Ang kamakailang anunsyo ni Tesla ng Powerwall, ang kanyang bagong lithium-ion (Li-ion) batay sa residential battery storage system, ay dulot usap-usapan. Ito kahit na iaangat ang posibilidad ng pagpunta off-the-grid, umaasa sa mga solar panel upang makabuo ng koryente, at pag-iimbak ng mga ito gamit ang kanilang sariling baterya at paggamit nito sa demand.

Ngunit ang teknolohiya ng lithium-ion na ginamit ng Tesla ay hindi lamang ang nag-aalok. Sa katunayan, ang bawat isa sa iba't ibang mga teknolohiya ng baterya ay may sarili nitong mga lakas at kahinaan, at ang ilan ay maaaring maging superior sa lithium-ion para sa mga pag-install sa bahay. Narito ang isang mabilis na pagsisiyasat ng mga kasalukuyang teknolohiya ng baterya, at ang ilan ay nasa pag-unlad.

Battery Power

Ang lahat ng rechargeable na baterya ay binubuo ng dalawa electrodes pinaghihiwalay ng isang electrolyte (tingnan ang diagram sa ibaba). Ang dalawang magkakaibang mga reaksiyong kemikal ay maaaring mangyari sa dalawang electrodes. Habang nagcha-charge, ang isang "aktibong species" - ibig sabihin, isang singilin na molekula, tulad ng mga ions ng lithium para sa mga baterya ng Li-ion - ay naka-imbak sa anod. Sa paglabas na ito lumipat sa katod. Ang kemikal na reaksyon ay nangyayari sa a malamang na na maaaring magamit sa kapangyarihan ng isang panlabas na circuit.

Ang bawat uri ng baterya teknolohiya ay maaaring hinuhusgahan sa isang bilang ng mga pamantayan, tulad ng:

• Recyclability, na kung saan ay ang bilang ng beses na ito ay maaaring sisingilin at discharged

  ---

  

  ---

• Ang densidad ng enerhiya, na kung saan ay isang sukatan ng enerhiya na naka-imbak sa bawat yunit ng masa, sinusukat sa Watt-oras (isang panukala na kumakatawan sa isang Watt ng output ng kapangyarihan sa loob ng isang oras) bawat kilo (Wh / kg)

• Ang partikular na densidad, na kung saan ay ang enerhiya na naka-imbak sa bawat yunit ng lakas ng tunog, sinusukat sa Watt-oras bawat litro (Wh / l).

Aling mga teknolohiya ay pinaka-ugma para sa isang partikular na application ay depende sa mga pangangailangan ng papel na iyon.

Lead-acid

Ang orihinal na rechargeable na baterya ay binubuo ng concentrated sulfuric acid bilang electrolyte (H? SO?), at lead (Pb) at lead dioxide (PbO?) sa parehong anode at cathode, na parehong na-convert sa lead sulphate sa panahon ng charge at discharge.

Ang mga lead-acid na baterya ay ginagamit pa rin sa mga sasakyan, caravans at sa ilang mga electric relay grids. Sila ay may napakataas na recyclability, kaya isang mahabang buhay. Ito ay nakatulong sa pamamagitan ng paggamit ng maikling tagal at pare-pareho ang pagsingil - ie palaging pinapanatili ang baterya sa halos 100% singil - tulad ng nangyayari sa isang sasakyan. Sa kabaligtaran, ang mabagal na singil at pagdiskarga ay makabuluhang binabawasan ang buhay ng lead-acid na baterya.

Kahit nangunguna ay dahil sa lason at sulpuriko acid ay kinakaing unti-unti, ang baterya ay tunay malusog at bihira nagtatanghal ng isang panganib para sa gumagamit. Gayunpaman, kung ginagamit sa isang residential pag-install, mas malaki laki at dami ng mga materyales na kinakailangan ay din dagdagan ang panganib.

Ang Li-ion Tesla Powerwall ay nasa 7 kilowat-oras (kWh) o 10kWh na mga bersyon. Para sa kapakanan ng paghahambing, titingnan namin kung anong sukat ang kailangan ng baterya sa kapangyarihan ng isang apat na taong sambahayan na kumakain ng 20kWh bawat araw, na tinatayang Pambansang average para sa gayong mga tahanan.

Ang mga lead-acid na baterya ay may enerhiya na densidad ng 30 hanggang 40Wh / kg at 60 sa 70Wh / l. Ito ay nangangahulugan na ang isang 20kWh system ay magtimbang 450 sa 600kg at tumagal ng hanggang 0.28 sa 0.33 kubiko metro ng espasyo (hindi kasama ang laki o bigat ng cell casing at iba pang mga kagamitan). Ang dami ng ito ay mapapamahalaan para sa karamihan ng mga kabahayan - ito ay halos magkasya sa isang kahon 1 x 1 x 0.3 metro - ngunit ang timbang ay nangangahulugan na ito ay dapat na nakatigil.

Lithium-ion

Ang kasalukuyang premier rechargeable na baterya ay batay sa kilusan ng lithium (Li) ions sa pagitan ng isang porous carbon anode at isang Li-metal oxide cathode. Ang komposisyon ng katod ay may malaking epekto sa pagganap at katatagan ng baterya.

Sa kasalukuyan lithium-cobalt-oksido nagpapakita ng superior charge capacity. Gayunpaman, ito ay mas madaling kapitan ng breakdown kaysa sa mga alternatibo, tulad ng lithium-titante o lithium-iron-phosphate, bagaman ang mga ito ay may mababang kapasidad ng pagsingil.

Ang isang karaniwang dahilan ng mga pagkakamali ay ang pamamaga ng katod habang ang Li ions ay ipinasok sa loob ng istraktura nito kasama ang kalupkop ng anod na may lithium metal, na maaaring maging paputok. Ang pagkakataon ng isang breakdown ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng paglilimita ang bayad / discharge rate, ngunit pagkakataon ng laptop o telepono baterya sumasabog / nakahahalina sunog ay hindi bihira.

Ang buhay ng baterya ay depende din sa mabigat na anodes, katod at electrolyte composition. Sa pangkalahatan, ang mga lifetimes ng Li-ion ay nakahihigit sa lead-acid na mga baterya, na may Tesla na nag-uulat ng isang buhay ng 15 na taon (5,000 cycles, sa isang ikot ng bawat araw) para sa kanyang 10 kWh Powerwall, batay sa isang lithium-mangganeso-kobalt elektrod.

Ang 10kWh Tesla Powerwall weighs 100kg at may sukat ng 1.3 0.86 x x 0.18 metro. Kaya para sa isang average ng apat na-tao sa bahay ay nangangailangan ng dalawang mga yunit konektado sa serye, pagdating sa isang kabuuang bigat ng 200kg at 1.3 1.72 x x 0.18 metro o 0.4 kubiko metro, na kung saan ay mas magaan kaysa lead-acid, ngunit tumatagal ng mas maraming espasyo.

Ang mga halagang ito ay katumbas sa 100Wh / kg at 50Wh / l, na mas mababa kaysa sa iniulat ng Li-cobalt oxide na mga baterya (150-250Wh / kg at 250-360Wh / l), ngunit sa hanay na nauugnay sa mas ligtas at mas matagal na buhay na Li -titanate (90Wh / kg) at Li-iron pospeyt (80 sa 120Wh / kg).

Future Pagpapabuti Upang Lithium baterya

Ang mga teknolohiya sa hinaharap na baterya ay maaaring mapabuti ang mga numerong ito nang higit pa. Ang mga laboratoryo ng pananaliksik sa buong mundo ay nagtatrabaho patungo sa pagpapabuti ng tiyak na enerhiya, buhay at kaligtasan ng mga baterya na batay sa lithium.

Ang mga pangunahing lugar ng pagsasaliksik ay ang pagbabago ng komposisyon ng katod, tulad ng trabaho sa lithium-iron-pospeyt or lithium-mangganeso-kobalt, kung saan ang iba't ibang mga ratio o kemikal na istraktura ng mga materyales ay maaaring makaapekto sa pagganap.

Ang pagpapalit ng electrolyte, tulad ng paggamit ng mga organic o ionic na likido, ay maaaring mapabuti ang partikular na enerhiya, bagaman maaari itong maging gastos na humahadlang at nangangailangan ng higit na kinokontrol na katha, tulad ng isang kinokontrol / pinaghihigpitan na kapaligiran na walang dust o halumigmig.

Ang paggamit ng nanomaterials, sa anyo ng nanosized carbon analogues (graphene at carbon nanotubes) O nanoparticles, maaaring mapabuti ang parehong mga katod at ang anod. Sa anode, maaaring mapalitan ng mataas na kondaktibo at malakas na graphene o carbon nanotubes ang kasalukuyang materyal, na graphite o pinaghalong pinagsama-samang porous carbon at grapayt.

Graphene at carbon nanotubes eksibit mas mataas na ibabaw na lugar, mas mataas na kondaktibiti at mas mataas na mechanical katatagan kaysa activate carbon at grapayt. Ang eksaktong komposisyon ng pinaka anodes at cathodes Sa kasalukuyan ay isang lihim na kalakalan, ngunit ang mga komersyal na mga antas ng produksyon ng carbon nanotubes iparamdam na ang karamihan phone at laptop baterya ay kasalukuyang may carbon nanotubes bilang bahagi ng kanilang electrodes.

Ang mga baterya na nakabatay sa lab ay nagpakita ng hindi kapani-paniwala na kapasidad sa imbakan, lalo na para sa partikular na enerhiya (Wh / kg). Ngunit madalas ang mga materyales ay mahal o ang proseso ay mahirap upang masukat sa antas ng pang-industriya. Sa karagdagang pagbabawas sa materyal na gastos at higit pang pagpapagaan ng pagbubuo, walang duda ang aplikasyon ng nanomaterials ay patuloy na mapabuti ang kapasidad, buhay at kaligtasan ng baterya batay sa lithium.

Lithium-air at Lithium-sulfur

Lithium-sulfur at lithium-air Ang mga baterya ay mga alternatibong disenyo na may katulad na batayang prinsipyo ng kilusan ng Li-ion sa pagitan ng dalawang electrodes, na may mas mataas na kapasidad ng teoretikal.

Sa parehong mga kaso, ang anode ay isang manipis na sliver ng lithium habang ang cathode ay Li?O? sa pakikipag-ugnay sa hangin sa Li-air, at aktibong sulfur sa mga baterya ng Li-S. Mga hinulaang maximum na kapasidad Isasama 320Wh / kg para sa Li-ion, 500Wh / kg para sa Li-S at 1,000Wh / kg para sa Li-air.

Ang mga partikular na energies ay may kaugnayan sa mas magaan na timbang ng lithium sa anod at katod (pagpapalit ng grapayt / karbon at metal ng oksido ng paglipat) at ang mataas redox potensyal sa pagitan ng mga electrodes.

Gamit ang anod sa mga baterya na lithium metal, ang malaking halaga ng lithium na kinakailangan para sa isang residential scale 20kWh baterya pack (18kg para sa Li-air at 36kg para sa Li-S) ay maaaring limitahan ang kanilang paggamit sa mas maliit na mga aparato sa maikling-to-medium term.

Sodium-ion At Magnesium-ion

Lithium ay atomic bilang ng 3 at sits sa hilera 1 ng periodic table. Direkta sa ibaba ang Sodium (Na, atomic number 11).

Ang mga baterya ng Na-ion ay itinuturing na mabubuhay na alternatibo sa Li-ion, higit sa lahat dahil sa kamag-anak ng sodium. Ang katod ay binubuo ng Na-metal na oksido, tulad ng sosa-iron-phosphate, habang ang anode ay porous carbon. Dahil sa laki ng Na ions, hindi maaaring gamitin ang grapayt sa anode at carbon nanomaterials na sinaliksik bilang mga materyales ng anod. Bukod pa rito ang masa ng Sodium ay mas malaki kaysa sa Li, kaya ang kapasidad ng pagsingil sa bawat yunit ng masa at lakas ng tunog sa pangkalahatan ay mas mababa.

Ang Magnesium ay nakaupo sa kanan ng sodium sa periodic table (Mg, atomic number 12) sa row 2, na nangangahulugang maaari itong umiral sa solusyon bilang Mg²? (kumpara sa Li¹? at Na¹?). Sa dobleng singil ng Na, ang Mg ay may kakayahang gumawa ng dalawang beses ang elektrikal na enerhiya para sa isang katulad na dami.

Ang baterya ng Mg-ion ay binubuo ng isang Mg-sliver anode at isang Mg-metal oxide cathode, at may hinulaang maximum tiyak na enerhiya na 400Wh/kg. Ang kasalukuyang bottleneck ng pananaliksik ay ang dobleng singil sa Mg²? ginagawa itong mas tamad sa paglipat sa pamamagitan ng electrolyte, kaya nagpapabagal sa rate ng singil.

Daloy ng Baterya

A daloy baterya ay binubuo ng dalawang tank storage puno ng electrolyte na pinaghihiwalay ng isang proton exchange membrane, na nagbibigay-daan sa daloy ng mga elektron at hydrogen ions, ngunit pinipigilan ang paghahalo ng electrolyte sa tangke ng imbakan. Kabilang sa mga halimbawa ng mga ito ang vanadium-vanadium na may sulpate o bromide, sink-bromine at bromine-hydrogen.

Ang mga baterya ng daloy ng Vanadium ay may mahabang lifetimes na ang sistema ay napakatagal. Maaari silang ma-upscaled halos walang katapusan ngunit nangangailangan ng isang bomba upang ikot ng electrolyte sa paligid ng tangke ng imbakan. Nagbibigay ito sa kanila ng hindi kumikilos.

Ang mga baterya ng daloy ng Vanadium ay may mga partikular na enerhiya sa hanay ng 10-20Wh / kg at enerhiya na densidad ng 15-25Wh / l. Nangangahulugan iyon upang magamit ang isang bahay na 20kWh, kakailanganin mo ng isang baterya na may masa ng 900-1800Kg, na kung saan ay aabutin 0.8-1.33m³.

May mataas na pagiging maaasahan ngunit mataas na mass, ang vanadium daloy ng cell baterya ay mas angkop para sa mga malalaking mga application tulad ng mga maliliit na halaman kapangyarihan kaysa sa residential paggamit.

Sa maikling salita ay malamang na ang mga baterya ng Li-ion ay patuloy na mapabuti, at maaaring umabot sa 320Wh / kg. Ang mga teknolohiya sa hinaharap ay may kakayahang maghatid ng kahit na mas mataas na partikular na enerhiya at / o enerhiya na densidad, ngunit inaasahang papasok sa merkado muna sa mas maliit na mga aparato bago lumipat patungo sa reserbang enerhiya ng tirahan.

Tungkol sa Ang May-akda

Si Cameron Shearer ay Associate Research sa Physical Sciences sa Flinders University. Kasalukuyan niyang sinaliksik ang aplikasyon ng nanomaterials sa solar cells at baterya.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa Ang pag-uusap. Basahin ang ang orihinal na artikulo.