Pengumuman baru-baru ini oleh Tesla of Powerwall, sistem penyimpanan bateri kediaman lithium-ion (Li-ion) yang baru, telah menyebabkan agak kacau. Ia juga meningkatkan kemungkinan akan off-the-grid, bergantung kepada panel solar untuk menjana elektrik, dan menyimpannya dengan bateri mereka sendiri dan menggunakannya apabila diminta.

Namun teknologi lithium-ion yang digunakan oleh Tesla bukan satu-satunya yang ditawarkan. Sebenarnya, setiap teknologi bateri mempunyai kekuatan dan kelemahan tersendiri, dan sesetengah mungkin lebih tinggi daripada litium-ion untuk pemasangan rumah. Inilah tinjauan cepat teknologi bateri semasa, dan beberapa yang sedang dalam pembangunan.

Kuasa bateri

Semua bateri boleh dicas semula terdiri daripada dua elektrod dipisahkan oleh a elektrolit (lihat rajah di bawah). Dua tindak balas kimia yang berbeza boleh berlaku pada dua elektrod. Semasa mengecas, "spesies aktif" - iaitu molekul yang dikenakan, seperti ion lithium untuk bateri Li-ion - disimpan di dalam anod. Semasa pelepasan ini, berhijrah ke katod. Reaksi kimia berlaku pada a potensi yang boleh digunakan untuk kuasa litar luaran.

Setiap jenis teknologi bateri boleh dinilai berdasarkan beberapa kriteria, seperti:

• Kitar semula, yang merupakan bilangan kali ia boleh dikenakan dan dilepaskan

  ---

  

  ---

• Ketumpatan tenaga, yang merupakan ukuran tenaga yang disimpan dalam jisim satuan, diukur dalam jam Watt (satu ukuran yang mewakili Watt keluaran kuasa dalam satu jam) setiap kilogram (Wh / kg)

• Ketumpatan khusus, iaitu tenaga yang disimpan dalam jumlah unit, diukur dalam jam Watt per liter (Wh / l).

Mana teknologi adalah sesuai untuk aplikasi tertentu bergantung kepada permintaan peranan itu.

Asid plumbum

Bateri boleh dicas semula asal terdiri daripada asid sulfurik pekat sebagai elektrolit (H? SO?), dan plumbum (Pb) dan plumbum dioksida (PbO?) pada kedua-dua anod dan katod, yang kedua-duanya ditukar kepada plumbum sulfat semasa cas dan nyahcas.

Bateri asid plumbum masih digunakan di kereta, karavan dan di beberapa tiub geganti elektrik. Mereka mempunyai kitar semula yang sangat tinggi, sehingga jangka hayat yang panjang. Ini dibantu oleh penggunaan jangka masa pendek dan pengecasan berterusan - iaitu sentiasa menjaga bateri pada caj% hampir 100 - seperti berlaku di dalam kereta. Sebaliknya, caj dan pelepasan yang perlahan dapat mengurangkan jangka hayat bateri asid plumbum.

Walaupun plumbum adalah toksik dan asid sulfurik menghakis, bateri yang sangat teguh dan jarang membentangkan bahaya kepada pengguna. Walau bagaimanapun, jika digunakan dalam pemasangan kediaman, saiz yang lebih besar dan jumlah bahan yang diperlukan juga akan meningkatkan bahaya.

Tesla Powerwall Li-ion datang dalam versi kilowatt-jam 7 (kWh) atau 10kWh. Demi perbandingan, kita akan melihat saiz bateri yang diperlukan untuk menggerakkan isi rumah empat orang yang menggunakan 20kWh sehari, yang kira-kira purata kebangsaan untuk rumah tersebut.

Bateri asid plumbum mempunyai ketumpatan tenaga 30 hingga 40Wh / kg dan 60 ke 70Wh / l. Ini bermakna sistem 20kWh akan menimbang 450 ke 600kg dan mengambil 0.28 untuk 0.33 meter padu ruang (tidak termasuk saiz atau berat sarung sel dan peralatan lain). Jumlah ini boleh diurus untuk kebanyakan isi rumah - ia kira-kira muat dalam kotak 1 x 1 x 0.3 meter - tetapi beratnya bermakna bahawa ia mesti bergerak.

Lithium-ion

Bateri boleh dicas semula utama semasa adalah berdasarkan pergerakan ion litium (Li) di antara anod karbon berliang dan katod oksida Li-logam. Komposisi katod mempunyai kesan yang besar terhadap prestasi dan kestabilan bateri.

Pada masa litium-kobalt-oksida mempamerkan keupayaan caj yang unggul. Walau bagaimanapun, lebih mudah terdedah kepada pecahan daripada alternatif, seperti litium-titante atau litium-besi-fosfat, walaupun ini mempunyai kapasiti cas yang lebih rendah.

Salah satu penyebab utama kesilapan ialah bengkak katod sebagai ion Li dimasukkan dalam strukturnya bersama dengan penyaduran anoda dengan logam lithium, yang boleh menjadi letupan. Peluang untuk pecahan yang boleh dikurangkan dengan mengehadkan kadar caj / pelepasan, tetapi contoh komputer riba atau telefon bateri meletup / terbakar adalah bukan luar biasa.

Hayat bateri juga bergantung banyak pada anod, katod dan komposisi elektrolit. Secara amnya, jangka hayat Li-ion lebih tinggi daripada bateri asid plumbum, dengan Tesla melaporkan seumur hidup 15 tahun (Kitaran 5,000, pada satu kitaran setiap hari) untuk kWh Powerwall 10, berdasarkan elektrod lithium-mangan-kobalt.

The 10kWh Tesla Powerwall berat 100kg dan mempunyai dimensi 1.3 x 0.86 x 0.18 meter. Jadi untuk purata empat orang isi rumah akan memerlukan dua unit disambung secara siri, datang kepada jumlah berat 200kg dan 1.3 x 1.72 x 0.18 meter atau 0.4 meter padu, yang lebih ringan daripada plumbum-asid, tetapi mengambil lebih banyak ruang.

Nilai-nilai ini sama dengan 100Wh / kg dan 50Wh / l, yang lebih rendah daripada yang dilaporkan untuk bateri Li-kobalt oksida (150-250Wh / kg dan 250-360Wh / l), tetapi dalam lingkungan yang berkaitan dengan jangka hayat yang lebih selamat dan lebih lama -titanate (90Wh / kg) dan Li-besi fosfat (80 hingga 120Wh / kg).

Penambahbaikan Masa Depan Untuk Bateri Lithium

Teknologi bateri masa depan mungkin meningkatkan lagi nombor-nombor ini. Makmal penyelidikan di seluruh dunia sedang berusaha untuk meningkatkan tenaga tertentu, hayat dan keselamatan bateri berasaskan litium.

Bidang utama penyelidikan termasuk mengubah komposisi katod, seperti kerja dengan litium besi fosfat or lithium-mangan-kobalt, di mana nisbah yang berlainan atau struktur kimia bahan boleh menjejaskan prestasi secara drastik.

Mengubah elektrolit, seperti menggunakan cecair organik atau ionik, boleh meningkatkan tenaga tertentu, walaupun mereka boleh dikenakan biaya yang mahal dan memerlukan fabrikasi yang lebih terkawal, seperti dalam persekitaran terkawal / kelembapan yang bebas atau kelembapan.

Penggunaan nanomaterials, dalam bentuk analog karbon nanosized (graphene and nanotube karbon) Atau nanopartikel, mungkin memperbaiki kedua-dua katod dan anod. Di anod, graphene yang sangat konduktif dan kuat atau nanotube karbon boleh menggantikan bahan semasa, iaitu grafit atau campuran berliang karbon dan grafit.

Graphene dan karbon nanotube mempamerkan kawasan permukaan yang lebih tinggi, kekonduksian yang lebih tinggi dan kestabilan mekanikal yang lebih tinggi daripada karbon diaktifkan dan grafit. Komposisi tepat kebanyakan anodes dan katod kini adalah rahsia perdagangan, tetapi tahap pengeluaran komersial nanotube karbon membayangkan bahawa kebanyakan telefon dan komputer riba bateri kini mempunyai nanotube karbon sebagai sebahagian daripada elektrod mereka.

Bateri berasaskan makmal menunjukkan kapasiti storan yang luar biasa, terutamanya untuk tenaga tertentu (Wh / kg). Tetapi selalunya bahan-bahan mahal atau prosesnya sukar untuk skala ke peringkat perindustrian. Dengan pengurangan kos bahan dan penyederhanaan sintesis, tidak ada keraguan penggunaan nanomaterials akan terus meningkatkan kapasiti, jangka hayat dan keselamatan bateri berasaskan litium.

Litium-udara dan litium-sulfur

Litium-sulfur dan litium-udara bateri adalah reka bentuk alternatif dengan prinsip asas pergerakan Li-ion yang sama antara dua elektrod, dengan kapasiti teoritis yang lebih tinggi.

Dalam kedua-dua kes, anod ialah sekerat nipis litium manakala katod ialah Li?O? bersentuhan dengan udara dalam Li-air, dan sulfur aktif dalam bateri Li-S. Kapasiti maksimum yang diramalkan adalah 320Wh / kg untuk Li-ion, 500Wh / kg untuk Li-S dan 1,000Wh / kg untuk Li-udara.

Tenaga tertentu berkaitan dengan berat litium yang lebih ringan pada anoda dan katod (menggantikan grafit / karbon dan logam oksida peralihan) dan tinggi redox potensi antara elektrod.

Dengan anod dalam bateri ini menjadi logam litium, sejumlah besar litium yang diperlukan untuk pek bateri 20kWh skala kediaman (18kg untuk Li-udara dan 36kg untuk Li-S) boleh mengehadkan penggunaannya kepada peranti yang lebih kecil dalam jangka pendek terma.

Sodium-ion Dan Magnesium-ion

Lithium mempunyai bilangan atom 3 dan duduk di barisan 1 daripada jadual berkala. Secara langsung di bawah ialah Natrium (Na, nombor atom 11).

Bateri Na-ion dianggap sebagai alternatif yang berdaya maju untuk Li-ion, terutamanya disebabkan oleh banyaknya natrium. Katod terdiri daripada oksida Na-logam, seperti natrium-besi-fosfat, manakala anod adalah karbon berpori. Oleh kerana saiz Na ion, grafit tidak boleh digunakan dalam anod dan nanomaterial karbon sedang dikaji sebagai bahan anod. Selain itu, jisim natrium lebih besar daripada Li, jadi kapasiti cas per unit jisim dan isipadu pada umumnya lebih rendah.

Magnesium terletak di sebelah kanan natrium pada jadual berkala (Mg, nombor atom 12) dalam baris 2, yang bermaksud ia boleh wujud dalam larutan sebagai Mg²? (berbanding dengan Li¹? dan Na¹?). Dengan dua kali ganda cas Na, Mg mampu menghasilkan dua kali ganda tenaga elektrik untuk isipadu yang serupa.

Bateri Mg-ion terdiri daripada anod Mg-sliver dan katod oksida Mg-logam, dan mempunyai maksimum yang diramalkan tenaga tentu 400Wh/kg. Kesesakan penyelidikan semasa ialah cas berganda pada Mg²? menjadikannya lebih lembap dalam bergerak melalui elektrolit, sekali gus memperlahankan kadar cas.

Bateri Aliran

Bateri aliran terdiri daripada dua tangki simpanan penuh dengan elektrolit dipisahkan oleh membran pertukaran proton, yang membolehkan aliran elektron dan ion hidrogen, tetapi mengehadkan pencampuran elektrolit dalam tangki simpanan. Contohnya termasuk vanadium-vanadium dengan sulfat atau bromida, zink-bromin dan bromin-hidrogen.

Bateri aliran vanadium mempunyai jangka hayat yang sangat lama dengan sistem yang sangat stabil. Mereka boleh ditingkatkan hampir tanpa had tetapi memerlukan pam untuk mengitar elektrolit di sekeliling tangki simpanan. Ini menjadikan mereka tidak bergerak.

Bateri aliran vanadium mempunyai tenaga tertentu dalam lingkungan 10-20Wh / kg dan ketumpatan tenaga 15-25Wh / l. Maksudnya untuk kuasa rumah 20kWh, anda memerlukan bateri dengan jisim 900-1800Kg, yang akan mengambil 0.8-1.33m³.

Dengan kebolehpercayaan yang tinggi tetapi jisim yang tinggi, bateri sel aliran vanadium lebih sesuai untuk aplikasi besar seperti tumbuhan kuasa kecil daripada penggunaan kediaman.

Dalam jangka pendek, kemungkinan bateri Li-ion akan terus ditingkatkan, dan mungkin mencapai 320Wh / kg. Teknologi masa depan mempunyai keupayaan untuk menyampaikan kepadatan tenaga yang lebih tinggi dan / atau kepadatan tenaga, tetapi dijangka memasuki pasaran pertama dalam peranti kecil sebelum bergerak ke arah penyimpanan tenaga kediaman.

Tentang Pengarang

Cameron Shearer adalah Penyelidik Bersekutu dalam Sains Fizikal di Universiti Flinders. Dia sedang mengkaji penerapan nanomaterials dalam sel dan bateri solar.

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan. Membaca artikel asal.