明天的电池技术,可能电源你的家

明天的电池技术,可能电源你的家

特斯拉最近宣布的 的Powerwall,其新的锂离子(Li-ion)型家用电池存储系统已经造成 不小的轰动。 它甚至引发了持续的可能性 现成的,格,依靠太阳能电池板发电,并用自己的电池存储,并按需使用。

然而,特斯拉使用的锂离子技术并不是唯一提供的技术。 事实上,各种电池技术各有其优缺点,有些甚至可能比家用设备的锂离子电池更为优越。 这里是对当前电池技术的快速调查,还有一些正在开发中。

电池电源

所有可充电电池由两个组成 电极 由...隔开 电解质 (见下图)。 在两个电极上发生两种不同的可逆化学反应。 在充电过程中,一个“活性物质” - 即一个带电荷的分子,如锂离子电池的锂离子 - 被储存在电池中 阳极。 在排放期间,这迁移到了 阴极。 化学反应发生在a 潜力 可以用来为外部电路供电。

每一种电池技术都可以根据多种标准进行判断,如:

  • 可回收性,即可以充电和放电的次数

  • 能量密度是衡量单位质量储存的能量的单位,单位为千瓦(Wh / kg),单位为瓦特小时(一小时内的输出瓦数)

  • 单位体积储存的能量密度,单位为瓦特每小时(Wh / l)。


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这技术是最适合于特定应用取决于该角色的需求。

铅酸

原来的可充电电池由浓硫酸作为电解质(H 2 SO 4)以及阳极和阴极上的铅(Pb)和二氧化铅(PbO 2)组成,在充电和放电过程中都转化为硫酸铅。

铅酸电池仍然用在汽车,大篷车和一些电力继电器电网中。 它们具有非常高的可回收性,因此使用寿命长。 这是由短时间使用和恒定充电 - 即始终保持电池几乎为100%充电 - 例如在汽车中发生的。 相反,缓慢充电和放电显着降低了铅酸电池的使用寿命。

虽然铅是有毒的,硫酸是腐蚀性的,电池是非常稳健的,很少呈现危险给用户。 但是,如果在居民区安装,所需也将增加材料的危害更大尺寸和体积使用。

锂离子特斯拉Powerwall采用7千瓦小时(kWh)或10kWh版本。 为了比较起见,我们将看看需要多大的电池来为每天消耗20kWh的四人家庭提供电力,这大约是 全国平均 为这样的家庭。

铅酸电池的能量密度为30至40Wh / kg,60至70Wh / l。 这意味着一个20kWh系统将称450到600kg并占用0.28到0.33立方米的空间(不包括电池外壳和其他设备的尺寸或重量)。 这个数量对于大多数家庭来说是可以控制的 - 它大致适合一个箱子1 x 1 x 0.3米 - 但是重量将意味着它必须是静止的。

锂离子电池

目前主要的可再充电电池是基于锂(Li)离子在多孔碳阳极和Li-金属氧化物阴极之间的运动。 阴极的组成对电池的性能和稳定性有很大的影响。

目前 锂 - 钴氧化物 展现优异的充电能力。 但是,比钛酸锂或磷酸铁锂等替代品更容易发生故障,尽管这些电池的充电容量较低。

一个常见的故障原因是阴极的膨胀,因为锂离子被插入到其结构中,同时阳极被锂金属电镀成为可能 爆炸物。 可以通过限制充电/放电率可以降低发生故障的几率,但笔记本电脑或手机电池爆炸的实例/着火的 并不少见.

电池的使用寿命也很大程度上取决于阳极,阴极和电解质成分。 一般来说,锂离子电池的寿命要优于铅酸电池,特斯拉报告的寿命是15年(5,000周期,每天一个周期)的10千瓦动力墙,基于锂锰钴电极。

该10kWh特斯拉的Powerwall重100kg并具有1.3 0.86点¯x0.18点¯x尺寸米。 因此,对于平均四人家庭需要串联连接的两个单位,来200kg的总重量和1.3点¯x1.72点¯x0.18米或0.4立方米,这是比铅酸打火机,但需要更多的空间。

这些值相当于100Wh / kg和50Wh / l,低于锂钴氧化物电池的报告值(150-250Wh / kg和250-360Wh / l),但是在更安全和更长寿命的范围内(90Wh / kg)和磷酸锂铁(80至120Wh / kg)。

未来的改进锂电池

未来的电池技术可能进一步改善这些数字 世界各地的研究实验室正在努力提高锂电池的比能量,寿命和安全性。

主要研究领域包括改变阴极成分,如与之合作 锂铁磷酸盐 or 锂 - 锰 - 钴,其中材料的不同比例或化学结构可以显着影响性能。

改变电解质(例如使用有机或离子液体)可以提高比能,虽然它们可能是成本过高的并且需要更多的受控制造,例如在无尘或湿度受控/限制的环境中。

纳米材料的使用,以纳米碳类似物的形式石墨烯 碳纳米管),或 纳米粒子,可能改善阴极和阳极。 在阳极中,高导电强石墨烯或碳纳米管可以替代现有的材料,即石墨或混合物活化的多孔碳和石墨。

石墨和碳纳米管表现出较高的表面面积,更高的传导性和比活性炭和石墨的机械稳定性更高。 大多数的阳极和阴极的确切组成,目前商业秘密,但是碳纳米管的商业生产水平暗示大多数手机和笔记本电脑电池目前有碳纳米管作为其电极的一部分。

实验室电池已经显示出令人难以置信的存储容量,特别是对于特定的能量(Wh / kg)。 但是通常这些材料价格昂贵,或者这个过程难以扩展到工业水平。 随着材料成本的进一步降低和合成的进一步简化,毫无疑问纳米材料的应用将继续提高锂基电池的容量,寿命和安全性。

锂空气和锂硫

锂硫和锂空气 电池是在两个电极之间具有类似的锂离子移动基本原理的替代设计,具有更高的理论容量。

在这两种情况下,阳极都是薄的锂条,而阴极是Li 2 O 2与Li-空气中的空气接触,Li-S电池中的活性硫。 预测的最大容量 是320Wh /公斤,锂离子电池,500Wh /公斤锂S和1,000Wh /公斤锂空气。

比能量与阳极和阴极上锂的重量较轻(代替石墨/碳和过渡金属氧化物)和高 氧化还原 电极之间的电位。

在这些电池中的阳极是锂金属的情况下,住宅规模20kWh电池组所需的大量锂(Li-air为18kg,Li-S为36kg)可能会限制其在较短介质术语。

钠离子和镁离子

锂具有3的原子序数和在排1坐 元素周期表。 正下方是钠(Na,原子序数11)。

钠离子电池被认为是 锂离子可行的替代品,主要是由于钠的相对丰度。 阴极由钠金属氧化物如磷酸铁钠组成,而阳极为多孔碳。 由于Na离子的大小,石墨不能用于阳极,碳纳米材料正在研究作为阳极材料。 此外,钠的质量大于锂,因此单位质量和体积的充电容量通常较低。

镁位于12行的元素周期表(Mg,原子序数2)的钠右侧,这意味着它可以以Mg 2+的形式存在于溶液中(与Li +和Na +相比)。 由于Na的电荷量是双倍,所以Mg能够以相似的体积产生两倍的电能。

镁离子电池由镁银阳极和镁金属氧化物阴极组成, 预测最大值 比能量400Wh / kg。 目前的研究瓶颈是Mg 2+的双电荷使其在电解质中移动更缓慢,从而减慢了充电速率。

液流电池

液流电池由以分隔充满电解液两个存储罐 质子交换膜,这允许电子和氢离子的流动,但限制了电解质在储罐中的混合。 这些例子包括含硫酸盐或溴化物的钒 - 钒,锌 - 溴和溴 - 氢。

钒液流电池使用寿命很长,系统非常稳定。 它们可以几乎无限增大,但需要泵来循环储罐周围的电​​解液。 这使他们不动。

钒液流电池的比能量范围为10-20Wh / kg,能量密度为15-25Wh / l。 这意味着为了给20kWh家庭供电,你需要一个质量为900-1800Kg的电池,它将占用0.8-1.33m³。

钒液流电池具有高可靠性和高质量的特点,比小型发电厂更适合大型应用。

在短期内,锂离子电池可能会继续得到改善,甚至可能达到320Wh / kg。 未来的技术有能力提供更高的比能量和/或能量密度,但有望在进入住宅储能之前在更小的设备中首先进入市场。

关于作者谈话

采煤机卡梅伦Cameron Shearer是弗林德斯大学物理科学研究助理。 他目前正在研究纳米材料在太阳能电池和电池中的应用。

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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