaan.

Desain Ulang Baterai Radikal

Para peneliti sedang mengeksplorasi komposisi kimia yang berbeda untuk meningkatkan daya dukung listrik baterai lithium-ion saat ini.

BATERAI ION LITHIUM

Baterai lithium-ion (Li-ion) terdiri dari elektroda anoda dan katoda dan elektrolit yang disimpan di dinding pemisah isolator yang terdiri dari lubang mikroskopis. Dalam keadaan bermuatan, atom lithium disimpan dalam elektroda anoda. Ketika baterai menjadi bagian dari sirkuit tertutup (atau selesai), itu mulai habis. Hal ini menyebabkan reaksi oksidasi terjadi antara atom litium (dalam elektroda anoda) dan larutan elektrolit, mengakibatkan elektron melompat kapal dari atom lithium untuk membuat ion lithium. Larutan elektrolit hanya memungkinkan ion melewatinya ke elektroda katoda di mana reaksi reduksi menghasilkan energi. Mengisi daya baterai membalikkan proses ini.

BATERAI LITHIUM-SULFUR

Baterai yang dibuat dari litium dan belerang (Li-S) berpotensi membawa energi lima kali lebih banyak menurut beratnya daripada baterai Li-ion. Dalam baterai Li-S, elektroda oksida logam digantikan oleh belerang, yang memiliki kemampuan untuk menahan lebih banyak atom litium karena setiap atom belerang berikatan dengan dua atom litium. Elektroda grafit digantikan oleh sepotong logam litium murni yang berfungsi ganda sebagai elektroda dan pemasok ion litium.

BATERAI LITHIUM-OKSIGEN

Pendekatan ini menarik udara ke dalam baterai di mana oksigen bertindak seperti elektrolit. Baterai pernapasan semacam itu menawarkan keunggulan bobot yang sangat besar dibandingkan pendekatan baterai lainnya karena mereka tidak perlu membawa salah satu bahan utamanya. Baterai lithium-oksigen (Li–O) dapat, dalam teori, menyimpan energi sepadat mesin gas, yang 10 kali lebih banyak dari baterai yang digunakan di mobil saat ini. Tantangan dengan baterai Li-O adalah mereka kehilangan daya dukung dengan cepat dengan setiap siklus pengisian ulang. Para peneliti sedang mengeksplorasi baterai pernapasan yang lebih murah berdasarkan natrium-oksigen

(Na-O). Baterai Na-O hanya menyediakan setengah kepadatan energi Li-O tetapi masih lima kali lebih kuat daripada baterai Li-ion.

BATERAI MAGNESIUM-ION

Mendesain ulang elektroda dalam baterai dan mengganti lithium dengan ion yang lebih berat, seperti yang ditawarkan oleh magnesium, memiliki potensi karena ion magnesium masing-masing membawa dua muatan listrik vs. satu muatan yang dibawa oleh ion litium. Tetapi pengisian ulang dan waktu respons pelepasan lebih lambat dengan baterai Mg-ion karena ion magnesium bergerak jauh lebih lambat daripada ion lithium.

Traktor Listrik Sekarang Menjadi Kenyataan

Impian traktor bertenaga baterai menjadi kenyataan musim panas ini ketika model Fendt e100 Varios dalam jumlah terbatas mulai bekerja di pertanian dan kotamadya di Eropa. Mampu beroperasi hingga lima jam dengan biaya, 67-hp. Vario menggunakan baterai lithium-ion 650 volt. Plus, baterai dapat diisi ulang hingga 80% hanya dalam waktu 40 menit.

Fendt melaporkan bahwa e100 dirancang untuk memberi daya baik konvensional (melalui PTO atau hidrolika) serta alat listrik. Diperkirakan bahwa e100 Varios kemungkinan tidak akan tersedia secara umum hingga 2019.

AGCO (perusahaan induk Fendt) bukan satu-satunya perusahaan yang serius memperhatikan traktor listrik. John Deere mengungkapkan prototipe all-electric pada tahun 2017 di sebuah pameran mesin di Paris yang menghasilkan 174 hp.

Disebut SESAM (Sustainable Energy Supply for Agricultural Machines), prototipe Deere didasarkan pada sasis seri 6R perusahaan yang dilengkapi dengan dua motor listrik. Paket baterai SESAM menawarkan energi yang cukup untuk menggerakkan traktor hingga empat jam. Deere memperkirakan traktor itu setidaknya tiga sampai empat tahun lagi dari produksi komersial.

Pabrikan mesin off-highway Jerman Deutz juga sedang berburu tenaga kuda listrik. Perusahaan itu baru-baru ini menghabiskan $117 juta untuk mengimplementasikan strategi E-Deutz. Produk pertama dari investasi itu diharapkan dalam waktu sekitar dua tahun.