Недавнее объявление Теслы о PowerWall, его новая литиево-ионная (литий-ионная) система хранения жилых батарей, вызвала настоящий переполох, Он даже повышает возможность идти вне сетки, опираясь на солнечные батареи для выработки электроэнергии и хранения ее собственной батареей и использования ее по требованию.

Тем не менее литий-ионная технология, используемая Tesla, не единственная предлагаемая. Фактически, каждая из различных технологий батарей имеет свои сильные и слабые стороны, а некоторые могут даже превосходить литий-ионные для домашних установок. Вот краткий обзор современных технологий аккумуляторов, а также некоторые из них, которые находятся в разработке.

Питание от аккумулятора

Все аккумуляторы состоят из двух электроды разделенных электролит (см. диаграмму ниже). На двух электродах возникают две разные обратимые химические реакции. Во время зарядки «активный вид», то есть заряженная молекула, такая как ионы лития для литий-ионных батарей, хранится в анод, Во время разряда это мигрирует к катод, Химическая реакция происходит при потенциал который может использоваться для питания внешней цепи.

Каждый тип технологии батареи можно судить по ряду критериев, таких как:

• Возможность повторной утилизации, которая представляет собой количество раз, когда она может быть заряжена и разряжена

  ---

  

  ---

• Плотность энергии, которая является мерой энергии, хранящейся на единицу массы, измеренная в ватт-часах (мера, представляющая мощность мощности в час) на килограмм (Вт / кг)

• Удельная плотность, которая представляет собой энергию, накопленную на единицу объема, измеренную в ватт-часах на литр (Вт / л).

Какая технология лучше всего подходит для конкретного применения зависит от требований этой роли.

Свинцово-кислотный

Оригинальная аккумуляторная батарея состоит из концентрированной серной кислоты в качестве электролита (H?SO?), а также свинца (Pb) и диоксида свинца (PbO?) как на аноде, так и на катоде, которые оба превращаются в сульфат свинца во время зарядки и разрядки.

Свинцово-кислотные батареи по-прежнему используются в автомобилях, караванах и некоторых электрических релейных сетях. Они обладают очень высокой способностью к повторному использованию, таким образом, долгий срок службы. Этому способствует кратковременное использование и постоянная зарядка, т. Е. Постоянное поддержание заряда аккумулятора почти на уровне 100% - например, в автомобилях. И наоборот, медленный заряд и разряд значительно сокращают срок службы свинцово-кислотной батареи.

Несмотря на то, свинец является токсичным и серная кислота является едким, батарея очень надежен и редко представляет опасность для пользователя. Тем не менее, если они используются в жилых помещениях, большего размера и объема материалов, необходимых также увеличит опасность.

Литий-ионный Tesla Powerwall поставляется в версиях 7 с киловатт-часами (кВтч) или 10kWh. Для сравнения, мы рассмотрим, какой размер батареи потребуется для питания домохозяйства из четырех человек, которое потребляет 20kWh в день, что примерно равно среднее по стране для таких домов.

Свинцово-кислотные батареи имеют плотность энергии от 30 до 40Wh / kg и 60 до 70Wh / l. Это означает, что система 20kWh будет взвешивать 450 до 600kg и обрабатывать 0.28 до 0.33 кубических метров пространства (не считая размера или веса корпуса ячейки и другого оборудования). Этот том можно управлять большинством домашних хозяйств - он будет примерно соответствовать коробке 1 x 1 x 0.3 метров, но вес будет означать, что он должен быть неподвижным.

Литий-ионная

Текущая прецедентная аккумуляторная батарея основана на перемещении ионов лития (Li) между пористым углеродным анодом и катодом из оксида лития. Состав катода оказывает большое влияние на производительность и стабильность батареи.

В настоящее время литий-кобальт-оксид выставляется превосходный зарядка емкость. Однако он более подвержен разрушению, чем альтернативы, такие как литий-титанте или литий-железофосфат, хотя они имеют более низкую емкость заряда.

Одной из распространенных причин неисправностей является набухание катода, поскольку в его структуру вставлены ионы Li, а также покрытие анода металлом лития, которое может стать взрывчатое вещество, Вероятность поломки может быть уменьшена за счет ограничения скорости заряда / разряда, но случаи, ноутбука или телефона батарей взрыва / ловли пожара не редкость.

Срок службы батареи также сильно зависит от состава анода, катода и электролита. Как правило, времена жизни Li-иона превосходят свинцово-кислотные батареи, а Tesla сообщает о продолжительности жизни 15 лет (Циклы 5,000 за один цикл в день) для его 10 kWh Powerwall, основанного на литий-марганцево-кобальтовом электроде.

10kWh Tesla PowerWall весит 100kg и имеет размеры 1.3 х 0.86 х 0.18 метров. Таким образом, для среднего домашнего хозяйства из четырех человек потребуется два блока, соединенных последовательно, приходя к общему весу 200kg и 1.3 х 1.72 х 0.18 метров или 0.4 кубических метров, что легче, чем свинцово-кислотных, но занимает больше места.

Эти значения соответствуют 100Wh / kg и 50Wh / l, которые ниже, чем указано для аккумуляторов из оксида Li-кобальта (150-250Wh / kg и 250-360Wh / l), но в диапазоне, связанном с более безопасным и более продолжительным сроком службы Li -титанат (90Wh / кг) и фосфат Li-железа (80 до 120Whh / кг).

Будущие Усовершенствования к литиевых батарей

Будущие технологии батареи могут улучшить эти цифры. Исследовательские лаборатории во всем мире работают над улучшением конкретной энергии, срока службы и безопасности литиевых батарей.

Основные области исследований включают изменение состава катода, например, работу с литий-железо-фосфат or литий-марганец-кобальт, где различные соотношения или химические структуры материалов могут существенно повлиять на производительность.

Изменение электролита, например, с использованием органических или ионных жидкостей, может улучшить удельную энергию, хотя они могут быть дорогостоящими и требуют более контролируемого изготовления, например, в условиях отсутствия пыли или влажности.

Использование наноматериалов в виде наноразмерных углеродных аналогов (графен и углеродные нанотрубки) Или наночастицы, может улучшить как катод, так и анод. В аноде высокопроводящие и сильные графеновые или углеродные нанотрубки могут заменить текущий материал, который представляет собой графит или смесь, активированную пористым углеродом и графитом.

Графен и углеродные нанотрубки, имеют более высокую площадь поверхности, более высокую проводимость и высокую механическую устойчивость, чем активированный уголь и графит. Точный состав большинства анодов и катодов в настоящее время является коммерческой тайной, но коммерческие уровни производства углеродных нанотрубок намекают, что большинство телефонов и батареи для портативных компьютеров в настоящее время имеют углеродные нанотрубки в качестве части их электродов.

Лабораторные батареи показали невероятную емкость, особенно для конкретной энергии (Вт / кг). Но часто материалы дороги или процесс трудно масштабируется до промышленных уровней. С дальнейшим снижением материальных затрат и дальнейшим упрощением синтеза, несомненно, применение наноматериалов будет продолжать улучшать емкость, срок службы и безопасность литиевых батарей.

Литий-воздушный и литий-серный

Литий-серный и литиево-воздушный батареи представляют собой альтернативные конструкции с аналогичным основополагающим принципом движения Li-ion между двумя электродами с гораздо более высокой теоретической емкостью.

В обоих случаях анод представляет собой тонкую полоску лития, а катод — Li?O? при контакте с воздухом в Li-air и активной серой в Li-S аккумуляторах. Прогнозируемые максимальные мощности являются 320Wh / кг для литий-ионных, 500Wh / кг для Li-S и 1,000Wh / кг для Li-воздух.

Конкретные энергии связаны с более легким весом лития на аноде и катоде (замена оксидов графита / углерода и переходных металлов) и высокой окислительно-восстановительный потенциал потенциал между электродами.

Поскольку анод в этих батареях является литиевым металлом, большое количество лития, требуемого для жилого шкафа 20kWh аккумулятор (18kg для Li-air и 36kg для Li-S), может ограничить их использование на более мелких устройствах в среде короткого замыкания срок.

Ион натрия и магний-ион

Литий имеет атомный номер 3 и сидит в строке 1 из периодическая таблица, Непосредственно ниже находится натрий (Na, атомный номер 11).

На-ионные батареи считаются жизнеспособные альтернативы литий-ионному, главным образом из-за относительного обилия натрия. Катод состоит из оксида Na-металла, такого как натрий-железофосфат, в то время как анод представляет собой пористый углерод. Из-за размера ионов Na графит не может использоваться в аноде, а углеродные наноматериалы исследуются как анодные материалы. Кроме того, масса натрия больше, чем Li, поэтому емкость заряда на единицу массы и объема обычно ниже.

Магний находится справа от натрия в таблице Менделеева (Mg, атомный номер 12) во втором ряду, что означает, что он может существовать в растворе как Mg²? (по сравнению с Li¹? и Na¹?). Имея двойной заряд Na, Mg способен производить вдвое больше электрической энергии при аналогичном объеме.

Аккумулятор Mg-ion состоит из анода Mg-sliver и катода оксида Mg-металла и имеет предсказанный максимум удельная энергия 400Втч/кг. В настоящее время узким местом исследований является двойной заряд Mg²? делает его более медленным в движении через электролит, тем самым замедляя скорость заряда.

Расходные батареи

Батарея поток состоит из двух резервуаров, заполненных электролитом, разделенными протонообменная мембрана, который допускает поток электронов и ионов водорода, но ограничивает смешивание электролита в резервуарах. Примерами таких соединений являются ванадий-ванадий с сульфатом или бромидом, цинк-бром и бром-водород.

Ванадиевые проточные батареи имеют очень длительный срок службы, причем система очень стабильна. Они могут быть масштабированы почти неограниченно, но требуют насоса для цикла электролита вокруг резервуара. Это делает их неподвижными.

Ванадиевые проточные батареи имеют удельные энергии в диапазоне 10-20Wh / кг и плотность энергии 15-25Wh / l. Это означает, что для питания домашнего хозяйства 20kWh вам понадобится батарея с массой 900-1800Kg, которая займет 0.8-1.33m³.

Обладая высокой надежностью, но высокой массой, батарея с ванадиевым проточным элементом более подходит для больших применений, таких как малые электростанции, чем для бытового использования.

В краткосрочной перспективе вполне вероятно, что литий-ионные батареи будут по-прежнему улучшаться и могут достигать 320Wh / кг. Будущие технологии могут обеспечить еще более высокую удельную энергетическую и / или плотность энергии, но, как ожидается, на рынок сначала начнут работать на небольших устройствах, прежде чем перейти к хранилищу энергии в жилых помещениях.

Об авторе

Кэмерон Ширер - научный сотрудник по физическим наукам в Университете Флиндерса. В настоящее время он изучает применение наноматериалов в солнечных батареях и батареях.

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.