Môre se Battery Technologies wat kan krag aan jou huis
Geskryf deur Cameron Shearer, Flinders Universiteit
Die onlangse aankondiging deur Tesla van Powerwall, het sy nuwe lithium-ion (Li-ion) gebaseerde residensiële battery stoorstelsel veroorsaak nogal 'n opskudding. Dit verhoog ook die moontlikheid van gaan off-the-rooster, staatmaak op sonpanele om elektrisiteit op te wek, en stoor dit met hul eie battery en gebruik dit op aanvraag.
Tog is die litiumionetegnologie wat Tesla gebruik, nie die enigste een wat aangebied word nie. Trouens, elkeen van die verskillende battery tegnologie het sy eie sterkte en swakpunte, en sommige kan selfs beter wees as lithium-ion vir tuisinstallasies. Hier is 'n vinnige oorsig van huidige battery tegnologie, en sommige wat in ontwikkeling is.
Alle herlaaibare batterye bestaan ​​uit twee elektrodes geskei deur 'n elektroliet (sien diagram hieronder). Twee verskillende omkeerbare chemiese reaksies vind by die twee elektrodes plaas. Tydens die laai word 'n aktiewe spesie - dit wil sê 'n gelaaide molekule, soos litiumione vir Li-ion batterye, gestoor in die anode. Tydens ontslag trek dit na die katode. Die chemiese reaksie vind plaas by a potensiële wat gebruik kan word om 'n eksterne kring te dryf.
Elke tipe battery tegnologie kan beoordeel word op 'n aantal kriteria, soos:
Herwinbaarheid, wat is die aantal kere wat dit opgelaai en ontslaan kan word
Energiedigtheid, wat 'n maatstaf is van die energie wat per eenheidsmassa gestoor word, gemeet in Watt-ure ('n mate wat 'n Watt van kraguitset oor 'n uur verteenwoordig) per kilogram (Wh / kg)
Spesifieke digtheid, wat is die energie gestoor per eenheidsvolume, gemeet in Watt-ure per liter (Wh / l).
Watter tegnologie is die beste geskik is vir 'n spesifieke toepassing is afhanklik van die eise van daardie rol.
Die oorspronklike herlaaibare battery bestaan ​​uit gekonsentreerde swaelsuur as die elektroliet (H2SO4), en lood (Pb) en looddioksied (PbO2) op beide die anode en katode, wat albei omgeskakel word na loodsulfaat tydens lading en ontslag.
Lood-suur batterye word steeds in motors, karavane en in sommige elektriese relay roosters gebruik. Hulle het 'n baie hoë herwinbaarheid, dus 'n lang leeftyd. Dit word gehelp deur kort duur gebruik en konstante laai - dws hou altyd die battery teen byna 100% lading - soos in 'n motor voorkom. Omgekeerd verminder stadige lading en ontslag die batteryleeftyd van die loodsuur aansienlik.
Alhoewel lood is giftig en swaelsuur is korrosief, die battery is baie sterk en selde bied 'n gevaar vir die gebruiker. Maar as dit gebruik word in 'n residensiële installasie, hoe groter grootte en omvang van die materiaal wat benodig word sal ook verhoog die risiko.
Die Li-ion Tesla Powerwall kom in 7 kilowatt-uur (kWh) of 10kWh weergawes. Ter vergelyking sal ons kyk na watter grootte battery benodig word om 'n huishouding van vier persone te gebruik wat 20kWh per dag verbruik, wat ongeveer die Nasionale gemiddelde vir sulke huise.
Lood-suur batterye het energiedigtheid van 30 tot 40Wh / kg en 60 tot 70Wh / l. Dit beteken dat 'n 20kWh-stelsel 450 na 600kg sal weeg en 0.28 tot 0.33 kubieke meter spasie opneem (nie die grootte of gewig van die selomhulsel en ander toerusting nie). Hierdie volume is hanteerbaar vir die meeste huishoudings. Dit sal ongeveer in 'n boks 1 x 1 x 0.3 meter pas, maar die gewig sal beteken dat dit stilstaande moet wees.
Die huidige premier herlaaibare battery is gebaseer op die beweging van litium (Li) ione tussen 'n poreuse koolstofanode en 'n Li-metaaloksiedkatode. Die samestelling van die katode het 'n groot invloed op die prestasie en stabiliteit van die battery.
Tans litium-kobalt-oksied vertoon superieure ladingskapasiteit. Dit is egter meer vatbaar vir afbreek as alternatiewe, soos litium-titante of litium-ysterfosfaat, alhoewel dit laer ladingsvermoë het.
Een algemene oorsaak van foute is swelling van die katode, aangesien Li ione binne sy struktuur geplaas word, tesame met die plating van die anode met litiummetaal, wat kan word plofbare. Die kans van 'n uiteensetting kan verminder word deur die beperking van die aanklag / ontlading, maar gevalle van laptop of selfoon batterye ontplof / brand geslaan word nie ongewoon.
Die leeftyd van die battery hang ook sterk af van die anode-, katode- en elektrolietsamestelling. Oor die algemeen is die leeftyd van Li-ion beter as loodsuurbatterye, met Tesla wat 'n leeftyd van 15 jaar rapporteer (5,000 siklusse, op een siklus per dag) vir sy 10 kWh Powerwall, gebaseer op 'n litium-mangaan-kobaltelektrode.
Die 10kWh Tesla Powerwall weeg 100kg en het dimensies van 1.3 x 0.86 x 0.18 meter. So vir 'n gemiddelde vier-persoon huishouding sal twee eenhede wat in serie geskakel vereis, kom tot 'n totale gewig van 200kg en 1.3 x 1.72 x 0.18 meter of 0.4 kubieke meter, wat ligter is as lood, maar neem meer ruimte.
Hierdie waardes is gelyk aan 100Wh / kg en 50Wh / l, wat laer is as wat aangemeld is vir Li-kobaltoksiedbatterye (150-250Wh / kg en 250-360Wh / l), maar in die reeks wat verband hou met die veiliger en langer lewensduur Li -titanaat (90Wh / kg) en Li-ysterfosfaat (80 tot 120Wh / kg).
Toekomstige verbeterings aan Litiumbatterye
Toekomstige battery tegnologie kan hierdie syfers verder verbeter. Navorsingslaboratoriums regoor die wêreld werk aan die verbetering van die spesifieke energie, leeftyd en veiligheid van lithium-gebaseerde batterye.
Belangrike gebiede van navorsing sluit in die verandering van katodesamestelling, soos die werk met litium-yster-fosfaat or litium-mangaan-kobalt, waar verskillende verhoudings of chemiese strukture van die materiale die prestasie drasties kan beïnvloed.
Die verandering van die elektroliet, soos die gebruik van organiese of ioniese vloeistowwe, kan die spesifieke energie verbeter, hoewel dit kosteveroorsaak kan word en meer beheerde vervaardiging benodig, soos in 'n stofvrye of humiditeits beheerde / beperkte omgewing.
Die gebruik van nanomateriale, in die vorm van nanoseerde koolstofanaloge (grafeen en koolstof nanobuise) Of nanopartikels, kan die katode en die anode verbeter. In die anode kan hoogs geleidende en sterk grafene of koolstofnanobuise die huidige materiaal vervang, wat grafiet of 'n mengsel is wat poreuse koolstof en grafiet geaktiveer het.
Grafeen en koolstof nanobuise uitstal hoër oppervlakte, hoër geleidingsvermoë en hoër meganiese stabiliteit as geaktiveerde koolstof en grafiet. Die presiese samestelling van die meeste anodes en katodes is tans 'n handelsgeheim, maar die kommersiële produksie vlakke van koolstof nanobuise wenk dat die meeste selfoon en skootrekenaar batterye het tans koolstof nanobuise as deel van hul elektrodes.
Lab-gebaseerde batterye het ongelooflike bergingskapasiteit getoon, veral vir spesifieke energie (Wh / kg). Maar dikwels is die materiaal duur of die proses is moeilik om te skaal na industriële vlakke. Met verdere vermindering in materiaalkoste en verdere vereenvoudiging van sintese is daar geen twyfel dat die toepassing van nanomateriale die kapasiteit, leeftyd en veiligheid van litium-gebaseerde batterye sal verbeter.
Litium-lug en Litium-swael
Litium-swael en litium-lug batterye is alternatiewe ontwerpe met 'n soortgelyke onderliggende beginsel van Li-ioon beweging tussen twee elektrodes, met veel hoër teoretiese vermoëns.
In albei gevalle is die anode 'n dun spleet van litium terwyl die katode Li2O2 in kontak is met lug in Li-lug en aktiewe swael in Li-S-batterye. Voorspelde maksimum vermoëns is 320Wh / kg vir Li-ion, 500Wh / kg vir Li-S en 1,000Wh / kg vir Li-lug.
Die spesifieke energieë hou verband met die ligter gewig van litium op die anode en katode (vervanging van grafiet / koolstof en oorgangsmetaaloksiede) en die hoë redoks potensiaal tussen die elektrodes.
Met die anode in hierdie batterye wat litiummetaal is, kan die groot hoeveelheid litium benodig vir 'n residensiële skaal 20kWh battery pack (18kg vir Li-Air en 36kg vir Li-S) hul gebruik beperk tot kleiner toestelle in die kort-tot-medium termyn.
Natrium-Ioon En Magnesium-Ioon
Litium het atoomgetal van 3 en sit in ry 1 van die periodieke tabel. Direk onder is Natrium (Na, atoomgetal 11).
Na-ioon batterye word beskou as lewensvatbare alternatiewe vir Li-ion, hoofsaaklik as gevolg van die relatiewe oorvloed van natrium. Die katode bestaan ​​uit Na-metaaloksied, soos natrium-ysterfosfaat, terwyl die anode poreuse koolstof is. As gevolg van die grootte van Na-ione, kan grafiet nie in die anode gebruik word nie en koolstofnanomateriale word as anodiemateriaal ondersoek. Daarbenewens is die massa van natrium groter as Li, dus is die laadkapasiteit per eenheidsmassa en volume oor die algemeen laer.
Magnesium sit regs van natrium op die periodieke tabel (Mg, atoomgetal 12) in ry 2, wat beteken dat dit in oplossing as Mg² + kan bestaan ​​(in vergelyking met Li¹ + en Na¹⁺). Met dubbel die beheer van Na, is Mg in staat om twee keer die elektriese energie vir 'n soortgelyke volume te produseer.
Die Mg-ioon battery bestaan ​​uit 'n Mg-sliver anode en 'n Mg-metaaloksied katode, en het 'n voorspelde maksimum spesifieke energie van 400Wh / kg. Die huidige ondersoek knelpunt is dat die dubbele lading op die Mg² + dit traagder maak om deur die elektroliet te beweeg en sodoende die ladingskoers te vertraag.
A vloei battery bestaan ​​uit twee opgaartenks gevul met elektroliet geskei deur 'n proton ruilmembraan, wat die vloei van elektrone en waterstofione moontlik maak, maar beperk die vermenging van die elektroliet in die opgaartenks. Voorbeelde hiervan is vanadium-vanadium met sulfaat of bromied, sink-broom en broomwaterstof.
Vanadiumvloeibatterye het baie lang leeftye, met die stelsel baie stabiel. Hulle kan byna onbepaald wees, maar benodig 'n pomp om die elektroliet om die opgaartenk te fiets. Dit maak hulle onbeweeglik.
Vanadiumvloeibatterye het spesifieke energieë in die reeks van 10-20Wh / kg en energiedigtheid van 15-25Wh / l. Dit beteken dat jy 'n 20kWh-huishouding moet dryf, jy benodig 'n battery met massa 900-1800Kg, wat 0.8-1.33m³ sal opneem.
Met hoë betroubaarheid, maar hoë massa, is die vanadiumvloeiselbattery meer geskik vir groot toepassings soos klein kragstasies as residensiële gebruik.
Op die kort termyn is dit waarskynlik dat Li-ion batterye verbeter sal word, en kan selfs 320Wh / kg bereik. Toekomstige tegnologieë het die vermoë om nog hoër spesifieke energie en / of energiedigtheid te lewer, maar dit word verwag dat hulle eers in kleiner toestelle die mark binnekom voordat hulle na residensiële energieberging beweeg.
Cameron Shearer is navorsingsgenoot in Fisiese Wetenskappe aan die Flinders Universiteit. Hy ondersoek tans die toepassing van nanomateriale in sonneselle en batterye.
Jy is hier: Tuis > Lewe > Wetenskap en Tegnologie > Môre se Battery Technologies wat kan krag aan jou huis