Den seneste meddelelse fra Tesla af magt væg, dets nye lithium-ion (Li-ion) baserede batteriopbevaringssystem til boliger, har forårsaget en del røre. Det øger endda muligheden for at gå uden for nettet, der er afhængige af solpaneler til at generere elektricitet, og opbevarer det med deres eget batteri og bruger det efter behov.

Alligevel er lithium-ion-teknologien, der bruges af Tesla, ikke den eneste, der tilbydes. Faktisk har hver af de forskellige batteriteknologier sine egne styrker og svagheder, og nogle kan endda være overlegne i forhold til lithium-ion til hjemmeinstallationer. Her er en hurtig undersøgelse af aktuelle batteriteknologier, og nogle der er under udvikling.

Batterikraft

Alle genopladelige batterier består af to elektroder adskilt af en elektrolyt (se diagrammet nedenfor). To forskellige reversible kemiske reaktioner forekommer ved de to elektroder. Under opladning opbevares en "aktiv art" - dvs. et ladet molekyle, såsom lithium-ioner til Li-ion-batterier - i anode. Under udledning migrerer dette til katode. Den kemiske reaktion sker ved a potentiale som kan bruges til at drive et eksternt kredsløb.

Hver type batteriteknologi kan bedømmes ud fra en række kriterier, såsom:

• Genanvendelighed, som er det antal gange, den kan oplades og aflades

  ---

  

  ---

• Energitæthed, som er et mål for den lagrede energi pr. masseenhed, målt i watt-timer (et mål, der repræsenterer en watt effekt over en time) pr. kilogram (Wh/kg)

• Specifik massefylde, som er den lagrede energi pr. volumenenhed, målt i watt-timer pr. liter (Wh/l).

Hvilken teknologi der er bedst egnet til en bestemt applikation afhænger af kravene til den pågældende rolle.

Bly-syre

Det originale genopladelige batteri består af koncentreret svovlsyre som elektrolytten (H?SO?), og bly (Pb) og blydioxid (PbO?) på både anoden og katoden, som begge omdannes til blysulfat under opladning og afladning.

Bly-syre-batterier bruges stadig i biler, campingvogne og i nogle elektriske relænet. De har meget høj genanvendelighed og dermed lang levetid. Dette er hjulpet af kortvarig brug og konstant opladning – dvs. altid at holde batteriet på næsten 100 % opladning – som det sker i en bil. Omvendt reducerer langsom opladning og afladning bly-syrebatteriets levetid betydeligt.

Selvom bly er giftigt, og svovlsyre er ætsende, er batteriet meget robust og udgør sjældent en fare for brugeren. Men hvis det bruges i en boliginstallation, vil den større størrelse og mængde af materialer, der kræves, også øge farerne.

Li-ion Tesla Powerwall kommer i 7 kilowatt-timer (kWh) eller 10 kWh versioner. For sammenligningens skyld vil vi se på, hvilken størrelse batteri der kræves for at forsyne en husstand med fire personer, der forbruger 20 kWh om dagen, hvilket er ca. nationalt gennemsnit for sådanne boliger.

Bly-syre batterier har en energitæthed på 30 til 40Wh/kg og 60 til 70Wh/l. Det betyder, at et 20 kWh-system vil veje 450 til 600 kg og optage 0.28 til 0.33 kubikmeter plads (ikke inklusive størrelsen eller vægten af ​​cellehuset og andet udstyr). Denne volumen er overskuelig for de fleste husstande – den ville groft sagt passe i en kasse på 1 x 1 x 0.3 meter – men vægten vil betyde, at den skal stå stille.

Lithium-ion

Det nuværende premier genopladelige batteri er baseret på bevægelsen af ​​lithium (Li)-ioner mellem en porøs carbonanode og en Li-metaloxidkatode. Katodens sammensætning har stor indflydelse på batteriets ydeevne og stabilitet.

For øjeblikket lithium-cobalt-oxid udviser overlegen ladekapacitet. Det er dog mere modtageligt for nedbrydning end alternativer, såsom lithium-titan eller lithium-jern-phosphat, selvom disse har lavere ladekapacitet.

En almindelig årsag til fejl er hævelse af katoden, da Li-ioner indsættes i dens struktur sammen med belægningen af ​​anoden med lithiummetal, som kan blive eksplosive. Chancen for nedbrud kan reduceres ved at begrænse opladnings-/afladningshastigheden, men tilfælde af, at bærbare eller telefonbatterier eksploderer/antænder, er ikke ualmindeligt.

Batteriets levetid afhænger også meget af anode-, katode- og elektrolytsammensætningen. Generelt er levetiden for Li-ion bedre end bly-syre-batterier, og Tesla rapporterer en levetid på 15 år (5,000 cyklusser, med én cyklus om dagen) for dens 10 kWh Powerwall, baseret på en lithium-mangan-kobolt-elektrode.

Tesla Powerwall på 10 kWh vejer 100 kg og har dimensioner på 1.3 x 0.86 x 0.18 meter. Så for en gennemsnitlig fire-personers husstand vil kræve to enheder forbundet i serie, hvilket kommer til en totalvægt på 200 kg og 1.3 x 1.72 x 0.18 meter eller 0.4 kubikmeter, hvilket er lettere end blysyre, men fylder mere.

Disse værdier svarer til 100Wh/kg og 50Wh/l, hvilket er lavere end det, der er rapporteret for Li-koboltoxid-batterier (150-250Wh/kg og 250-360Wh/l), men i det område, der er forbundet med den sikrere og længere levetid Li -titanat (90Wh/kg) og Li-jernphosphat (80 til 120Wh/kg).

Fremtidige forbedringer af lithiumbatterier

Fremtidige batteriteknologier kan forbedre disse tal yderligere. Forskningslaboratorier rundt om i verden arbejder på at forbedre den specifikke energi, levetid og sikkerhed for lithium-baserede batterier.

Større forskningsområder omfatter ændring af katodesammensætning, såsom arbejdet med lithium-jern-fosfat or lithium-mangan-kobolt, hvor forskellige forhold eller kemiske strukturer af materialerne kan påvirke ydeevnen drastisk.

Ændring af elektrolytten, såsom brug af organiske eller ioniske væsker, kan forbedre den specifikke energi, selvom de kan være omkostningskrævende og kræver mere kontrolleret fremstilling, såsom i et støvfrit eller fugtighedskontrolleret/begrænset miljø.

Brugen af ​​nanomaterialer i form af kulstofanaloger i nanostørrelse (graphene , nanorør af kulstof), Eller nanopartikler, kan forbedre både katoden og anoden. I anoden kan stærkt ledende og stærke grafen- eller kulstofnanorør erstatte det nuværende materiale, som er grafit eller en blanding af aktivt porøst kul og grafit.

Grafen og kulstof nanorør udviser højere overfladeareal, højere ledningsevne og højere mekanisk stabilitet end aktivt kul og grafit. Den nøjagtige sammensætning af de fleste anoder og katoder er i øjeblikket en forretningshemmelighed, men de kommercielle produktionsniveauer af kulstofnanorør antyder, at de fleste telefon- og bærbare batterier i øjeblikket har kulstofnanorør som en del af deres elektroder.

Lab-baserede batterier har vist en utrolig lagerkapacitet, især for specifik energi (Wh/kg). Men ofte er materialerne dyre, eller processen er svær at skalere til industrielt niveau. Med yderligere reduktion i materialeomkostninger og yderligere forenkling af syntese er der ingen tvivl om, at anvendelsen af ​​nanomaterialer vil fortsætte med at forbedre kapaciteten, levetiden og sikkerheden af ​​lithiumbaserede batterier.

Lithium-luft og Lithium-svovl

Lithium-svovl og lithium-luft batterier er alternative designs med et lignende underliggende princip for Li-ion bevægelse mellem to elektroder, med meget højere teoretisk kapacitet.

I begge tilfælde er anoden et tyndt lag lithium, mens katoden er Li?O? i kontakt med luft i Li-luft, og aktivt svovl i Li-S batterier. Forudsagt maksimal kapacitet er 320Wh/kg for Li-ion, 500Wh/kg for Li-S og 1,000Wh/kg for Li-air.

De specifikke energier er relateret til den lettere vægt af lithium på anoden og katoden (erstatter grafit/kulstof- og overgangsmetaloxider) og den høje redox potentiale mellem elektroderne.

Med anoden i disse batterier af lithiummetal, kan den store mængde lithium, der kræves til en 20kWh-batteripakke i boligskala (18 kg for Li-air og 36 kg for Li-S) begrænse deres brug til mindre enheder på kort til medium semester.

Natrium-ion og magnesium-ion

Lithium har atomnummer 3 og sidder i række 1 af periodiske system. Lige nedenfor er natrium (Na, atomnummer 11).

Na-ion batterier betragtes som levedygtige alternativer til Li-ion, hovedsagelig på grund af den relative overflod af natrium. Katoden består af Na-metaloxid, såsom natrium-jern-phosphat, mens anoden er porøst kulstof. På grund af størrelsen af ​​Na-ioner kan grafit ikke bruges i anoden, og der forskes i kulstofnanomaterialer som anodematerialer. Derudover er massen af ​​natrium større end Li, så ladningskapaciteten pr. enhed masse og volumen er generelt lavere.

Magnesium sidder til højre for natrium på det periodiske system (Mg, atomnummer 12) i række 2, hvilket betyder, at det kan eksistere i opløsning som Mg²? (sammenlignet med LiXNUMXa og NaXNUMX). Med dobbelt ladning af Na er Mg i stand til at producere dobbelt så meget elektrisk energi for et tilsvarende volumen.

Mg-ion-batteriet består af en Mg-sliver-anode og en Mg-metaloxid-katode og har en forudsagt maksimum specifik energi på 400Wh/kg. Den nuværende forskningsflaskehals er, at den dobbelte ladning på Mg²? gør den mere træg i at bevæge sig gennem elektrolytten, og dermed sænker ladningshastigheden.

Strømbatterier

Et flowbatteri består af to lagertanke fyldt med elektrolyt adskilt af en protonudvekslingsmembran, som tillader strømmen af ​​elektroner og brintioner, men begrænser blandingen af ​​elektrolytten i lagertankene. Eksempler på disse omfatter vanadium-vanadium med sulfat eller bromid, zink-brom og brom-hydrogen.

Vanadium flow batterier har meget lang levetid, og systemet er meget stabilt. De kan opskaleres næsten på ubestemt tid, men kræver en pumpe til at cykle elektrolytten rundt om lagertanken. Dette gør dem immobile.

Vanadium flow-batterier har specifikke energier i området 10-20Wh/kg og energitæthed på 15-25Wh/l. Det betyder, at for at kunne forsyne en 20kWh-husstand, skal du bruge et batteri med en masse på 900-1800Kg, som vil fylde 0.8-1.33m³.

Med høj pålidelighed, men høj masse, er vanadiumflowcellebatteriet mere velegnet til store applikationer såsom små kraftværker end til boligbrug.

På kort sigt er det sandsynligt, at Li-ion batterier vil fortsætte med at blive forbedret, og kan endda nå op på 320Wh/kg. Fremtidige teknologier har evnen til at levere endnu højere specifik energi og/eller energitæthed, men forventes først at komme ind på markedet i mindre enheder, før de bevæger sig mod energilagring i boliger.

Om forfatteren

Cameron Shearer er forskningsassistent i fysiske videnskaber ved Flinders University. Han forsker i øjeblikket i anvendelsen af ​​nanomaterialer i solceller og batterier.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.