A Tesla közelmúltbeli bejelentése erőfal, új lítium-ion (Li-ion) alapú lakossági akkumulátor tároló rendszere okozta elég nagy kavarodás. Még az indulás lehetőségét is felveti a hálózaton kívül, a napelemekre támaszkodva áramot termelnek, és saját akkumulátorral tárolják, és igény szerint használják.

A Tesla által használt lítium-ion technológia azonban nem az egyetlen a kínálatban. Valójában a különböző akkumulátor-technológiák mindegyikének megvannak a maga erősségei és gyengeségei, és néhányuk még a lítium-ionnál is jobb az otthoni telepítéseknél. Íme egy gyors felmérés a jelenlegi és néhány fejlesztés alatt álló akkumulátor -technológiáról.

Akkumulátor teljesítmény

Minden újratölthető elem kettőből áll elektródák elválasztja egy elektrolit (lásd az alábbi ábrát). A két elektródon két különböző reverzibilis kémiai reakció lép fel. Töltés közben egy „aktív fajta”-azaz egy feltöltött molekula, például lítium-ionok a Li-ion akkumulátorokhoz-tárolódik a anód. A kisülés során ez vándorol a katód-. A kémiai reakció a potenciális amely egy külső áramkör táplálására használható.

Az akkumulátor technológia minden típusát számos kritérium alapján lehet megítélni, például:

• Újrahasznosíthatóság, azaz hányszor lehet feltölteni és lemeríteni

  ---

  

  ---

• Energiasűrűség, amely a tömegegységre tárolt energia mértékegysége, wattórában (egy óra Watt teljesítményt jelentő mértékegység) mért kilogrammonként (Wh/kg)

• Fajsűrűség, amely az egységnyi térfogatban tárolt energia, wattórában literenként (Wh/l) mérve.

Az, hogy melyik technológia a legalkalmasabb egy adott alkalmazáshoz, az adott szerepkör követelményeitől függ.

Ólom-sav

Az eredeti újratölthető akkumulátor tömény kénsavból áll elektrolitként (H?SO?), valamint ólomból (Pb) és ólom-dioxidból (PbO?) mind az anódon, mind a katódon, amelyek töltés és kisütés során ólom-szulfáttá alakulnak.

Az ólom-sav akkumulátorokat továbbra is használják az autókban, lakókocsikban és néhány elektromos relé hálózatban. Nagyon magas az újrahasznosíthatóságuk, így hosszú élettartamúak. Ezt segíti a rövid időtartamú használat és az állandó töltés - azaz mindig az akkumulátor közel 100% -os töltöttsége -, például egy autóban. Ezzel szemben a lassú töltés és kisütés jelentősen csökkenti az ólom-sav akkumulátor élettartamát.

Bár az ólom mérgező és a kénsav maró hatású, az akkumulátor nagyon robusztus és ritkán jelent veszélyt a felhasználóra. Ha azonban lakossági létesítményekben használják, a szükséges nagyobb méretű és mennyiségű anyagok szintén növelik a veszélyeket.

A Li-ion Tesla Powerwall 7 kilowattóra (kWh) vagy 10 kWh változatban kapható. Az összehasonlítás kedvéért megvizsgáljuk, hogy mekkora akkumulátorra lenne szükség egy négyszemélyes háztartás áramellátásához, amely napi 20 kWh-t fogyaszt, ami kb. Nemzeti átlag az ilyen otthonokhoz.

Az ólomakkumulátorok energiasűrűsége 30-40Wh/kg és 60-70Wh/l. Ez azt jelenti, hogy egy 20 kWh -os rendszer 450-600 kg súlyú, és 0.28-0.33 köbméter helyet foglal el (nem számítva a cellaház és egyéb berendezések méretét vagy súlyát). Ez a térfogat a legtöbb háztartásban kezelhető - nagyjából 1 x 1 x 0.3 méteres dobozban elférne -, de a súly azt jelenti, hogy állónak kell lennie.

Lítium-ion

A jelenlegi elsődleges újratölthető akkumulátor a lítium (Li) ionok mozgásán alapul egy porózus szénanód és egy Li-fém-oxid katód között. A katód összetétele nagy hatással van az akkumulátor teljesítményére és stabilitására.

Jelenleg lítium-kobalt-oxid kiváló töltési kapacitással rendelkezik. Azonban hajlamosabb a meghibásodásra, mint az alternatívák, például a lítium-titán vagy a lítium-vas-foszfát, bár ezek töltési kapacitása alacsonyabb.

A hibák egyik gyakori oka a katód megduzzadása, amikor Li -ionokat helyeznek a szerkezetébe, valamint az anódot lítiumfémmel bevonják, ami robbanó. A meghibásodás esélyét csökkenteni lehet a töltési/kisütési sebesség korlátozásával, de a laptopok vagy telefonok akkumulátorai felrobbanhatnak/kigyulladhatnak nem ritka.

Az akkumulátor élettartama nagymértékben függ az anódtól, a katódtól és az elektrolit összetételétől is. Általában a Li-ion élettartama meghaladja az ólom-sav akkumulátorokat, a Tesla élettartama 15 év (5,000 ciklus, napi egy ciklus) a 10 kWh teljesítményű lítium-mangán-kobalt elektródán alapuló Powerwall-hoz.

A 10 kWh -s Tesla Powerwall súlya 100 kg, mérete 1.3 x 0.86 x 0.18 méter. Tehát egy átlagos négyszemélyes háztartásban két sorba kapcsolt egységre lesz szükség, amelyek összsúlya 200 kg, és 1.3 x 1.72 x 0.18 méter vagy 0.4 köbméter, ami könnyebb, mint az ólomsav, de több helyet foglal el.

Ezek az értékek 100Wh/kg és 50Wh/l, amelyek alacsonyabbak, mint a Li-kobalt-oxid akkumulátorok (150-250Wh/kg és 250-360Wh/l), de a biztonságosabb és hosszabb élettartamú Li -titanát (90Wh/kg) és Li-vas-foszfát (80-120Wh/kg).

A lítium akkumulátorok jövőbeni fejlesztései

A jövő akkumulátor technológiái tovább javíthatják ezeket a számokat. A kutatólaboratóriumok világszerte azon dolgoznak, hogy javítsák a lítium-alapú akkumulátorok fajlagos energiáját, élettartamát és biztonságát.

A fő kutatási területek közé tartozik a katód összetétel megváltoztatása, például a velük végzett munka lítium-vas-foszfát or lítium-mangán-kobalt, ahol az anyagok különböző arányai vagy kémiai szerkezete drasztikusan befolyásolhatja a teljesítményt.

Az elektrolit megváltoztatása, például szerves vagy ionos folyadékok használata javíthatja a fajlagos energiát, bár költségeik megfizethetetlenek lehetnek, és jobban ellenőrzött gyártást igényelnek, például pormentes vagy páratartalom-szabályozott/korlátozott környezetben.

A nanoanyagok használata nanoméretű szénanalógok formájában (grafén és a szén nanocsövek), Vagy nanorészecskék, javíthatja mind a katódot, mind az anódot. Az anódban erősen vezetőképes és erős grafén vagy szén nanocsövek helyettesíthetik a jelenlegi anyagot, amely grafit vagy aktív porózus szén és grafit keveréke.

A grafén és a szén nanocsövek nagyobb felületet, nagyobb vezetőképességet és nagyobb mechanikai stabilitást mutatnak, mint az aktív szén és a grafit. A legtöbb anód és katód pontos összetétele jelenleg üzleti titok, de a kereskedelmi forgalomban lévő szén nanocsövek arra utalnak, hogy a legtöbb telefon és laptop akkumulátor jelenleg szén nanocsövet tartalmaz az elektródák részeként.

A laboratóriumi elemek hihetetlen tárolókapacitást mutattak, különösen a fajlagos energia (Wh/kg) esetében. De gyakran az anyagok drágák, vagy a folyamatot nehéz ipari szintre méretezni. Az anyagköltségek további csökkentésével és a szintézis további egyszerűsítésével kétségtelen, hogy a nanoanyagok alkalmazása tovább javítja a lítium -alapú akkumulátorok kapacitását, élettartamát és biztonságát.

Lítium-levegő és lítium-kén

Lítium-kén és lítium-levegő Az akkumulátorok alternatív kivitelűek, hasonló alapelvű két elektróda közötti Li-ion mozgás, sokkal nagyobb elméleti kapacitással.

Mindkét esetben az anód vékony lítiumfoszlány, míg a katód Li?O? Li-airben levegővel, Li-S akkumulátorokban pedig aktív kénnel érintkezik. Várható maximális kapacitás 320Wh/kg Li-ion, 500Wh/kg Li-S és 1,000Wh/kg Li-air esetén.

A fajlagos energiák a lítium anódon és katódon található kisebb tömegével (a grafit/szén és az átmenetifém -oxidok helyett) kapcsolódnak. redox potenciál az elektródák között.

Mivel ezekben az akkumulátorokban az anód lítium-fém, a lakossági 20 kWh-os akkumulátorcsomaghoz szükséges nagy mennyiségű lítium (18 kg Li-air és 36 kg Li-S) korlátozhatja használatukat a rövid és közepes méretű eszközökre. kifejezés.

Nátrium-ion és magnézium-ion

A lítium atomszáma 3, és az 1. sorban található periódusos táblázat. Közvetlenül alatta van a nátrium (Na, atomszám 11).

A Na-ion akkumulátorokat úgy tekintjük életképes alternatívái a Li-ionnak, elsősorban a nátrium relatív bősége miatt. A katód Na-fém-oxidból, például nátrium-vas-foszfátból áll, míg az anód porózus szén. A Na -ionok mérete miatt a grafit nem használható az anódban, a szén nanoanyagokat pedig anódanyagként kutatják. Ezenkívül a nátrium tömege nagyobb, mint a Li, így az egységnyi tömegre és térfogatra jutó töltési kapacitás általában alacsonyabb.

A magnézium a nátriumtól jobbra helyezkedik el a periódusos rendszerben (Mg, 12-es rendszám) a 2. sorban, ami azt jelenti, hogy oldatban Mg²-ként is létezhet? (összehasonlítva a LiXNUMX-hoz és a NaXNUMX-hoz). A Na kétszeres töltésével a Mg hasonló térfogat mellett kétszer annyi elektromos energiát képes előállítani.

Az Mg-ion akkumulátor Mg-szálka anódból és Mg-fém-oxid katódból áll, és megjósolt maximum fajlagos energia 400Wh/kg. A jelenlegi kutatási szűk keresztmetszet az, hogy a kettős töltés a Mg²? lassítja az elektroliton való mozgást, így lelassítja a töltési sebességet.

Árakkumulátorok

Az áramlási akkumulátor két, elektrolittal töltött tárolótartályból áll, amelyeket a protoncserélő membrán, amely lehetővé teszi az elektronok és a hidrogénionok áramlását, de korlátozza az elektrolit keveredését a tárolótartályokban. Ilyen például a vanádium-vanádium szulfáttal vagy bromiddal, cink-bróm és bróm-hidrogén.

A vanádium áramlású akkumulátorok nagyon hosszú élettartamúak, és a rendszer nagyon stabil. Szinte korlátlanul növelhetők, de szivattyú szükséges ahhoz, hogy az elektrolitot körbeforgassa a tárolótartály körül. Ez mozgásképtelenné teszi őket.

A vanádium áramlású akkumulátorok fajlagos energiája 10-20Wh/kg, energiasűrűsége 15-25Wh/l. Ez azt jelenti, hogy egy 20 kWh-os háztartás áramellátásához 900-1800 kg-os akkumulátorra van szüksége, ami 0.8-1.33 mXNUMX-t vesz igénybe.

Nagy megbízhatóságú, de nagy tömegű, a vanádium áramlási cella akkumulátor jobban alkalmas nagy alkalmazásokhoz, például kis erőművekhez, mint lakossági használatra.

Rövid távon valószínűsíthető, hogy a Li-ion akkumulátorok tovább javulnak, sőt elérhetik a 320Wh/kg-ot. A jövő technológiái képesek még magasabb fajlagos energiát és/vagy energiasűrűséget biztosítani, de várhatóan először kisebb eszközökkel lépnek be a piacra, mielőtt a lakossági energiatárolás felé haladnának.

A szerzőről

Cameron Shearer a Flinders Egyetem fizikai tudományok tudományos munkatársa. Jelenleg a nanoanyagok alkalmazását kutatja napelemekben és akkumulátorokban.

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.