טכנולוגיות הסוללה של מחר שיכולות להניע את הבית שלך

ההודעה האחרונה של טסלה על פאוורוול, מערכת האחסון החדשה של ליתיום-יון (לי-יון) המבוססת על סוללות מגורים, גרמה לכך די מהומה. זה אפילו מעלה את האפשרות ללכת מחוץ לרשת, בהסתמך על פאנלים סולאריים כדי לייצר חשמל, ולאחסן אותו עם סוללה משלהם ולהשתמש בו על פי דרישה.

אולם טכנולוגיית הליתיום-יון בה משתמשת טסלה אינה היחידה המוצעת. למעשה, לכל אחת מטכנולוגיות הסוללה השונות יש נקודות חוזק וחולשות משלה, וחלקן אף עשויות להיות עדיפות על ליתיום-יון להתקנות ביתיות. להלן סקירה מהירה של טכנולוגיות הסוללה הנוכחיות, וחלקן הנמצאות בפיתוח.

כוח סוללה

כל הסוללות הנטענות מורכבות משניים אלקטרודות מופרדים על ידי אלקטרוליט (ראה תרשים להלן). שתי תגובות כימיות שונות הפיכות מתרחשות בשתי האלקטרודות. בזמן הטעינה, "מינים פעילים"-קרי מולקולה טעונה, כגון יוני ליתיום לסוללות ליתיום-מאוחסנים אנודה. במהלך השחרור זה נודד אל קָטוֹדָה. התגובה הכימית מתרחשת ב- a פוטנציאל אשר ניתן להשתמש בהם להפעלת מעגל חיצוני.

ניתן לשפוט כל סוג של טכנולוגיית סוללות על פי מספר קריטריונים, כגון:

  • מיחזור, שהוא מספר הפעמים שניתן להטעין ולפרוק אותו


    גרפיקת מנוי פנימית


  • צפיפות האנרגיה, שהיא מדד לאנרגיה המאוחסנת ליחידת מסת, הנמדדת בשעות ואט (מדד המייצג וואט הספק מעל שעה) לק"ג (ווה/ק"ג)

  • צפיפות ספציפית, שהיא האנרגיה המאוחסנת ליחידת נפח, הנמדדת בשעות ואט לליטר (Wh/l).

איזו טכנולוגיה מתאימה ביותר ליישום מסוים תלויה בדרישות התפקיד הזה.

עופרת חומצה

הסוללה הנטענת המקורית מורכבת מחומצה גופרתית מרוכזת כאלקטרוליט (H?SO?), ועופרת (Pb) ועופרת דו-חמצנית (PbO?) הן על האנודה והן על הקתודה, ששניהם מומרים לגופרית עופרת במהלך הטעינה והפריקה.

סוללות חומצת עופרת משמשות עדיין במכוניות, קרוואנים ובכמה רשתות ממסר חשמליות. יש להם מיחזור גבוה מאוד, ולכן חיים ארוכים. זה עוזר בשימוש לאורך זמן ובטעינה מתמדת - כלומר תמיד שמירה על הסוללה בטעינה של כמעט 100% - כמו למשל במכוניות. לעומת זאת, טעינה ופריקה איטית מפחיתים משמעותית את חיי סוללת החומצה העופרת.

למרות שעופרת רעילה וחומצה גופרית היא מאכלת, הסוללה חזקה מאוד ולעתים רחוקות מהווה סכנה למשתמש. עם זאת, אם נעשה שימוש בהתקנת מגורים, הגודל והנפח של החומרים הנדרשים יגדילו גם הם את הסכנות.

ה- Li-ion Tesla Powerwall מגיע בגרסאות של 7 קילוואט (kWh) או 10kWh. לשם השוואה, נבחן מה גודל הסוללה שיידרש להפעלת משק בית בן ארבעה אנשים הצורך 20 קוט"ש ביום, שזה בערך ממוצע ארצי לבתים כאלה.

לסוללות חומצת עופרת יש צפיפות אנרגיה של 30 עד 40Wh/ק"ג ו- 60 עד 70Wh/l. המשמעות היא שמערכת 20kWh תשקול 450 עד 600 ק"ג ותתפוס שטח של 0.28 עד 0.33 קוב (לא כולל גודל או משקל מארז התא וציוד אחר). עוצמת הקול הזו ניתנת לניהול עבור רוב משקי הבית - היא תתאים בערך בקופסה בגודל 1 על 1 x 0.3 מטר - אך המשקל אומר שהוא חייב להיות נייח.

ליתיום יון

הסוללה הנטענת המובילה כיום מבוססת על תנועת יוני ליתיום (לי) בין אנודת פחמן נקבובי לקתודה תחמוצת לי-מתכת. להרכב הקתודה יש ​​השפעה רבה על הביצועים והיציבות של הסוללה.

כיום תחמוצת ליתיום-קובלט מציג כושר טעינה מעולה. עם זאת, הוא חשוף יותר להתמוטטות מאשר חלופות, כגון ליתיום-טיטנט או ליתיום-ברזל-פוספט, אם כי יש להן יכולת טעינה נמוכה יותר.

אחת הסיבות השכיחות לתקלות היא נפיחות של הקתודה כאשר יונים מוכנסים בתוך המבנה שלה יחד עם ציפוי האנודה במתכת ליתיום, שיכולה להפוך חומר נפץ. ניתן לצמצם את הסיכוי להתמוטטות על ידי הגבלת קצב הטעינה/פריקה, אך מקרים שבהם סוללות מחשב נייד או טלפון מתפוצצות/מתלקחות לא נדיר.

אורך חיי הסוללה תלוי במידה רבה גם באנודה, בקתודה ובהרכב האלקטרוליטים. באופן כללי, תוחלת חיי הליון-יון עדיפה על סוללות חומצה עופרת, כאשר טסלה מדווחת על חיים של 15 שנים (5,000 מחזורים, במחזור אחד ליום) עבור 10 קילו-שעה Powerwall שלה, המבוססת על אלקטרודת ליתיום-מנגן-קובלט.

משקלו של טסלה פאוורוול 10 קילו -וואט הוא 100 ק"ג ויש לו מידות של 1.3 x 0.86 x 0.18 מטר. אז למשק בית ממוצע של ארבעה אנשים ידרוש שתי יחידות המחוברות בסדרה, והמשקל שלהן הוא 200 ק"ג ו -1.3 x 1.72 x 0.18 מטר או 0.4 מ"ק, שהוא קל יותר מחומצה עופרת, אך תופס יותר מקום.

ערכים אלה משתווים ל- 100Wh/kg ו- 50Wh/l, שהם נמוכים מזה שדווח על סוללות תחמוצת לי-קובלט (150-250Wh/kg ו- 250-360Wh/l), אך בטווח הקשור למשך החיים הבטוח והארוך יותר -טיטניט (90Wh/ק"ג) ופוספט לי-ברזל (80 עד 120Wh/ק"ג).

שיפורים עתידיים בסוללות ליתיום

טכנולוגיות סוללה עתידיות עשויות לשפר את המספרים הללו עוד יותר. מעבדות מחקר ברחבי העולם פועלות לשיפור האנרגיה הספציפית, אורך החיים והבטיחות של סוללות מבוססות ליתיום.

תחומי המחקר העיקריים כוללים שינוי הרכב הקתודות, כגון העבודה עם ליתיום-ברזל-פוספט or ליתיום-מנגן-קובלט, כאשר יחסים שונים או מבנים כימיים של החומרים יכולים להשפיע באופן דרסטי על הביצועים.

שינוי האלקטרוליט, כגון שימוש בנוזלים אורגניים או יוני, יכול לשפר את האנרגיה הספציפית, אם כי הם יכולים להיות חסכוניים בעלויות ולדרוש ייצור מבוקר יותר, כגון בסביבה נטולת אבק או לחות מבוקרת/מוגבלת.

השימוש בחומרים ננו, בצורה של אנלוגים של פחמן ננו (גרפן ו צינורות פחמן) או חלקיקים, עשוי לשפר הן את הקתודה והן את האנודה. באנודה צינורות גרפן או צינורות גרפן מוליכים וחזקים ביותר יכולים להחליף את החומר הנוכחי, שהוא גרפיט או תערובת של פחמן נקבובי וגרפיט מופעל.

צינורות גרפן ופחמן מציגים שטח פנים גבוה יותר, מוליכות גבוהה יותר ויציבות מכנית גבוהה יותר מאשר פחם פעיל וגרפיט. ההרכב המדויק של רוב האנודות והקטודות מהווה כיום סוד מסחרי, אך רמות הייצור המסחריות של צינורות פחמן מרמזות כי לרוב סוללות הטלפונים והמחשבים הניידים יש כיום צינורות פחמן כחלק מהאלקטרודות שלהם.

סוללות מבוססות מעבדה הראו כושר אחסון מדהים, במיוחד לאנרגיה ספציפית (ווה/ק"ג). אך לעתים קרובות החומרים יקרים או שהתהליך קשה להיקף לרמות תעשייתיות. עם הפחתה נוספת בעלות החומר ופישוט נוסף של הסינתזה, אין ספק שהיישום של ננו -חומרים ימשיך לשפר את הקיבולת, אורך החיים והבטיחות של סוללות מבוססות ליתיום.

ליתיום-אוויר וליתיום-גופרית

ליתיום-גופרית וליתיום-אוויר סוללות הן עיצובים חלופיים בעלי עקרון בסיסי דומה של תנועת ליון בין שתי אלקטרודות, עם יכולות תיאורטיות גבוהות בהרבה.

בשני המקרים, האנודה היא רסיס דק של ליתיום בעוד שהקתודה היא Li?O? במגע עם אוויר ב-Li-air, וגופרית פעילה בסוללות Li-S. קיבולת מקסימלית צפויה הם 320 וואט/ק"ג לליון-יון, 500 וואט/ק"ג ל- Li-S ו -1,000 וואט/ק"ג ללי-אוויר.

האנרגיות הספציפיות קשורות למשקל הקל יותר של ליתיום על האנודה והקטודה (החלפת גרפיט/פחמן ותחמוצות מתכת) והגבוה חמצון מחדש פוטנציאל בין האלקטרודות.

כאשר האנודה בסוללות אלה היא מתכת ליתיום, כמות הליתיום הגדולה הנדרשת לחבילת סוללות 20kWh למגורים (18 ק"ג ללי-אוויר ו -36 ק"ג ללי-ס) עשויה להגביל את השימוש בהן למכשירים קטנים יותר בטווח הקצר עד הבינוני. טווח.

נתרן-יון ומגנזיום-יון

ליתיום יש מספר אטומי 3 ויושב בשורה 1 של טבלה מחזורית. למטה יש נתרן (Na, מספר אטומי 11).

סוללות Na-ion נחשבות כ חלופות ראויות ללי-יון, בעיקר בשל השפע היחסי של נתרן. הקתודה מורכבת מתחמוצת Na-metal, כגון נתרן-ברזל-פוספט, בעוד האנודה היא פחמן נקבובי. בשל גודלן של יוני Na, לא ניתן להשתמש בגרפיט באנודה וחומרי ננו -פחמן נחקרים כחומרי אנודה. בנוסף, מסת הנתרן גדולה מ- Li, כך שיכולת הטעינה ליחידת מסת ונפח היא בדרך כלל נמוכה יותר.

מגנזיום יושב מימין לנתרן בטבלה המחזורית (Mg, מספר אטומי 12) בשורה 2, מה שאומר שהוא יכול להתקיים בתמיסה בתור Mg²? (לעומת Li¹? ו-Na¹?). עם מטען כפול של Na, Mg מסוגל לייצר פי שניים מהאנרגיה החשמלית עבור נפח דומה.

סוללת ה- Mg-ion מורכבת מאנודה מסוג Mg-sliver וקתודה של תחמוצת מתכת Mg, ויש לה החזוי המקסימלי אנרגיה ספציפית של 400Wh/kg. צוואר הבקבוק של המחקר הנוכחי הוא שהטעינה הכפולה על ה-Mg²? עושה את זה איטי יותר בתנועה דרך האלקטרוליט, ובכך מאט את קצב הטעינה.

סוללות זרימה

סוללת זרימה מורכבת משני מיכלי אחסון מלאים באלקטרוליט המופרדים על ידי א קרום החלפת פרוטוניםהמאפשר זרימת אלקטרונים ויוני מימן, אך מגביל את ערבוב האלקטרוליט במיכלי האחסון. דוגמאות לכך כוללות ונדיום-ונדיום עם סולפט או ברומיד, אבץ-ברום וברום-מימן.

לסוללות זרימת ונדיום תוחלת חיים ארוכה מאוד כאשר המערכת יציבה מאוד. ניתן להגדיל אותם כמעט ללא הגבלת זמן אך דורשים משאבה כדי להעביר את האלקטרוליט סביב מיכל האחסון. זה הופך אותם לבלתי ניידים.

לסוללות זרימת ונדיום יש אנרגיות ספציפיות בטווח של 10-20Wh/ק"ג וצפיפות האנרגיה של 15-25Wh/l. המשמעות היא שכדי להפעיל משק בית של 20kWh, תזדקק לסוללה במשקל של 900-1800 ק"ג שתתפוס 0.8-1.33m³.

עם אמינות גבוהה אך מסה גבוהה, סוללת תא זרימת הנדיום מתאימה יותר ליישומים גדולים כגון תחנות כוח קטנות מאשר לשימוש במגורים.

בטווח הקצר סביר שסוללות ליתיום ימשיכו להשתפר, ואף עשויות להגיע ל -320 וואט/ק"ג. לטכנולוגיות עתידיות יש יכולת לספק אפילו יותר אנרגיה ספציפית ו/או צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, אך הן צפויות להיכנס לשוק תחילה במכשירים קטנים יותר לפני שיעברו לאחסון אנרגיה למגורים.

על המחברשיחה

גזירה קמרוןקמרון שירר הוא עמית מחקר במדעי הפיזיקה באוניברסיטת פלינדרס. כיום הוא חוקר את היישום של ננו -חומרים בתאים סולאריים ובסוללות.

מאמר זה פורסם במקור ב שיחה. קרא את מאמר מקורי.