فناوری باتری فردا که می تواند خانه شما را قدرت ببندد

فناوری باتری فردا که می تواند خانه شما را قدرت ببندد

اعلام اخیر تسلا از Powerwall، سیستم ذخیره سازی باتری خانگی مبتنی بر لیتیوم یون (لیتیوم یون) جدید خود را ایجاد کرده است کاملا هم بزنید. این حتی امکان رفتن را افزایش می دهد خارج از شبکه، با استفاده از پانل های خورشیدی برای تولید برق، و ذخیره آن با باتری خود و استفاده از آن بر روی تقاضا.

با این حال تکنولوژی لیتیوم یونهای که توسط تسلا استفاده می شود، تنها پیشنهاد نیست. در حقیقت، هر یک از تکنولوژی های باتری های مختلف، نقاط قوت و ضعف خود را دارد و بعضی ها حتی ممکن است از لیتیوم یون برای نصب و راه اندازی خانه برتر باشند. در اینجا یک بررسی سریع از فن آوری های باتری فعلی و برخی از آن ها در حال توسعه است.

قدرت باطری

تمام باتری های قابل شارژ دارای دو نوع هستند الکترود جدا از یک الکترولیت (نمودار زیر را ببینید). دو واکنش شیمیایی برگشت پذیر در دو الکترود رخ می دهد. در حالی که شارژ، "گونه فعال" - یعنی یک مولکول شارژ، مانند یون لیتیوم برای باتری های لیتیوم یون - در الکترود مثبت یا اند. در طول ترخیص این مهاجرت به کاتد. واکنش شیمیایی در a رخ می دهد پتانسیل که می تواند برای اتصال یک مدار خارجی استفاده شود.

هر نوع تکنولوژی باتری را می توان بر اساس معیارهای مختلف نظیر:

  • Recyclability، که تعداد دفعاتی که می توان آن را شارژ و تخلیه کرد

  • تراکم انرژی که اندازه گیری انرژی ذخیره شده در واحد جرم است، در وات ساعت (اندازه گیری یک وات از قدرت خروجی بیش از یک ساعت) در هر کیلوگرم (Wh / kg)

  • تراکم خاصی که انرژی در هر واحد حجم ذخیره می شود، در ساعت وات ساعت در لیتر (Wh / L) اندازه گیری می شود.


    آخرین مطالب را از InnerSelf دریافت کنید


کدام تکنولوژی برای یک برنامه خاص مناسب است و بستگی به خواسته های آن نقش دارد.

سرب و اسید

باتری قابل شارژ اصلی شامل اسید سولفوریک متمرکز به عنوان الکترولیت (H2SO4) و سرب (Pb) و دی اکسید سرب (PbO2) در هر دو آند و کاتد است که هر دو در طول شارژ و تخلیه به سولفات سرب تبدیل می شوند.

باتری های سرب اسید هنوز در اتومبیل، کاروان و برخی از شبکه های رله برق استفاده می شود. آنها بسیار قابل بازیافت هستند، بنابراین یک عمر طولانی هستند. این کار با استفاده از کوتاه مدت و شارژ ثابت کمک می شود - یعنی همیشه شارژ باطری تقریبا شارژ٪ 100 - مانند در اتومبیل ها اتفاق می افتد. در مقابل، شارژ آهسته و تخلیه عمر باتری سرب اسید به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

گرچه سرب سمی است و اسید سولفوریک خورنده است، باتری بسیار قوی است و به ندرت به کاربر آسیب می رساند. با این حال، اگر در نصب مسکونی استفاده شود، حجم و حجم مواد مورد نیاز نیز خطر بیشتری را افزایش می دهد.

Li-ion Tesla Powerwall در کیلووات ساعت 7 (کیلووات ساعت) یا نسخه های 10kWh می باشد. برای مقایسه، ما نگاهی به اندازه باتری مورد نیاز برای قدرت یک خانواده چهار نفره که 20kWh در روز مصرف می کند، تقریبا متوسط ​​ملی برای چنین خانه هایی

باتری های سرب دارای تراکم انرژی 30 به 40Wh / kg و 60 به 70Wh / l است. این به این معنی است که سیستم 20kWh 450 را به 600kg جابجا می کند و 0.28 را به 0.33 متر مکعب فضا می برد (از جمله اندازه یا وزن پوشش سلول و سایر تجهیزات). این حجم برای اکثر خانوار ها قابل کنترل است - تقریبا در جعبه 1 x 1 x 0.3 متر مناسب است - اما وزن آن به این معنی است که باید ثابت باشد.

لیتیم یون

باتری قابل شارژ فعلی اصلی براساس حرکت یونهای لیتیوم (لی) بین یک آنودای کربن متخلخل و کاتد اکسید لیتیوم است. ترکیب کاتد تاثیر زیادی بر عملکرد و ثبات باتری دارد.

در حال حاضر لیتیم کبالت اکسید نمایش ظرفیت شارژ برتر. با این حال، آن بیشتر حساس به خرابی از گزینه های، مانند لیتیوم تیتان یا لیتیوم آهن-فسفات است، اگرچه این ظرفیت شارژ پایین تر است.

یکی از علل شایع گسل ها تورت کاتد است به این ترتیب که یون های لیتیوم در داخل ساختار آن قرار می گیرد و همچنین با پوشش فلز با لیتیوم، مواد منفجره. شانس خرابی را می توان با محدود کردن میزان شارژ / تخلیه کاهش داد، اما مواردی از باتری های لپ تاپ یا تلفن همراه منفجر شد / آتش سوزی غیر معمول نیست.

عمر باتری نیز به شدت بر روی آند، کاتد و ترکیب الکترولیت بستگی دارد. به طور کلی، عمر لیتیوم یون نسبت به باتری های سرب اسید برتر است، با Tesla گزارش عمر سال های 15 (چرخه 5,000، در یک چرخه در روز) برای Powerwall 10 kWh خود، بر اساس یک الکترود لیتیوم منگنز کبالت.

10kWh تسلا Powerwall وزن 100kg و ابعاد 1.3 x 0.86 x 0.18 متر است. بنابراین برای خانوار معمولی چهار نفره، دو واحد به طور سری به هم متصل خواهند شد و به مجموع وزن 200kg و 1.3 x 1.72 x 0.18 متر یا 0.4 متر مکعب می رسد که سبک تر از اسید سرب است، اما فضای بیشتری را اشغال می کند.

این مقادیر به 100Wh / kg و 50Wh / l معادل است که کمتر از آن برای باتری های اکسید لیتیکوبیت (150-250Wh / kg و 250-360Wh / l) گزارش شده است، اما در محدوده ای با طول عمر ایمن تر و طولانی تر Li -Titanate (90Wh / kg) و فسفات لیتیوم آهن (80 به 120Wh / kg).

ارتقاء آینده به باتری لیتیوم

فناوری باتری آینده ممکن است این عدد را بیشتر کند. آزمایشگاه های تحقیقاتی در سراسر جهان در حال تلاش برای بهبود انرژی خاص، طول عمر و ایمنی باتری های لیتیوم هستند.

محدوده های عمده تحقیق شامل تغییر ترکیب کاتد، مانند کار با لیتیم آهن-فسفات or لیتیم-منگنز-کبالت، که در آن نسبت های مختلف و یا ساختار شیمیایی مواد می تواند به شدت بر عملکرد تاثیر می گذارد.

تغییر الکترولیت، مانند استفاده از مایعات آلی یا یونی، می تواند انرژی خاصی را بهبود بخشد، گرچه می تواند هزینه ای غیر قابل قبول باشد و نیازمند کنترل تولید بیشتر باشد، مانند محیط محفوظ و بدون محدودیت رطوبت.

استفاده از نانومواد، به شکل آنالوگهای کربن نانو (گرافن و نانولوله های کربنی) و یا نانوذرات، ممکن است کاتد و آند را بهبود بخشد. در آند، نانولوله های گرافن و کربن بسیار هدایت شده و قوی می توانند مواد فعلی را که گرافیت یا کربن متخلخل متصل شده و گرافیت را فعال می کنند جایگزین کنند.

نانولوله های گرافن و کربن سطح بالاتر، هدایت بالاتر و پایداری مکانیکی بالاتر از کربن فعال و گرافیت را نشان می دهند. ترکیب دقیق اکثر آند و کاتد در حال حاضر یک راز تجاری است، اما سطح تولید تجاری نانولوله های کربنی اشاره دارد که اکثر باتری های تلفن و لپ تاپ در حال حاضر دارای نانولوله های کربن هستند که بخشی از الکترودهای آنها است.

باتری های آزمایشگاهی دارای ظرفیت ذخیره سازی باور نکردنی، به ویژه برای انرژی خاص (Wh / kg) است. اما اغلب مواد گران هستند و یا فرآیند به مقیاس صنعتی در مقیاس دشوار است. با کاهش بیشتر هزینه مواد و سادهتر شدن سنتز، بدون شک استفاده از نانومواد برای بهبود ظرفیت، عمر و ایمنی باتریهای لیتیوم ادامه خواهد یافت.

لیتیم هوا و لیتیم گوگرد

لیتیم گوگرد و لیتیم هوا باتری ها طرح های متناوب با یک اصل اساسی زیر حرکت جنبش لیتیوم بین دو الکترود، با ظرفیت های تئوری بسیار بیشتر است.

در هر دو مورد، آند نازک لیتیوم است در حالی که کاتد Li2O2 در تماس با هوا در هوا لیتیوم، و گوگرد فعال در باتری های Li-S است. حداکثر ظرفیت پیش بینی شده 320Wh / kg برای لیتیم، 500Wh / kg برای Li-S و 1,000Wh / kg برای Li-Air است.

انرژی های خاص مربوط به وزن سبک تر لیتیوم بر روی آند و کاتد (جایگزین اکسید گرافیت / کربن و فلزات انتقالی) و بالا ردوکس پتانسیل بین الکترودها.

با استفاده از آند در این باتری های لیتیوم فلز، مقدار زیادی از لیتیوم مورد نیاز برای یک بسته باطری 20kWh (18kg برای Li-air و 36kg برای Li-S) برای مقیاس های مسکونی ممکن است استفاده آنها را به دستگاه های کوچکتر در کوتاه ترین زمان ممکن محدود کند مدت، اصطلاح.

یون سدیم و منیزیم یون

لیتیم دارای شماره اتمی 3 است و نشسته در 1 ردیف جدول تناوبی. به طور مستقیم زیر سدیم (Na، عدد اتمی 11) است.

باتریهای Na-ion در نظر گرفته شده اند جایگزین های مناسب برای لیتیوم یون، عمدتا به دلیل فراوانی نسبی سدیم است. کاتد شامل اکسید Na-metal، مانند سدیم-آهن-فسفات است، در حالی که آند آن کربن متخلخل است. با توجه به اندازه یون های خالص، گرافیت در آنند نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد و نانومواد کربن به عنوان مواد اندود مورد بررسی قرار می گیرند. علاوه بر این، جرم سدیم بیشتر از لی است، بنابراین ظرفیت شارژ در واحد جرم و حجم به طور کلی پایین است.

منیزیم به سمت راست سدیم در جدول تناوبی (Mg، شماره اتمی 12) در 2 ردیف می نشیند، که بدین معنی است که می تواند در محلول به عنوان Mg + 2 (در مقایسه با Li + و Na +) وجود داشته باشد. با دو بار شارژ Na، Mg قادر به تولید دو برابر انرژی الکتریکی برای یک حجم مشابه است.

باتری Mg-ion متشکل از یک آند انژکتور Mg-sliver و کاتد اکسید Mg-metal است و دارای یک پیش بینی حداکثر انرژی خاص 400Wh / kg. تنگنای تحقیق کنونی این است که شارژ دوگانه در Mg² + باعث حرکت آن در طول الکترولیت می شود، بنابراین سرعت شارژ را کاهش می دهد.

باتری جریان

باتری جریان متشکل از دو مخزن ذخیره شده پر از الکترولیت جدا شده توسط یک غشای تبادل پروتون، که اجازه می دهد جریان الکترون ها و یون های هیدروژن، اما مخلوط کردن الکترولیت در مخازن ذخیره سازی را محدود می کند. نمونه هایی از جمله وانادیم وانادیوم با سولفات یا برومید، روی بروم و برم-هیدروژن.

باتری های وانادیوم جریان با طول عمر بسیار طولانی با سیستم بسیار پایدار است. آنها می توانند تقریبا به طور نامحدود افزایش یافته و نیاز به پمپ برای چرخاندن الکترولیت در اطراف مخزن ذخیره سازی. اینها آنها را بی حرکت می کند.

باتری جریان وانادیوم دارای انرژی خاصی در محدوده 10-20Wh / kg و تراکم انرژی 15-25Wh / l است. این به این معنی است که برای قدرت یک خانواده 20kWh، شما نیاز به یک باتری با جرم 900-1800Kg، که 0.8-1.33m³ را در نظر بگیرید.

با قابلیت اطمینان بالا، اما باتری بالا، باتری سلول جریان وانادیوم مناسب تر برای کاربردهای بزرگ مانند نیروگاه های کوچک به جای استفاده از مسکونی است.

در کوتاه مدت احتمال دارد که باتری های لیتیوم یون بهبود یابد و حتی ممکن است به 320Wh / kg برسد. فن آوری های آینده توانایی ارائه تراکم خاص انرژی و / یا انرژی خاصی را دارند، اما پیش بینی می شود که در دستگاه های کوچکتر وارد بازار شوند تا قبل از حرکت به سوی ذخیره سازی انرژی مسکونی.

درباره نویسندهگفتگو

cameron shearerکامرون شارر همکار پژوهشی در علوم فیزیکی در دانشگاه فلیندرز است. او در حال حاضر در مورد کاربرد نانومواد در سلولهای خورشیدی و باتری ها تحقیق می کند.

این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد گفتگو. دفعات بازدید: مقاله.

enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

به دنبال InnerSelf در

فیس بوک، آیکونتوییتر آیکونrss-icon

دریافت آخرین با ایمیل

{emailcloak = خاموش}

بیشترین مطلب خوانده شده

نیرو با شما است - شما نیرو هستید
نیرو با شما است - شما نیرو هستید
by ویلکینسون خواهد بود

از سردبیران

آنچه رهبری واقعی به نظر می رسد و به نظر می رسد
by رابرت جینگز، InnerSelf.com
سرلشکر تاد سمنونیت ، رئیس مهندسین و فرمانده کل مهندسین ارتش ، با راشل مادوو در مورد چگونگی عملکرد سپاه مهندسان ارتش با سایر آژانس های فدرال و ... صحبت می کند.
چه چیزی برای من مفید است: گوش دادن به بدن من
by ماری تی. راسل، InnerSelf
بدن انسان مخلوق شگفت انگیز است. این بدون نیاز به ورودی ما در مورد آنچه باید انجام شود کار می کند. ضربان قلب ، پمپ ریه ها ، غدد لنفاوی کار خود را انجام می دهند ، روند تخلیه کار می کند. بدن ...