明天的电池技术可以为您的家庭提供动力

作者:皇甫赏鼻

特斯拉最近宣布推出的新型锂离子(Li-ion)住宅电池存储系统Powerwall引起了不小的轰动它甚至提高了离网的可能性,依靠太阳能电池板发电,然而,特斯拉使用的锂离子技术并不是唯一提供的锂离子技术事实上,各种电池技术都有自己的优点和缺点,有些可能甚至是家用设备优于锂离子电池以下是对当前电池技术的快速调查,以及一些正在开发的电池技术所有可充电电池由两个电极隔开的电极组成(见下图)两个电极发生两种不同的可逆化学反应在充电时,“活性物质” - 即带电分子,如用于锂离子电池的锂离子 - 存储在阳极中。在放电过程中,它会迁移到阴极。动作发生在可用于为外部电路供电的电位上可以根据多种标准判断每种类型的电池技术,例如:可回收性,即可充电和放电的次数能量密度,即衡量每单位质量储存的能量,以瓦特小时(一小时内功率输出功率的瓦特数)测量每千克(Wh / kg)特定密度,即每单位体积储存的能量,以瓦特为单位 - 每升小时(Wh / l)哪种技术最适合特定应用取决于该作用的要求原装可充电电池由浓硫酸作为电解质(H 2 SO 4),铅(Pb)和二氧化铅(阳极和阴极上的PbO 2)在充电和放电过程中都转化为硫酸铅铅酸电池仍然用于汽车,大篷车和一些继电器网格中它们具有很高的可回收性,因此具有很长的寿命ime这有助于短时间使用和恒定充电 - 即始终保持电池接近100%充电 - 例如在汽车中发生相反,缓慢的充电和放电显着降低了铅酸电池寿命尽管铅是有毒的,硫酸是腐蚀性,电池非常坚固,很少对用户造成危害但是,如果在住宅安装中使用,所需材料的更大尺寸和体积也会增加危险Li-ion Tesla Powerwall的电压为7千瓦时( kWh)或10kWh版本为了便于比较,我们将研究为每天消耗20kWh的四人家庭供电所需的电池尺寸,这大约是这些家庭的全国平均水平铅酸电池具有能量密度为30至40Wh / kg和60至70Wh / l这意味着20kWh系统将重450至600kg,占用028至033立方米的空间(不包括电池外壳的尺寸或重量)其他设备)这个卷对于大多数家庭来说是可管理的 - 它大致适合1 x 1 x 03米的盒子 - 但重量将意味着它必须是固定的当前首要的可充电电池是基于锂(Li)的移动多孔碳阳极和锂金属氧化物阴极之间的离子阴极的组成对电池的性能和稳定性具有很大影响目前锂 - 钴 - 氧化物表现出优异的充电容量然而,它比其它更容易破坏例如锂 - 钛酸盐或锂 - 铁 - 磷酸盐,虽然它们具有较低的充电容量一个常见的故障原因是阴极膨胀,因为锂离子被插入其结构中,同时阳极镀有锂金属,这可以通过限制充电/放电速率可以减少故障的可能性,但笔记本电脑或手机电池爆炸/着火的情况并不少见。电池也很大程度上取决于阳极,阴极和电解质的成分一般来说,锂离子电池的使用寿命优于铅酸电池,特斯拉报告的寿命为15年(5,000次循环,每天一个周期)10基于锂锰钴电极的kWh Powerwall 10kWh特斯拉Powerwall的重量为100千克,尺寸为13 x 086 x 018米因此对于普通的四人家庭来说,需要两个串联的单元,总重量为200千克和13 x 172 x 018米或04立方米,比铅酸轻,但占用更多空间这些值相当于100Wh / kg和50Wh / l,低于锂钴氧化物电池(150-250Wh)的报告值/ kg和250-360Wh / l),但在与更安全和更长寿命的锂钛酸盐(90Wh / kg)和磷酸铁锂(80至120Wh / kg)相关的范围内未来的电池技术可能会进一步提高这些数量世界各地的实验室正在努力提高锂基电池的比能量,寿命和安全性主要研究领域包括改变阴极成分,例如使用不同比例的锂 - 磷酸铁锂或锂 - 锰 - 钴。材料的化学结构可以极大地影响性能改变电解质,例如使用有机或离子液体,可以改善比能量,尽管它们可能成本过高并且需要更加可控制造,例如在无尘或湿度控制下控制/限制环境以纳米碳类似物(石墨烯和碳纳米管)或纳米颗粒的形式使用纳米材料可以改善阴极和阳极在阳极中,高导电性和强石墨烯或碳纳米管可以取代目前的材料石墨或混合活化多孔碳和石墨石墨烯和碳纳米管比活性炭和石墨具有更高的表面积,更高的导电性和更高的机械稳定性大多数阳极和阴极的确切成分目前是商业秘密,但商业生产碳纳米管的水平暗示大多数手机和笔记本电池目前都有碳纳米管作为其电极的一部分基于实验室的电池已显示出令人难以置信的存储容量,特别是对于特定能量(Wh / kg)但通常材料昂贵或工艺难以处理扩大到工业水平随着材料成本的进一步降低和进一步降低简化合成,毫无疑问纳米材料的应用将继续提高锂基电池的容量,寿命和安全性锂硫电池和锂空气电池是替代设计,具有类似于锂离子运动的基本原理理论容量要高得多的电极在这两种情况下,阳极都是薄的锂条,而阴极是Li-O 2与Li-air中的空气接触,Li-S电池中的活性硫预计最大容量为320Wh / kg Li -i,Li-S为500Wh / kg,Li-air为1,000Wh / kg特定能量与阳极和阴极上锂的重量更轻(取代石墨/碳和过渡金属氧化物)和高氧化还原电位有关电极之间这些电池中的阳极是锂金属,住宅规模20kWh电池组所需的大量锂(Li-air为18kg,Li-S为36kg)可能会限制它们的使用在短期到中期的锂装置锂的原子序数为3,位于元素周期表的第1行正下方是钠(Na,原子序数11)Na离子电池被认为是锂离子电池的可行替代品,主要是由于钠的相对丰富,阴极由钠 - 铁 - 磷酸盐等钠金属氧化物组成,而阳极是多孔碳由于Na离子的大小,石墨不能用于阳极,碳纳米材料是被研究作为阳极材料另外钠的质量大于Li,因此每单位质量和体积的电荷容量通常较低镁在第2行的元素周期表中位于钠的右侧(Mg,原子序数12),其中这意味着它可以溶液形式存在于Mg 2+中(与Li 15和Na 15相比)Na的电荷加倍,Mg能够产生两倍于相同体积的电能。镁离子电池由Mg银阳极组成和Mg-金属氧化物阴极,并具有pred最大比能量为400Wh / kg目前的研究瓶颈是Mg²⁺上的双重电荷使其在通过电解质时更加缓慢,从而减慢了充电速率。一个流动电池由两个充满电解质的储罐组成。质子交换膜,允许电子和氢离子流动,但限制储存罐中电解质的混合 这些例子包括钒 - 钒与硫酸盐或溴化物,锌 - 溴和溴 - 氢钒液流电池具有非常长的使用寿命,系统非常稳定它们几乎可以无限期升级,但需要泵来循环电解液在储罐周围这使得它们不动的钒液流电池的比能量在10-20Wh / kg范围内,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。钒流动电池更可靠,但质量更高,更适合大型应用,如小型发电厂,而非住宅用途短期内,锂离子电池可能会继续使用,这将占用08-133m³改进,甚至可能达到320Wh / kg未来技术能够提供更高的比能量和/或能量密度,....