الإعلان الأخير من تسلا Powerwall، وقد تسبب نظام تخزين البطارية السكني القائم على الليثيوم أيون (Li-ion) الجديد ضجة. حتى أنه يثير إمكانية الذهاب خارج الشبكة، بالاعتماد على الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء ، وتخزينها مع بطاريتها واستخدامها عند الطلب.

ومع ذلك ، فإن تقنية أيونات الليثيوم المستخدمة من قبل تسلا ليست هي الوحيدة المتوفرة. في الواقع ، كل من تقنيات البطاريات المختلفة لديها نقاط قوتها وضعفها ، وقد يكون بعضها أفضل من الليثيوم أيون للمنشآت المنزلية. فيما يلي مسح سريع لتقنيات البطاريات الحالية ، وبعضها قيد التطوير.

طاقة البطارية

جميع البطاريات القابلة لإعادة الشحن تتكون من اثنين قطبان كهربائيان مفصولة "الإلكتروليت" (انظر الرسم البياني أدناه). تحدث تفاعلات كيميائية مختلفة عكسية عند القطبين الكهربائيين. أثناء الشحن ، يتم تخزين "نوع نشط" - أي جزيء مشحون ، مثل أيونات الليثيوم الخاصة ببطاريات ليثيوم أيون - في بالأنود. أثناء التفريغ هذا يهاجر إلى ككاثود . التفاعل الكيميائي يحدث في محتمل والتي يمكن استخدامها لتشغيل دائرة خارجية.

يمكن الحكم على كل نوع من أنواع تقنية البطاريات وفقًا لعدد من المعايير ، مثل:

• قابلية إعادة التدوير ، وهي عدد المرات التي يمكن فيها شحنه وتفريغه

  ---

  

  ---

• كثافة الطاقة ، وهي مقياس الطاقة المخزونة لكل وحدة كتلة ، مقيسة بالواط ساعة (مقياس يمثل واط ناتج من الطاقة أكثر من ساعة) للكيلوغرام الواحد (Wh / kg)

• الكثافة النوعية ، وهي الطاقة المخزنة في وحدة الحجم ، مقاسة بالواط ساعة لكل لتر (Wh / l).

التكنولوجيا التي هي الأكثر ملاءمة لتطبيق معين يعتمد على متطلبات هذا الدور.

الرصاص الحمضية

تتكون البطارية الأصلية القابلة لإعادة الشحن من حمض الكبريتيك المركز مثل المنحل بالكهرباء (HSO)، والرصاص (Pb) وثاني أكسيد الرصاص (PbO؟) على كل من الأنود والكاثود، وكلاهما يتحول إلى كبريتات الرصاص أثناء الشحن والتفريغ.

لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية تستخدم في السيارات والبيوت المتنقلة وفي بعض شبكات الترحيل الكهربائية. لديهم قدرة عالية على إعادة التدوير ، وبالتالي عمر طويل. ويساعد ذلك في الاستخدام القصير المدة والشحن الثابت - أي إبقاء البطارية عند شحن 100٪ تقريبًا - مثل ما يحدث في السيارات. وعلى العكس ، يقلل الشحن البطيء والتفريغ بشكل كبير من عمر بطارية الرصاص الحمضية.

على الرغم من الرصاص السامة وحامض الكبريتيك غير قابلة للتآكل، وبطارية قوية جدا ونادرا ما تقدم خطرا على المستخدم. ومع ذلك، إذا تم استخدامه في المنشآت السكنية، وزيادة حجم وحجم المواد المطلوبة سوف يزيد أيضا من المخاطر.

يأتي Li-ion Tesla Powerwall في إصدارات 7 كيلووات / ساعة (kWh) أو 10kWh. من أجل المقارنة ، سنلقي نظرة على حجم البطارية المطلوبة لتشغيل أسرة مكونة من أربعة أفراد تستهلك 20kWh في اليوم ، وهو ما يقرب من المتوسط ​​الوطني لمثل هذه المنازل.

تحتوي بطاريات الرصاص الحمضية على كثافة طاقة 30 إلى 40Wh / kg و 60 إلى 70Wh / l. وهذا يعني أن نظام 20kWh سيزن 450 إلى 600kg ويأخذ 0.28 إلى 0.33 متر مكعب من المساحة (غير بما في ذلك حجم أو وزن غلاف الخلية والمعدات الأخرى). هذا الحجم قابل للإدارة لمعظم الأسر - سيكون مناسبًا تقريبًا في صندوق 1 x 1 x 0.3 متر - لكن الوزن سيعني أنه يجب أن يكون ثابتًا.

ايون الليثيوم

تعتمد البطارية الحالية القابلة لإعادة الشحن على حركة أيونات الليثيوم بين أنود الكربون المسامي وكاثود أكسيد معدن لي. تكوين الكاثود له تأثير كبير على أداء واستقرار البطارية.

حاليا الليثيوم والكوبالت أكسيد يعرض قدرة شحن متفوقة. ومع ذلك ، فإنه أكثر عرضة للكسر من البدائل ، مثل الليثيوم - titante أو الليثيوم - الحديد والفوسفات ، على الرغم من أن هذه القدرة أقل من الشحن.

أحد الأسباب الشائعة للأعطال هو تورم الكاثود حيث يتم إدخال أيونات اللي داخل هيكلها مع طلاء الأنود بمعدن الليثيوم ، والذي يمكن أن يصبح متفجر. فرصة حدوث انهيار يمكن تخفيض الحد من معدل تهمة / التفريغ، ولكن حالات من أجهزة الكمبيوتر المحمول أو الهاتف البطاريات ينفجر / اشتعلت النيران و ليس مكرر.

يعتمد عمر البطارية أيضًا بشكل كبير على الأنود والكاثود وتكوين المنحلات بالكهرباء. بشكل عام ، تتفوق فترة حياة Li-ion على بطاريات الرصاص الحمضية ، حيث يبلغ Tesla عن عمر 15 (دورات 5,000 ، في دورة واحدة في اليوم) لـ 10 kWh Powerwall ، على أساس قطب من الليثيوم والمنغنيز والكوبالت.

و10kWh تسلا Powerwall يزن 100kg ولها أبعاد 1.3 س س 0.86 0.18 متر. لذلك لأربعة أشخاص الأسرة المتوسطة سوف يتطلب وحدتين في سلسلة متصلة، التوصل إلى الوزن الكلي لل200kg و1.3 س س 1.72 0.18 متر أو 0.4 متر مكعب، وهي أخف من الرصاص الحمضية، ولكنه يأخذ مساحة أكبر.

تساوي هذه القيم 100Wh / kg و 50Wh / l ، وهي أقل من تلك التي تم الإبلاغ عنها لبطاريات أكسيد الكوبالت Li-cobalt (150-250Wh / kg و 250-360Wh / l) ، ولكن في النطاق المرتبط بالحياة الأطول والأكثر أمانًا لي -titanate (90Wh / kg) وفوسفات الحديد (80 إلى 120Wh / kg).

تحسينات في المستقبل لبطاريات ليثيوم

قد تعمل تقنيات البطاريات المستقبلية على تحسين هذه الأرقام بشكل أكبر. تعمل مختبرات الأبحاث في جميع أنحاء العالم على تحسين الطاقة المحددة ، وعمر وسلامة البطاريات المعتمدة على الليثيوم.

المجالات الرئيسية للبحث تشمل تغيير تكوين الكاثود ، مثل العمل مع ليثيوم الحديد الفوسفات or الليثيوم والمنغنيز والكوبالت، حيث يمكن أن تؤثر النسب المختلفة أو الهياكل الكيميائية للمواد بشكل كبير على الأداء.

يمكن أن يؤدي تغيير الإلكتروليت ، مثل استخدام السوائل العضوية أو الأيونية ، إلى تحسين الطاقة المحددة ، على الرغم من أنها يمكن أن تكون باهظة التكلفة وتتطلب تصنيعًا أكثر تحكماً ، كما هو الحال في بيئة خالية من الغبار أو الرطوبة / مقيدة.

استخدام المواد النانوية ، في شكل نظائر الكربون النانوية (الجرافين و أنابيب الكربون النانوية) أو النانوية، قد يحسن كلا من الكاثود والأنود. في الأنود ، يمكن أن يحل الجرافين أو الأنابيب النانوية الكربونية عالية الموصلية والقوة محل المواد الحالية ، التي هي الجرافيت أو خليط الكربون المنشط والجرافيت.

الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية المعرض مساحة العليا، أعلى الموصلية والاستقرار الميكانيكي أعلى من الكربون المنشط والجرافيت. التكوين الدقيق لمعظم مصاعد والقطب السالب حاليا سرا تجاريا، ولكن مستويات الإنتاج التجاري من أنابيب الكربون النانوية تلمح إلى أن معظم الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمول بطاريات لديها حاليا الأنابيب النانوية الكربونية كجزء من الأقطاب الكهربائية الخاصة بهم.

وقد أظهرت البطاريات القائمة على المختبر سعة تخزين مذهلة ، خاصة بالنسبة للطاقة المحددة (Wh / kg). ولكن في كثير من الأحيان تكون المواد باهظة الثمن أو يصعب تحديد حجم العملية إلى مستويات صناعية. مع مزيد من الانخفاض في تكلفة المواد وزيادة تبسيط التركيب ، لا شك في أن تطبيق المواد النانوية سيستمر في تحسين قدرة وعمر وسلامة بطاريات الليثيوم.

Lithium-air و Lithium-sulfur

Lithium-sulfur و lithium-air البطاريات هي تصاميم بديلة مع مبدأ أساسي مماثل لحركة ليثيوم أيون بين قطبين ، مع قدرات نظرية أعلى بكثير.

وفي كلتا الحالتين، يكون الأنود عبارة عن شريحة رقيقة من الليثيوم بينما يكون الكاثود Li?O؟ في اتصال مع الهواء في Li-air، والكبريت النشط في بطاريات Li-S. السعة القصوى المتوقعة هي 320Wh / كغ ليثيوم أيون، 500Wh / كغ ليثيوم-S و1,000Wh / كغ ليثيوم الهواء.

ترتبط الطاقات المحددة بوزن أخف من الليثيوم على الأنود والكاثود (استبدال الجرافيت / الكربون وأكاسيد الفلزات الانتقالية) وارتفاع الأكسدة المحتملة بين الأقطاب الكهربائية.

مع وجود الأنود في هذه البطاريات بمعدن الليثيوم ، فإن الكمية الكبيرة من الليثيوم المطلوبة لسلسلة بطارية 20kWh على نطاق سكني (18kg for Li-air و 36kg for Li-S) قد تحد من استخدامها للأجهزة الأصغر في المدى القصير إلى المتوسط مصطلح.

أيون الصوديوم والمغنيسيوم - أيون

الليثيوم لديها العدد الذري لل3 ويجلس في الصف 1 لل الجدول الدوري. مباشرة أدناه هو الصوديوم (نا ، العدد الذري 11).

تعتبر بطاريات N-ion كما بدائل قابلة للتطبيق على أيون، ويرجع ذلك أساسا إلى وفرة الصوديوم النسبية. يتكون الكاثود من أكسيد الفلزات الصوديوم ، مثل صوديوم-فوسفات الحديد ، بينما الأنود هو كربون مسامي. نظرا لحجم أيونات الصوديوم ، لا يمكن استخدام الجرافيت في الأنود ويتم البحث في المواد النانوية الكربونية كمواد الأنود. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كتلة الصوديوم أكبر من لي ، لذلك تكون سعة الشحن لكل وحدة كتلة وحجم أقل بشكل عام.

يقع المغنيسيوم على يمين الصوديوم في الجدول الدوري (Mg، العدد الذري 12) في الصف 2، مما يعني أنه يمكن أن يتواجد في محلول مثل Mg²؟ (مقارنة بـ Li¹؟ و Na¹؟). مع مضاعفة شحنة Na، فإن Mg قادر على إنتاج ضعف الطاقة الكهربائية لنفس الحجم.

تتكون بطارية Mg-ion من أنود Mg-sliver وأكاسيد أكسيد معدن Mg ، ولها توقع الحد الأقصى طاقة محددة 400 وات/كجم. عنق الزجاجة البحثي الحالي هو أن الشحنة المزدوجة على Mg²؟ يجعلها أكثر بطئًا في التحرك عبر المنحل بالكهرباء، وبالتالي إبطاء معدل الشحن.

بطاريات تدفق

وتتكون البطارية تدفق اثنين من خزانات مليئة بالكهرباء مفصولة غشاء تبادل البروتونوالذي يسمح بتدفق الإلكترونات وأيونات الهيدروجين ، لكنه يقيد خلط الإلكتروليت في خزانات التخزين. ومن أمثلة هذه الفاناديوم - الفاناديوم مع الكبريتات أو البروميد ، والزنك والبروم وال andيدروجين.

تتمتع بطاريات تدفق الفاناديوم بأعمار طويلة جدًا مع استقرار النظام. ويمكن رفعها إلى ما لا نهاية تقريباً ، ولكنها تتطلب مضخة لتدوير الإلكتروليت حول خزان التخزين. هذا يجعلها غير متحركة.

تحتوي بطاريات تدفق الفاناديوم على طاقات محددة في نطاق 10-20Wh / kg وكثافة طاقة 15-25Wh / l. وهذا يعني أنه لتشغيل وحدة 20kWh المنزلية ، ستحتاج إلى بطارية ذات كتلة 900-1800Kg ، والتي ستستهلك 0.8-1.33m³.

مع موثوقية عالية ولكن كتلة عالية ، فإن بطارية خلية تدفق الفاناديوم أكثر ملاءمة للتطبيقات الكبيرة مثل محطات الطاقة الصغيرة من الاستخدام السكني.

في المدى القصير ، من المحتمل أن تستمر بطاريات Li-ion في التحسن ، وقد تصل حتى إلى 320Wh / kg. تتمتع التقنيات المستقبلية بالقدرة على توفير طاقة و / أو كثافة طاقة أعلى ، ولكن من المتوقع أن تدخل السوق أولاً في الأجهزة الصغيرة قبل الانتقال إلى تخزين الطاقة السكنية.

نبذة عن الكاتب

كاميرون شيرر باحث مشارك في العلوم الفيزيائية في جامعة فلندرز. وهو يبحث حاليًا في تطبيق المواد النانوية في الخلايا والبطاريات الشمسية.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. إقرأ ال المقال الأصلي.