Huomisen akkuteknologiat, jotka voisivat voimistaa kotisi

Huomisen akkuteknologiat, jotka voisivat voimistaa kotisi

Teslan äskettäinen ilmoitus Powerwallsen uusi litiumioni- (Li-ion) pohjainen akkujen varastointijärjestelmä on aiheuttanut melko sekava. Se jopa herättää mahdollisuuden mennä pois verkostaluottaen siihen, että aurinkopaneelit tuottavat sähköä, ja varastoivat sen omalla akulla ja käyttävät sitä kysyntään.

Teslan käyttämä litiumioniteknologia ei kuitenkaan ole ainoa tarjottu. Itse asiassa jokaisella eri akkuteknologialla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, ja jotkut saattavat olla jopa parempia kuin litiumionit kotiasennuksissa. Tässä on nopea selvitys nykyisistä akkutekniikoista ja joistakin niistä, jotka ovat kehitteillä.

Akun

Kaikki ladattavat paristot koostuvat kahdesta elektrodit erotettu toisistaan elektrolyytti (katso alla oleva kaavio). Kahdella elektrodilla tapahtuu kaksi erilaista palautuvaa kemiallista reaktiota. Latauksen aikana "aktiivinen laji" - eli ladattu molekyyli, kuten litiumioneja litiumioniakkuille - on tallennettu anodi. Tämä siirtyy purkautumisen aikana katodi. Kemiallinen reaktio tapahtuu a mahdollinen jota voidaan käyttää ulkoisen piirin virtalähteenä.

Jokainen akkutekniikka voidaan arvioida useilla kriteereillä, kuten:

  • Kierrätettävyys, joka on se, kuinka monta kertaa se voidaan ladata ja purkaa

  • Energian tiheys, joka on mitattu energia, joka on tallennettu massayksikköä kohti, mitattuna watteina (mitta, joka edustaa wattia tehosta yli tunnin) kilogrammalta (Wh / kg)

  • Spesifisyys, joka on energiaa, joka on tallennettu tilavuusyksikköä kohti, mitattuna watteina tunnissa (Wh / l).


    Hanki viimeisin InnerSelfistä


Mikä tekniikka soveltuu parhaiten tietylle sovellukselle riippuu tämän roolin vaatimuksista.

Lyijyhappo

Alkuperäinen ladattava akku koostuu tiivistetystä rikkihaposta elektrolyyttinä (H 2SO 4) ja lyijystä (Pb) ja lyijy- dioksidista (PbO2) sekä anodissa että katodissa, jotka molemmat muunnetaan lyijysulfaatiksi latauksen ja purkauksen aikana.

Lyijyakkuja käytetään edelleen autoissa, asuntovaunuissa ja joissakin sähköverkkoissa. Niiden kierrätettävyys on erittäin korkea, joten niiden käyttöikä on pitkä. Tätä auttavat lyhytkestoinen käyttö ja jatkuva lataus - eli aina pitämällä akku lähes 100% -varana - kuten autoissa. Toisaalta hidas lataus ja purkaus vähentävät merkittävästi lyijyakun akun käyttöikää.

Vaikka lyijy on myrkyllistä ja rikkihappo on syövyttävää, akku on erittäin kestävä ja aiheuttaa harvoin vaaraa käyttäjälle. Jos sitä kuitenkin käytetään asuinrakennuksessa, vaadittavien materiaalien suurempi koko ja määrä lisäävät myös vaaroja.

Li-ion Tesla Powerwall on 7-kilowattituntia (kWh) tai 10kWh-versioita. Vertailun vuoksi tarkastelemme, minkä kokoisen akun tarvitsisi käyttää 20kWh: a päivässä käyttävää neljän henkilön kotitaloutta. kansallinen keskiarvo tällaisille koteille.

Lyijyakkujen energiantiheys on 30 40Wh / kg ja 60 70Wh / l. Tämä tarkoittaa, että 20kWh-järjestelmä punnitsee 450: n 600kg: ksi ja ottaa 0.28: n 0.33-kuutiometriin (ei sisällä kotelon ja muiden laitteiden kokoa tai painoa). Tämä volyymi on hallittavissa useimmille kotitalouksille - se mahtuu karkeasti 1 x 1 x 0.3 -mittareihin - mutta paino tarkoittaa sitä, että sen on oltava paikallaan.

Lithium-ion

Nykyinen johtava ladattava akku perustuu litium (Li) -ionien liikkumiseen huokoisen hiilianodin ja Li-metallioksidikatodin välillä. Katodin koostumuksella on suuri vaikutus akun suorituskykyyn ja vakauteen.

Tällä hetkellä litium-koboltti-oksidi osoittaa ylivoimaisen latauskapasiteetin. Se on kuitenkin alttiimpaa hajoamiselle kuin vaihtoehdot, kuten litiumtiitteri tai litium-rautafosfaatti, vaikka niillä on pienempi latauskapasiteetti.

Yksi yleinen syy virheisiin on katodin turpoaminen, kun Li-ionit sijoitetaan sen rakenteeseen yhdessä anodin pinnoittamisen kanssa litiummetallilla, joka voi tulla räjähtävä. Hajoamisen mahdollisuutta voidaan vähentää rajoittamalla lataus- / purkautumisnopeutta, mutta räjähtävien / tulipalojen kannettavien tai puhelimen paristojen tapaukset ovat ei epätavallinen.

Akun käyttöikä riippuu suuresti myös anodi-, katodi- ja elektrolyyttikoostumuksesta. Yleensä Li-ionin käyttöikä on parempi kuin lyijyakut, ja Tesla raportoi 15-vuosien eliniän (5,000-sykli, yksi sykli päivässä) sen 10 kWh Powerwallille, joka perustuu litium-mangaani- kobolttielektrodiin.

10kWh Tesla Powerwall painaa 100kg: n ja siinä on mitat 1.3 x 0.86 x 0.18 metriä. Niinpä keskimäärin neljän henkilön kotitaloudessa tarvitaan kaksi sarjaan kytkettyä yksikköä, joiden kokonaispaino on 200kg ja 1.3 x 1.72 x 0.18 metriä tai 0.4 kuutiometriä, joka on kevyempi kuin lyijyhappo, mutta vie enemmän tilaa.

Nämä arvot vastaavat 100Wh / kg ja 50Wh / l, jotka ovat alhaisempia kuin Li-kobolttioksidiparistoille (150-250Wh / kg ja 250-360Wh / l) ilmoitetut, mutta turvallisemman ja pidemmän käyttöiän Li \ t -titaanaatti (90Wh / kg) ja Li-rautafosfaatti (80 - 120Wh / kg).

Litiumparistojen tulevat parannukset

Tulevat akkutekniikat saattavat parantaa näitä lukuja. Tutkimuslaboratoriot ympäri maailmaa pyrkivät parantamaan litiumpohjaisten paristojen energiaa, käyttöikää ja turvallisuutta.

Suurimpia tutkimusalueita ovat katodikoostumuksen muuttaminen, kuten työ litium-rauta-fosfaatti or litium-mangaani-koboltti, jossa materiaalien erilaiset suhteet tai kemialliset rakenteet voivat vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn.

Elektrolyytin muuttaminen, kuten orgaanisten tai ionisten nesteiden käyttö, voi parantaa spesifistä energiaa, vaikka ne voivat olla kustannuksiltaan kohtuuttomia ja vaativat enemmän kontrolloitua valmistusta, kuten pölyttömässä tai kosteudeltaan säädetyssä / rajoitetussa ympäristössä.

Nanomateriaalien käyttö nanopohjaisten hiilianalogien muodossa (grafeeni ja hiilinanoputket) Tai nanopartikkelit, voi parantaa sekä katodia että anodia. Anodissa voimakkaasti johtava ja vahva grafeeni- tai hiilinanoputki voi korvata nykyisen materiaalin, joka on grafiitti tai seos, joka on aktivoitu huokoinen hiili ja grafiitti.

Grafeeni- ja hiilinanoputkilla on suurempi pinta-ala, suurempi johtavuus ja suurempi mekaaninen stabiilisuus kuin aktiivihiilellä ja grafiitilla. Useimpien anodien ja katodien tarkka koostumus on tällä hetkellä liikesalaisuus, mutta hiilinanoputkien kaupalliset tuotannon tasot viittaavat siihen, että useimmissa puhelimen ja kannettavan tietokoneen paristoissa on tällä hetkellä hiilinanoputkia osana niiden elektrodeja.

Lab-pohjaiset paristot ovat osoittaneet uskomattomia tallennuskapasiteettia, erityisesti tietyn energian osalta (Wh / kg). Mutta usein materiaalit ovat kalliita tai prosessi on vaikeasti skaalata teollisiin tasoihin. Kun materiaalikustannukset laskevat edelleen ja synteesiä yksinkertaistetaan edelleen, nanomateriaalien soveltaminen parantaa epäilemättä litiumpohjaisten paristojen kapasiteettia, käyttöikää ja turvallisuutta.

Litium-ilma ja litium-rikki

Litium-rikki ja litium-ilma paristot ovat vaihtoehtoisia malleja, joiden perusperiaatteena on Li-ionin liikkuminen kahden elektrodin välillä ja joissa on paljon korkeammat teoreettiset kapasiteetit.

Kummassakin tapauksessa anodi on ohut litiumlohko, kun katodi on Li202, joka on kosketuksissa Li-ilmaa sisältävän ilman kanssa, ja aktiivinen rikki Li-S-akuissa. Ennustetut maksimikapasiteetit ovat 320Wh / kg Li-ionille, 500Wh / kg Li-S: lle ja 1,000Wh / kg Li-airille.

Spesifiset energiat liittyvät litiumin kevyempään anodiin ja katodiin (korvaa grafiitti / hiili ja siirtymämetallioksidit) ja korkean redox elektrodien välillä.

Kun näissä paristoissa oleva anodi on litiummetalli, suuri määrä litiumia, jota tarvitaan asuinalueelle tarkoitetun 20kWh-akun (18kg Li-air ja 36kg Li-S) osalta, voi rajoittaa niiden käyttöä pienempiin laitteisiin lyhyen ja keskisuuren välineen välillä termi.

Natrium-ioni ja magnesium-ioni

Litiumilla on atomiluku 3 ja se istuu rivin 1 rivillä jaksollinen järjestelmä. Alla on natrium (Na, atomiluku 11).

Na-ioniakkuja pidetään elinkelpoisia vaihtoehtoja Li-ionillepääasiassa natriumin suhteellisen runsauden vuoksi. Katodi koostuu Na-metallioksidista, kuten natrium-rautafosfaatista, kun taas anodi on huokoinen hiili. Na-ionien koon vuoksi grafiittia ei voida käyttää anodissa, ja hiili-nanomateriaaleja tutkitaan anodimateriaaleina. Lisäksi natriumin massa on suurempi kuin Li, joten varauskapasiteetti massa- ja tilavuusyksikköä kohti on yleensä pienempi.

Magnesium istuu natriumin oikealla puolella jaksollisessa taulukossa (Mg, atomiluku 12) rivissä 2, mikä tarkoittaa, että se voi esiintyä liuoksena Mg2 2: na (verrattuna Li-1: een ja Na 1 2: een). Kun kaksinkertainen Na: n varaus, Mg pystyy tuottamaan kaksinkertaisen sähköenergian samankaltaiselle tilavuudelle.

Mg-ioniakku koostuu Mg-sliver-anodista ja Mg-metallioksidikatodista, ja siinä on a ennustettu enimmäismäärä 400Wh / kg: n spesifinen energia. Nykyinen tutkimuksen pullonkaula on se, että Mg²2: n kaksinkertainen lataus tekee siitä hitaamman liikkua elektrolyytin läpi, mikä hidastaa latausnopeutta.

Virtausakut

Virtausakku koostuu kahdesta varastosäiliöstä, jotka on täytetty elektrolyytillä, erotettuna a protoninvaihtokalvo, joka sallii elektronien ja vetyionien virtauksen, mutta rajoittaa elektrolyytin sekoittumista varastosäiliöihin. Esimerkkejä näistä ovat vanadiini-vanadiini sulfaatilla tai bromidilla, sinkki-bromi ja bromi-vety.

Vanadiinivirta-akuilla on erittäin pitkä käyttöikä, ja järjestelmä on hyvin vakaa. Niitä voidaan skaalata lähes loputtomiin, mutta ne vaativat pumpun pyörittämään elektrolyyttiä säiliön ympärille. Tämä tekee niistä liikkumattomia.

Vanadiinivirta-akuilla on erityisiä energioita 10-20Wh / kg ja 15-25Wh / l: n energiantiheydellä. Tämä tarkoittaa, että 20kWh: n kotitalouden tarvitsemiseksi tarvitset akun, jonka massa on 900-1800Kg, joka vie 0.8-1.33m³.

Suurella luotettavuudella, mutta suurella massalla, vanadiinivirtausakku sopii paremmin suuriin sovelluksiin, kuten pieniin voimalaitoksiin kuin asuinkäyttöön.

Lyhyellä aikavälillä on todennäköistä, että Li-ion-akkuja parannetaan edelleen ja ne voivat jopa saavuttaa 320Wh / kg. Tulevat teknologiat pystyvät tuottamaan entistä korkeamman energian ja / tai energiatiheyden, mutta niiden odotetaan pääsevän markkinoille ensin pienemmissä laitteissa ennen siirtymistä asuinenergian varastointiin.

AuthorConversation

shearer cameronCameron Shearer on Flindersin yliopiston fysikaalisten tieteiden tutkija. Hän tutkii nanomateriaalien käyttöä aurinkokennoissa ja paristoissa.

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

seuraa InnerSelfia

facebook-kuvakeTwitter-kuvakeRSS-kuvake

Hanki uusimmat sähköpostitse

{Emailcloak = off}