Tesla tarafından yapılan son duyuru Powerwall, yeni lityum-iyon (Li-ion) tabanlı ev tipi batarya depolama sistemi, oldukça heyecan. Hatta devam etme olasılığını da arttırıyor Dışı ızgaraelektrik üretmek için güneş panellerine güvenerek, kendi bataryaları ile birlikte depolamak ve talep üzerine kullanmak.

Ancak Tesla'nın kullandığı lityum iyon teknolojisi teklif edilen tek şey değil. Aslında, çeşitli batarya teknolojilerinin her birinin kendine özgü güçlü ve zayıf yanları vardır ve bazıları ev kurulumları için lityum iyondan bile üstün olabilir. İşte mevcut pil teknolojileri ve geliştirilmekte olan bazı hızlı bir anket.

Pil Gücü

Tüm şarj edilebilir piller iki elektrotlar ile ayrılmış elektrolit (aşağıdaki şemaya bakınız). İki elektrotta iki farklı geri dönüşümlü kimyasal reaksiyon meydana gelir. Şarj olurken, “aktif türler” - yani Li-ion piller için lityum iyonlar gibi yüklü bir molekül - anot. Deşarj sırasında bu, katot. Kimyasal reaksiyon bir potansiyel harici bir devreye güç vermek için kullanılabilir.

Her bir akü teknolojisi türü, aşağıdakiler gibi bir dizi kritere göre değerlendirilebilir:

• Şarj edilebilir ve boşaltılabilecek sayı olan geri dönüştürülebilirlik

  ---

  

  ---

• Birim kütle başına depolanan enerjinin bir ölçüsü olan enerji yoğunluğu, Watt-saat (kilogram başına bir saatte bir güç çıkışını temsil eden bir ölçü) olarak ölçülen (Wh / kg)

• Birim hacim başına depolanan enerji olan özgül yoğunluk, litre başına Watt saat olarak ölçülür (Wh / l).

Belirli bir uygulama için en uygun teknoloji hangi rolün taleplerine bağlıdır.

Kurşun-asit

Orijinal şarj edilebilir pil, elektrolit olarak konsantre sülfürik asitten (H?SO?) ve hem anot hem de katotta şarj ve deşarj sırasında kurşun sülfata dönüştürülen kurşun (Pb) ve kurşun dioksitten (PbO?) oluşur.

Kurşun asitli aküler hala otomobillerde, karavanlarda ve bazı elektrik röle ızgaralarında kullanılmaktadır. Çok yüksek geri dönüşüm özelliklerine sahiptirler, dolayısıyla uzun ömürlüdürler. Bu, kısa süreli kullanım ve sürekli şarj - yani aküyü bir otomobillerde olduğu gibi daima% 100 şarjında ​​tutmak - ile yardımcı olur. Buna karşılık, yavaş şarj ve deşarj, kurşun-asit batarya ömrünü önemli ölçüde azaltır.

Kurşun zehirli ve sülfürik asit aşındırıcı olsa da, batarya çok sağlamdır ve nadiren kullanıcı için bir tehlike oluşturur. Bununla birlikte, bir konut kurulumunda kullanılırsa, gereken malzemenin büyüklüğü ve hacmi de tehlikeleri artıracaktır.

Li-ion Tesla Powerwall, 7 kilowatt-saat (kWh) veya 10kWh versiyonlarında gelir. Karşılaştırma amacıyla, günde yaklaşık 20kWh tüketen dört kişilik bir aileye güç sağlamak için hangi boyutta pil gerektiğine bakacağız. Ulusal ortalama bu tür evler için.

Kurşun asitli aküler, 30 ila 40Wh / kg enerji yoğunluğuna ve 60 ila 70Wh / l arasındadır. Bu, bir 20kWh sisteminin 450 ila 600kg ağırlığında olacağı ve 0.28 ila 0.33 metreküp alan alacağı anlamına gelir (hücre muhafazasının ve diğer ekipmanın boyutu veya ağırlığı dahil değildir). Bu hacim çoğu hane halkı için yönetilebilir - kabaca 1 x 1 x 0.3 metrelik bir kutuya sığar - ancak ağırlık sabit olması gerektiği anlamına gelir.

Lityum-iyon

Mevcut premier şarj edilebilir pil, lityum (Li) iyonlarının gözenekli bir karbon anot ve bir Li-metal oksit katodu arasındaki hareketine dayanmaktadır. Katodun bileşimi, bataryanın performansı ve kararlılığı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Şu anda lityum kobalt oksit üstün şarj kapasitesi sergiler. Ancak, düşük şarj kapasitesine sahip olmalarına rağmen, lityum-titante veya lityum-demir-fosfat gibi alternatiflere göre bozulmaya daha yatkındır.

Arızaların ortak bir nedeni, anotun yapısına lityum metal ile kaplanmasıyla birlikte yapının içine girdiği için katodun şişmesidir; patlayıcı. Şarj / deşarj oranının sınırlandırılması ile bozulma olasılığı azaltılabilir, ancak dizüstü veya telefon pillerinin patlaması / alev alması durumları yaygın olmayan bir şey değil.

Bataryanın kullanım ömrü de büyük ölçüde anod, katot ve elektrolit bileşimine bağlıdır. Genel olarak, Li-ion'un ömürleri kurşun asit pillerden üstündür, Tesla'nın ömür boyu 15 yılı bildirdiği (5,000 döngüleri, günde bir döngüde) 10 kWh Powerwall için, bir lityum-manganez-kobalt elektroduna dayanır.

10kWh Tesla Powerwall, 100kg ağırlığında ve 1.3 x 0.86 x 0.18 metre boyutlarına sahiptir. Bu nedenle, ortalama dört kişilik bir hane halkı seri olarak bağlanmış iki üniteye ihtiyaç duyacaktır; toplam ağırlıkta 200kg ve 1.3 x 1.72 x 0.18 metre veya 0.4 metreküp toplam ağırlığı, kurşun asitten daha hafif fakat daha fazla yer kaplar.

Bu değerler, Li-kobalt oksit piller (100-50Wh / kg ve 150-250Wh / l) için bildirilenden daha düşük olan, ancak daha güvenli ve uzun ömürlü Li ile ilişkili olan 250Wh / kg ve 360Wh / l'ye eşittir. -titanat (90Wh / kg) ve Li-demir fosfat (80 ila 120Wh / kg).

Lityum Pillerde Gelecekteki Gelişmeler

Gelecekteki batarya teknolojileri bu sayıları daha da artırabilir. Dünyanın dört bir yanındaki araştırma laboratuvarları, lityum bazlı pillerin spesifik enerjisini, ömrünü ve güvenliğini artırmak için çalışıyor.

Başlıca araştırma alanları arasında çalışma gibi katot bileşiminin değiştirilmesi yer almaktadır. lityum demir fosfat or lityum manganez kobaltmalzemelerin farklı oranlarının veya kimyasal yapılarının performansı önemli ölçüde etkileyebildiği yerlerde.

Elektrolitin, örneğin organik veya iyonik sıvılar kullanmak gibi değiştirilmesi, maliyeti engelleyici olmasına ve tozsuz veya nem kontrollü / kısıtlı bir ortamda olduğu gibi daha kontrollü bir imalat gerektirmesine rağmen, spesifik enerjiyi artırabilir.

Nanomalzemelerin, nano-karbonlu karbon analogları formunda kullanılması (grafen ve karbon nanotüpleri) Veya nanopartiküllerkatodu ve anodu iyileştirebilir. Anotta, yüksek iletken ve güçlü grafen veya karbon nanotüpler, grafit veya aktifleştirilmiş gözenekli karbon ve grafit karışımı olan mevcut malzemenin yerini alabilir.

Grafen ve karbon nanotüpler, aktif karbon ve grafitten daha yüksek yüzey alanı, daha yüksek iletkenlik ve daha yüksek mekanik stabilite sergiler. Çoğu anot ve katotun tam bileşimi şu anda ticari bir sırdır, ancak karbon nanotüplerin ticari üretim seviyeleri, çoğu telefon ve laptop bataryasının şu anda elektrotlarının bir parçası olarak karbon nanotüplere sahip olduğunu ima etmektedir.

Laboratuar bazlı piller, özellikle spesifik enerji için (Wh / kg) inanılmaz depolama kapasitesi göstermiştir. Ancak çoğu zaman malzemeler pahalıdır veya işlemin endüstriyel seviyelere ölçeklenmesi zordur. Malzeme maliyetinde daha fazla azalma ve sentezin daha da basitleştirilmesiyle, nanomalzemelerin uygulanmasının lityum bazlı pillerin kapasitesini, ömrünü ve güvenliğini artırmaya devam edeceğinden şüphe yoktur.

Lityum-hava ve Lityum-kükürt

Lityum-kükürt ve lityum-hava Piller, iki elektrot arasında Li-iyon hareketinin temelini oluşturan ve çok daha yüksek teorik kapasiteye sahip alternatif tasarımlardır.

Her iki durumda da anot ince bir lityum şeridi iken katot Li?O? Li-air'de havayla ve Li-S pillerde aktif kükürtle temas halindedir. Tahmini maksimum kapasite Li-iyon için 320Wh / kg, Li-S için 500Wh / kg ve Li-hava için 1,000Wh / kg'dır.

Spesifik enerjiler anot ve katot üzerindeki hafif lityum ağırlığı (grafit / karbon ve geçiş metali oksitler yerine) ve yüksek redoks elektrotlar arasındaki potansiyel.

Bu pillerdeki anot lityum metalden, konut ölçekli bir 20kWh pil takımı (Li-hava için 18kg ve Li-S için 36kg) için gereken büyük miktardaki lityum miktarı, orta ila orta arasındaki daha küçük cihazlarla kullanımını sınırlayabilir terim.

Sodyum-iyon ve Magnezyum-iyon

Lityum atom numarası 3 olan ve 1 satırında oturur periyodik tablo. Doğrudan aşağıda Sodyum (Na, atom numarası 11).

Na-ion piller olarak kabul edilir. Li-ion'a uygulanabilir alternatifler, esasen sodyumun göreceli bolluğu nedeniyle. Katot, sodyum demir fosfat gibi bir Na-metal oksitten oluşurken, anot gözenekli karbondur. Na iyonlarının büyüklüğü nedeniyle, anotta grafit kullanılamaz ve karbon nanomalzemeleri anot malzemeleri olarak araştırılır. Ek olarak, Sodyum kütlesi Li'den büyüktür, bu nedenle birim kütle ve hacim başına şarj kapasitesi genellikle daha düşüktür.

Magnezyum periyodik tabloda (Mg, atom numarası 12) 2. sırada sodyumun sağında yer alır, bu da onun çözeltide Mg² olarak bulunabileceği anlamına gelir. (Li¹? ve Na¹? ile karşılaştırıldığında). Na'nın iki katı yükü olan Mg, benzer bir hacim için iki kat daha fazla elektrik enerjisi üretme kapasitesine sahiptir.

Mg-iyon batarya, bir Mg-şerit anot ve bir Mg-metal oksit katotundan oluşur ve öngörülen maksimum 400Wh/kg spesifik enerji. Mevcut araştırma darboğazı Mg²'deki çift yükün olmasıdır. elektrolit içinde hareket etmesini daha yavaş hale getirir, böylece şarj hızını yavaşlatır.

akış Piller

Bir akış bataryası, bir elektrolitle doldurulmuş iki depodan oluşur; proton değişim zarıElektronların ve hidrojen iyonlarının akışını sağlayan, ancak elektrolitin depolama tanklarındaki karışımını kısıtlayan. Bunların örnekleri arasında sülfat veya bromürlü vanadyum-vanadyum, çinko-bromin ve bromin-hidrojen bulunur.

Vanadyum akışlı bataryalar çok uzun ömürlüdür, sistem çok stabildir. Neredeyse süresiz olarak yükseltilebilirler, ancak elektroliti depolama tankının etrafında döndürmek için bir pompaya ihtiyaç duyarlar. Bu onları hareketsiz kılar.

Vanadyum akışlı bataryaların, 10-20Wh / kg ve 15-25Wh / l enerji yoğunluğu aralığında belirli enerjileri vardır. Bu, bir 20kWh evine güç sağlamak için, 900-1800m³ seviyesini alacak olan 0.8-1.33Kg kütlesine sahip bir bataryaya ihtiyacınız olacaktır.

Yüksek güvenilirlik fakat yüksek kütle ile, vanadyum akış hücresi bataryası, küçük enerji santralleri gibi büyük uygulamalar için konut kullanımından daha uygundur.

Kısa vadede Li-ion pillerin gelişmeye devam etmesi ve hatta 320Wh / kg'a ulaşması muhtemeldir. Gelecekteki teknolojiler daha yüksek spesifik enerji ve / veya enerji yoğunluğu sağlama yeteneğine sahiptir, ancak konut enerji depolarına doğru ilerlemeden önce, daha küçük cihazlarda önce pazara girmesi beklenir.

Yazar hakkında

Cameron Shearer, Flinders Üniversitesi'nde Fiziksel Bilimler alanında Araştırma Görevlisidir. Şu anda nanomalzemelerin güneş pilleri ve bataryalardaki uygulamalarını araştırıyor.

Bu yazı orijinalinde Konuşma. Okumak Orijinal makale.