Ostatnie ogłoszenie Tesli of ściana mocy, jego nowy system przechowywania akumulatorów do użytku domowego oparty na litowo-jonowym (Li-ion) spowodował niezłe zamieszanie. Zwiększa nawet możliwość wyjazdu poza siecią, polegający na panelach słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej oraz magazynowaniu jej we własnym akumulatorze i wykorzystywaniu jej na żądanie.

Jednak technologia litowo-jonowa stosowana przez Teslę nie jest jedyną w ofercie. W rzeczywistości każda z różnych technologii akumulatorów ma swoje mocne i słabe strony, a niektóre mogą być nawet lepsze niż litowo-jonowe w instalacjach domowych. Oto krótki przegląd aktualnych technologii akumulatorów oraz niektóre z nich, które są w fazie rozwoju.

Moc baterii

Wszystkie akumulatory składają się z dwóch elektrody oddzielone elektrolit (patrz schemat poniżej). Na dwóch elektrodach zachodzą dwie różne odwracalne reakcje chemiczne. Podczas ładowania w anoda. Podczas rozładowania migruje do katoda. Reakcja chemiczna zachodzi przy potencjał które można wykorzystać do zasilania obwodu zewnętrznego.

Każdy rodzaj technologii akumulatorów można ocenić na podstawie szeregu kryteriów, takich jak:

• Możliwość recyklingu, czyli ile razy można go ładować i rozładowywać

  ---

  

  ---

• Gęstość energii, która jest miarą energii zmagazynowanej na jednostkę masy, mierzoną w watogodzinach (miara reprezentująca wat mocy wyjściowej w ciągu godziny) na kilogram (Wh/kg)

• Gęstość właściwa, czyli energia zmagazynowana na jednostkę objętości, mierzona w watogodzinach na litr (Wh/l).

To, która technologia najlepiej nadaje się do konkretnego zastosowania, zależy od wymagań tej roli.

Kwasowo-ołowiowy

Oryginalny akumulator składa się ze stężonego kwasu siarkowego jako elektrolitu (H2SO4) oraz ołowiu (Pb) i dwutlenku ołowiu (PbO?) zarówno na anodzie, jak i katodzie, które podczas ładowania i rozładowywania przekształcają się w siarczan ołowiu.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są nadal używane w samochodach, przyczepach kempingowych oraz w niektórych sieciach przekaźników elektrycznych. Charakteryzują się bardzo wysoką zdolnością do recyklingu, a co za tym idzie długą żywotnością. Pomaga w tym krótkotrwałe użytkowanie i ciągłe ładowanie – tj. zawsze utrzymywanie akumulatora w stanie prawie 100% naładowanym – tak jak ma to miejsce w samochodach. I odwrotnie, powolne ładowanie i rozładowywanie znacznie skraca żywotność akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Chociaż ołów jest toksyczny, a kwas siarkowy żrący, akumulator jest bardzo wytrzymały i rzadko stanowi zagrożenie dla użytkownika. Jednak w przypadku zastosowania w instalacji mieszkaniowej większy rozmiar i objętość wymaganych materiałów również zwiększą zagrożenia.

Li-ion Tesla Powerwall jest dostępny w wersjach 7 kilowatogodzin (kWh) lub 10 kWh. Dla porównania przyjrzymy się, jaki rozmiar baterii byłby wymagany do zasilania czteroosobowego gospodarstwa domowego, które zużywa 20 kWh dziennie, co stanowi w przybliżeniu Średnia krajowa dla takich domów.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe mają gęstość energii od 30 do 40Wh/kg i od 60 do 70Wh/l. Oznacza to, że system o mocy 20 kWh będzie ważył od 450 do 600 kg i zajmie od 0.28 do 0.33 metra sześciennego przestrzeni (nie licząc rozmiaru ani wagi obudowy ogniwa i innego sprzętu). Ta objętość jest do opanowania dla większości gospodarstw domowych – z grubsza zmieściłaby się w pudełku 1 x 1 x 0.3 metra – ale waga będzie oznaczać, że musi być nieruchoma.

Akumulator litowo-jonowy

Obecny premierowy akumulator jest oparty na ruchu jonów litu (Li) między porowatą anodą węglową a katodą litowo-tlenkową. Skład katody ma duży wpływ na wydajność i stabilność baterii.

Obecnie tlenek litowo-kobaltowy wykazuje doskonałą pojemność ładowania. Jest jednak bardziej podatny na rozkład niż alternatywy, takie jak tytanian litu lub fosforan litowo-żelazowy, chociaż mają one mniejszą pojemność ładowania.

Jedną z częstych przyczyn usterek jest pęcznienie katody, ponieważ jony litu są wprowadzane do jej struktury wraz z powlekaniem anody metalicznym litem, który może stać się wybuchowy. Szansę na awarię można zmniejszyć, ograniczając szybkość ładowania/rozładowania, ale przypadki wybuchu/zapalenia baterii laptopa lub telefonu są nierzadki.

Żywotność baterii zależy również w dużym stopniu od składu anody, katody i elektrolitu. Ogólnie rzecz biorąc, żywotność akumulatorów litowo-jonowych jest lepsza niż akumulatorów kwasowo-ołowiowych, a Tesla podaje żywotność 15 lat (5,000 cykli, w jednym cyklu dziennie) za 10 kWh Powerwall, oparty na elektrodzie litowo-manganowo-kobaltowej.

10 kWh Tesla Powerwall waży 100 kg i ma wymiary 1.3 x 0.86 x 0.18 metra. Tak więc dla przeciętnego czteroosobowego gospodarstwa domowego potrzebne będą dwie jednostki połączone szeregowo, o łącznej wadze 200 kg i 1.3 x 1.72 x 0.18 metra lub 0.4 metra sześciennego, co jest lżejsze niż kwas ołowiowy, ale zajmuje więcej miejsca.

Wartości te odpowiadają 100Wh/kg i 50Wh/l, które są niższe niż w przypadku akumulatorów litowo-kobaltowych (150-250Wh/kg i 250-360Wh/l), ale mieszczą się w zakresie związanym z bezpieczniejszą i dłuższą żywotnością Li - tytanian (90 Wh/kg) i fosforan litowo-żelazowy (80 do 120 Wh/kg).

Przyszłe ulepszenia baterii litowych

Przyszłe technologie akumulatorów mogą jeszcze bardziej poprawić te liczby. Laboratoria badawcze na całym świecie pracują nad poprawą określonej energii, żywotności i bezpieczeństwa baterii litowych.

Główne obszary badań obejmują zmiany składu katod, takie jak praca z fosforan litowo-żelazowy or litowo-manganowo-kobaltowy, gdzie różne proporcje lub struktury chemiczne materiałów mogą drastycznie wpłynąć na wydajność.

Zmiana elektrolitu, taka jak użycie cieczy organicznych lub jonowych, może poprawić energię właściwą, chociaż może być kosztowna i wymagać bardziej kontrolowanej produkcji, na przykład w środowisku wolnym od kurzu lub o kontrolowanej/ograniczonej wilgotności.

Zastosowanie nanomateriałów w postaci nanoformatowych analogów węgla (grafenu i nanorurki węglowe) lub nanocząstki, może poprawić zarówno katodę, jak i anodę. W anodzie wysoce przewodzący i mocny grafen lub nanorurki węglowe mogą zastąpić obecny materiał, którym jest grafit lub mieszanina aktywowanego porowatego węgla i grafitu.

Grafen i nanorurki węglowe wykazują większą powierzchnię, wyższą przewodność i wyższą stabilność mechaniczną niż węgiel aktywny i grafit. Dokładny skład większości anod i katod jest obecnie tajemnicą handlową, ale komercyjne poziomy produkcji nanorurek węglowych wskazują, że większość baterii do telefonów i laptopów ma obecnie nanorurki węglowe jako część swoich elektrod.

Baterie laboratoryjne wykazały niesamowitą pojemność, szczególnie w odniesieniu do energii właściwej (Wh/kg). Ale często materiały są drogie lub proces jest trudny do skalowania do poziomu przemysłowego. Dzięki dalszemu obniżeniu kosztów materiałów i dalszemu uproszczeniu syntezy, nie ma wątpliwości, że stosowanie nanomateriałów będzie nadal poprawiać pojemność, żywotność i bezpieczeństwo baterii litowych.

litowo-powietrzny i litowo-siarkowy

Litowo-siarkowy i litowo-powietrzny Baterie są alternatywnymi konstrukcjami o podobnej podstawowej zasadzie ruchu litowo-jonowego między dwiema elektrodami, o znacznie wyższych pojemnościach teoretycznych.

W obu przypadkach anodą jest cienki kawałek litu, natomiast katodą jest Li2O2. w kontakcie z powietrzem w akumulatorach Li-Air oraz aktywną siarką w akumulatorach Li-S. Przewidywane maksymalne pojemności to 320Wh/kg dla Li-ion, 500Wh/kg dla Li-S i 1,000Wh/kg dla Li-air.

Energie właściwe są związane z mniejszą masą litu na anodzie i katodzie (zastępującą tlenki grafitu/węgla i metali przejściowych) oraz wysoką redoks potencjał między elektrodami.

Ponieważ anoda w tych akumulatorach jest litowo-metalowa, duża ilość litu wymagana do zestawu akumulatorów 20 kWh w skali mieszkalnej (18 kg dla Li-air i 36 kg dla Li-S) może ograniczyć ich użycie do mniejszych urządzeń w krótkim lub średnim termin.

Jon sodu i jon magnezu

Lit ma liczbę atomową 3 i znajduje się w pierwszym rzędzie okresowy. Bezpośrednio poniżej znajduje się sód (Na, liczba atomowa 11).

Akumulatory jonowe są uważane za realne alternatywy dla Li-ion, głównie ze względu na względną obfitość sodu. Katoda składa się z tlenku Na-metalu, takiego jak fosforan sodowo-żelazowy, podczas gdy anoda jest z porowatego węgla. Ze względu na wielkość jonów Na grafit nie może być stosowany w anodzie, a nanomateriały węglowe są badane jako materiały anodowe. Dodatkowo masa sodu jest większa niż Li, więc pojemność ładunku na jednostkę masy i objętości jest generalnie niższa.

Magnez znajduje się na prawo od sodu w układzie okresowym (Mg, liczba atomowa 12) w rzędzie 2, co oznacza, że ​​może występować w roztworze jako Mg²? (w porównaniu do Li¹? i Na¹?). Przy podwójnym ładunku Na, Mg jest w stanie wytworzyć dwukrotnie więcej energii elektrycznej przy podobnej objętości.

Akumulator magnezowo-jonowy składa się z anody ze srebra magnezowego i katody z tlenku magnezowo-metalicznego i ma przewidywane maksimum energia właściwa 400Wh/kg. Obecnym wąskim gardłem badań jest to, że podwójny ładunek Mg²? powoduje, że poruszanie się w elektrolicie jest wolniejsze, spowalniając w ten sposób szybkość ładowania.

Baterie przepływowe

Akumulator przepływowy składa się z dwóch zbiorników magazynowych wypełnionych elektrolitem oddzielonych membrana do wymiany protonów, który umożliwia przepływ elektronów i jonów wodorowych, ale ogranicza mieszanie elektrolitu w zbiornikach magazynowych. Ich przykłady obejmują wanad-wanad z siarczanem lub bromkiem, brom cynkowy i brom-wodór.

Baterie przepływowe wanadu mają bardzo długą żywotność, a system jest bardzo stabilny. Można je zwiększać niemal w nieskończoność, ale wymagają pompy do obiegu elektrolitu wokół zbiornika magazynowego. To czyni je nieruchomymi.

Baterie przepływowe wanadowe mają energię właściwą w zakresie 10-20Wh/kg i gęstość energii 15-25Wh/l. Oznacza to, że aby zasilić gospodarstwo domowe o mocy 20 kWh, potrzebna byłaby bateria o masie 900-1800 kg, która zajmie 0.8-1.33 m³.

Dzięki wysokiej niezawodności, ale dużej masie, bateria z ogniwami przepływowymi wanadu jest bardziej odpowiednia do dużych zastosowań, takich jak małe elektrownie, niż do użytku domowego.

W krótkim okresie prawdopodobne jest, że akumulatory litowo-jonowe będą nadal ulepszane, a nawet mogą osiągnąć 320 Wh/kg. Przyszłe technologie mogą dostarczać jeszcze wyższą konkretną energię i/lub gęstość energii, ale oczekuje się, że najpierw wejdą na rynek w mniejszych urządzeniach, zanim przejdą do przechowywania energii w budynkach mieszkalnych.

O autorze

Cameron Shearer jest pracownikiem naukowym w dziedzinie nauk fizycznych na Flinders University. Obecnie bada zastosowanie nanomateriałów w ogniwach słonecznych i bateriach.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.