Anunțul recent de Tesla de ziduri de putere, noul său sistem de stocare a bateriilor rezidențiale pe bază de litiu-ion (Li-ion) a cauzat destul de agitat. Ridică chiar posibilitatea de a merge în afara rețelei, bazându-se pe panourile solare pentru a genera electricitate și stocând-o cu propria baterie și folosind-o la cerere.

Cu toate acestea, tehnologia litiu-ion utilizată de Tesla nu este singura ofertă. De fapt, fiecare dintre diversele tehnologii ale bateriei are propriile sale puncte forte și puncte slabe, iar unele ar putea fi chiar superioare litiului-ion pentru instalațiile de acasă. Iată un sondaj rapid cu privire la tehnologiile actuale ale bateriilor și la unele care sunt în curs de dezvoltare.

Puterea bateriei

Toate bateriile reîncărcabile sunt formate din două electrozi despărțite de o electrolit (vezi diagrama de mai jos). Două reacții chimice reversibile diferite apar la cei doi electrozi. În timpul încărcării, o „specie activă” - adică o moleculă încărcată, cum ar fi ionii de litiu pentru bateriile Li-ion - este stocată în anod. În timpul descărcării, acesta migrează către catod. Reacția chimică are loc la a potenţial care poate fi folosit pentru alimentarea unui circuit extern.

Fiecare tip de tehnologie a bateriei poate fi evaluat pe mai multe criterii, cum ar fi:

• Reciclabilitate, care este de câte ori poate fi încărcat și descărcat

  ---

  

  ---

• Densitatea energiei, care este o măsură a energiei stocate pe unitate de masă, măsurată în Watt-oră (o măsură reprezentând un Watt de putere pe o oră) pe kilogram (Wh / kg)

• Densitatea specifică, care este energia stocată pe unitate de volum, măsurată în Watt-oră pe litru (Wh / l).

Ce tehnologie este cea mai potrivită pentru o anumită aplicație depinde de cerințele acestui rol.

Plumb-acid

Bateria reîncărcabilă originală constă din acid sulfuric concentrat ca electrolit (H?SO?) și plumb (Pb) și dioxid de plumb (PbO?) atât pe anod, cât și pe catod, care sunt ambele transformate în sulfat de plumb în timpul încărcării și descărcării.

Bateriile cu plumb-acid sunt încă utilizate în automobile, rulote și în unele rețele electrice de relee. Au o reciclabilitate foarte mare, deci o durată lungă de viață. Acest lucru este ajutat de utilizarea de scurtă durată și de încărcarea constantă - adică menținerea bateriei la o încărcare de aproape 100% - cum se întâmplă la un automobil. În schimb, încărcarea și descărcarea lentă reduc semnificativ durata de viață a bateriei plumb-acid.

Deși plumbul este toxic și acidul sulfuric este coroziv, bateria este foarte robustă și rareori prezintă un pericol pentru utilizator. Cu toate acestea, dacă este utilizat într-o instalație rezidențială, dimensiunea și volumul mai mare de materiale necesare vor crește, de asemenea, pericolele.

Tesla Powerwall Li-ion vine în versiuni de 7 kilowați-oră (kWh) sau 10kWh. Din motive de comparație, ne vom uita la ce dimensiune ar fi necesară bateria pentru a alimenta o gospodărie de patru persoane care consumă 20kWh pe zi, care este aproximativ media nationala pentru astfel de case.

Bateriile plumb-acid au o densitate de energie de 30 până la 40Wh / kg și 60 până la 70Wh / l. Aceasta înseamnă că un sistem de 20kWh cântărește 450 până la 600 kg și ocupă 0.28 până la 0.33 metri cubi de spațiu (fără a include dimensiunea sau greutatea carcasei celulei și a altor echipamente). Acest volum este ușor de gestionat pentru majoritatea gospodăriilor - ar încadra aproximativ într-o cutie de 1 x 1 x 0.3 metri - dar greutatea va însemna că trebuie să fie staționară.

Litiu-ion

Bateria reîncărcabilă actuală actuală se bazează pe mișcarea ionilor de litiu (Li) între un anod de carbon poros și un catod de oxid Li-metal. Compoziția catodului are un efect mare asupra performanței și stabilității bateriei.

În prezent litiu-cobalt-oxid prezintă o capacitate superioară de încărcare. Cu toate acestea, este mai susceptibil la defect decât alternativele, cum ar fi litiu-titant sau litiu-fier-fosfat, deși acestea au o capacitate de încărcare mai mică.

O cauză comună a defecțiunilor este umflarea catodului, deoarece ionii Li sunt introduși în structura sa împreună cu placarea anodului cu litiu metalic, care poate deveni exploziv. Șansa unei defecțiuni poate fi redusă prin limitarea ratei de încărcare / descărcare, dar cazurile de baterii pentru laptop sau telefon care explodează / iau foc sunt nu este neobișnuit.

Durata de viață a bateriei depinde în mare măsură de compoziția anodului, catodului și electrolitului. În general, durata de viață a Li-ionului este superioară bateriilor cu plumb-acid, Tesla raportând o viață de 15 ani (5,000 de cicluri, la un ciclu pe zi) pentru Powerwall-ul său de 10 kWh, bazat pe un electrod litiu-mangan-cobalt.

Tesla Powerwall de 10kWh cântărește 100 kg și are dimensiuni de 1.3 x 0.86 x 0.18 metri. Deci, pentru o gospodărie medie de patru persoane va fi nevoie de două unități conectate în serie, care să ajungă la o greutate totală de 200 kg și 1.3 x 1.72 x 0.18 metri sau 0.4 metri cubi, care este mai ușoară decât plumb-acid, dar ocupă mai mult spațiu.

Aceste valori echivalează cu 100Wh / kg și 50Wh / l, care sunt mai mici decât cele raportate pentru bateriile cu oxid de Li-cobalt (150-250Wh / kg și 250-360Wh / l), dar în intervalul asociat cu o durată de viață mai sigură și mai lungă Li -titanat (90Wh / kg) și fosfat Li-fier (80 până la 120Wh / kg).

Îmbunătățiri viitoare ale bateriilor cu litiu

Tehnologiile viitoare ale bateriilor ar putea îmbunătăți în continuare aceste cifre. Laboratoarele de cercetare din întreaga lume lucrează pentru îmbunătățirea energiei specifice, a duratei de viață și a siguranței bateriilor pe bază de litiu.

Domeniile majore de cercetare includ schimbarea compoziției catodului, cum ar fi lucrul cu litiu-fier-fosfat or litiu-mangan-cobalt, unde diferite rapoarte sau structuri chimice ale materialelor pot afecta drastic performanța.

Modificarea electrolitului, cum ar fi utilizarea lichidelor organice sau ionice, poate îmbunătăți energia specifică, deși acestea pot fi prohibitive din punct de vedere al costurilor și necesită o fabricație mai controlată, cum ar fi într-un mediu fără praf sau umiditate controlată / restricționată.

Utilizarea nanomaterialelor, sub formă de analogi de carbon nanosizați (grafen și nanotuburi de carbon) Sau nanoparticule, ar putea îmbunătăți atât catodul, cât și anodul. În anod, grafenul sau puternic conductoare și nanotuburi de carbon pot înlocui materialul curent, care este grafit sau un amestec de carbon poros activ și grafit.

Nanotuburile de grafen și carbon prezintă o suprafață mai mare, conductivitate mai mare și stabilitate mecanică mai mare decât carbonul activ și grafitul. Compoziția exactă a majorității anodilor și catodilor este în prezent un secret comercial, dar nivelurile de producție comercială a nanotuburilor de carbon sugerează că majoritatea bateriilor pentru telefoane și laptopuri au în prezent nanotuburi de carbon ca parte a electrozilor lor.

Bateriile de laborator au demonstrat o capacitate de stocare incredibilă, în special pentru energie specifică (Wh / kg). Dar adesea materialele sunt scumpe sau procesul este dificil de scalat la niveluri industriale. Cu o reducere suplimentară a costului materialului și o simplificare suplimentară a sintezei, nu există nicio îndoială că aplicarea nanomaterialelor va continua să îmbunătățească capacitatea, durata de viață și siguranța bateriilor pe bază de litiu.

Litiu-aer și Litiu-sulf

Litiu-sulf și litiu-aer bateriile sunt modele alternative cu un principiu de bază similar al mișcării Li-ion între doi electrozi, cu capacități teoretice mult mai mari.

In ambele cazuri, anodul este o bucata subtire de litiu in timp ce catodul este Li?O? în contact cu aerul în Li-aer și sulful activ în bateriile Li-S. Capacități maxime prevăzute sunt 320Wh / kg pentru Li-ion, 500Wh / kg pentru Li-S și 1,000Wh / kg pentru Li-air.

Energiile specifice sunt legate de greutatea mai mică a litiului pe anod și catod (înlocuind grafit / carbon și oxizi ai metalelor de tranziție) și redox potențial între electrozi.

Cu anodul din aceste baterii fiind litiu metalic, cantitatea mare de litiu necesară pentru un acumulator la scară rezidențială de 20kWh (18 kg pentru Li-air și 36 kg pentru Li-S) poate limita utilizarea lor la dispozitive mai mici în scurt-mediu termen.

Ioni de sodiu și ion de magneziu

Litiul are un număr atomic de 3 și se află în rândul 1 al tabelul periodic. Direct mai jos este sodiul (Na, numărul atomic 11).

Bateriile Na-ion sunt considerate ca fiind alternative viabile la Li-ion, în principal datorită abundenței relative de sodiu. Catodul este format din oxid de Na-metal, cum ar fi sodiu-fier-fosfat, în timp ce anodul este carbon poros. Datorită dimensiunii ionilor de Na, grafitul nu poate fi utilizat în anod, iar nanomaterialele de carbon sunt cercetate ca materiale anodice. În plus, masa de sodiu este mai mare decât Li, deci capacitatea de încărcare pe unitate de masă și volum este, în general, mai mică.

Magneziul se află în dreapta sodiului pe tabelul periodic (Mg, numărul atomic 12) în rândul 2, ceea ce înseamnă că poate exista în soluție ca Mg²? (comparativ cu Li¹? și Na¹?). Cu o sarcină dublă de Na, Mg este capabil să producă de două ori mai multă energie electrică pentru un volum similar.

Bateria Mg-ion este formată dintr-un anod Mg-sliver și un catod oxid Mg-metal și are un maxim prezis energie specifica de 400Wh/kg. Blocajul actual al cercetării este că taxa dublă pe Mg²? o face mai lent în deplasarea prin electrolit, încetinind astfel rata de încărcare.

Baterii de curgere

O baterie cu debit constă din două rezervoare de stocare umplute cu electrolit separate printr-un membrana schimbătoare de protoni, care permite fluxul de electroni și ioni de hidrogen, dar restricționează amestecul electrolitului în rezervoarele de stocare. Exemple dintre acestea includ vanadiu-vanadiu cu sulfat sau bromură, zinc-brom și brom-hidrogen.

Bateriile cu flux de vanadiu au o durată de viață foarte lungă, sistemul fiind foarte stabil. Acestea pot fi upscalate aproape la nesfârșit, dar necesită o pompă pentru a cicla electrolitul în jurul rezervorului de stocare. Acest lucru îi face imobile.

Bateriile cu flux de vanadiu au energii specifice în intervalul 10-20Wh / kg și densitatea energetică de 15-25Wh / l. Asta înseamnă că, pentru a alimenta o gospodărie de 20kWh, veți avea nevoie de o baterie cu masa de 900-1800Kg, care va ocupa 0.8-1.33m³.

Cu o fiabilitate ridicată, dar o masă mare, bateria cu celulă cu flux de vanadiu este mai potrivită pentru aplicații mari, cum ar fi centrale electrice mici, decât pentru uz rezidențial.

Pe termen scurt, este probabil ca bateriile Li-ion să continue să fie îmbunătățite și să ajungă chiar la 320Wh / kg. Tehnologiile viitoare au capacitatea de a furniza energie specifică și / sau densitate a energiei chiar mai mare, dar sunt de așteptat să intre pe piață mai întâi pe dispozitive mai mici înainte de a se îndrepta către stocarea rezidențială a energiei.

Despre autor

Cameron Shearer este cercetător asociat în științe fizice la Universitatea Flinders. În prezent, el cercetează aplicarea nanomaterialelor în celule și baterii solare.

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.