Tangazo la hivi karibuni la Tesla la Wallwall, mfumo wake mpya wa makazi ya betri ya lithiamu-ion (Li-ion), umesababisha koroga kabisa. Inaongeza hata uwezekano wa kwenda nje ya gridi ya taifa, kutegemea paneli za jua kutengeneza umeme, na kuzihifadhi na betri yao na kuitumia kwa mahitaji.

Bado teknolojia ya lithiamu-ioni inayotumiwa na Tesla sio pekee inayotolewa. Kwa kweli, kila teknolojia anuwai ya betri ina nguvu na udhaifu wake, na zingine zinaweza kuwa bora kuliko lithiamu-ion kwa usanikishaji wa nyumba. Hapa kuna uchunguzi wa haraka wa teknolojia za sasa za betri, na zingine ambazo ziko kwenye maendeleo.

Nguvu ya Battery

Betri zote zinazoweza kuchajiwa zina mbili elektroni kutengwa na elektroliti (angalia mchoro hapa chini). Athari mbili za kemikali zinazoweza kubadilishwa hufanyika kwa elektroni mbili. Wakati wa kuchaji, "spishi inayotumika" - yaani molekuli inayochajiwa, kama vile ioni za lithiamu kwa betri za Li-ion - huhifadhiwa kwenye anode. Wakati wa kutokwa, hii huhamia cathode. Mmenyuko wa kemikali hufanyika kwa uwezo ambayo inaweza kutumika kuwezesha mzunguko wa nje.

Kila aina ya teknolojia ya betri inaweza kuhukumiwa kwa vigezo kadhaa, kama vile:

• Upyaji upya, ambayo ni idadi ya nyakati ambazo zinaweza kushtakiwa na kuruhusiwa

  ---

  

  ---

• Uzito wa nishati, ambayo ni kipimo cha nishati iliyohifadhiwa kwa kila kitengo cha kipimo, kilichopimwa kwa masaa ya Watt (kipimo kinachowakilisha Watt ya pato la nguvu zaidi ya saa) kwa kilo (Wh / kg)

• Uzito maalum, ambayo ni nishati iliyohifadhiwa kwa ujazo wa kitengo, kipimo katika masaa ya Watt kwa lita (Wh / l).

Ni teknolojia gani inayofaa zaidi kwa programu fulani inategemea mahitaji ya jukumu hilo.

Asidi-asidi

Betri asili inayoweza kuchajiwa upya ina asidi ya sulfuriki iliyokolea kama elektroliti (H?SO?), na risasi (Pb) na dioksidi risasi (PbO?) kwenye anodi na cathode, ambazo zote hubadilishwa kuwa salfa ya risasi wakati wa chaji na usaha.

Betri za asidi ya risasi bado hutumiwa katika magari, misafara na katika gridi za umeme za kupokezana. Wana urekebishaji wa hali ya juu sana, kwa hivyo maisha marefu. Hii inasaidiwa na matumizi ya muda mfupi na kuchaji mara kwa mara - yaani kila wakati kuweka betri karibu na malipo ya 100% - kama vile inavyotokea kwenye magari. Kinyume chake, malipo ya polepole na kutokwa hupunguza maisha ya betri ya asidi-risasi.

Ingawa risasi ni sumu na asidi ya sulfuriki inaharibu, betri ina nguvu sana na mara chache hutoa hatari kwa mtumiaji. Walakini, ikitumika katika usanikishaji wa makazi, saizi kubwa na ujazo wa vifaa vinavyohitajika pia itaongeza hatari.

Li-ion Tesla Powerwall inakuja kwa masaa 7 ya kilowatt (kWh) au 10kWh. Kwa sababu ya kulinganisha, tutaangalia ni saizi gani ya betri itahitajika kuongezea nguvu ya watu wanne ambao hutumia 20kWh kwa siku, ambayo ni karibu wastani wa kitaifa kwa nyumba kama hizo.

Betri za asidi-risasi zina msongamano wa nishati wa 30 hadi 40Wh / kg na 60 hadi 70Wh / l. Hii inamaanisha mfumo wa 20kWh utakuwa na uzito wa 450 hadi 600kg na kuchukua nafasi ya mita za ujazo 0.28 hadi 0.33 (bila kujumuisha saizi au uzito wa casing ya seli na vifaa vingine). Kiasi hiki kinaweza kudhibitiwa kwa kaya nyingi - kinaweza kutoshea kwenye kisanduku 1 x 1 x mita 0.3 - lakini uzani utamaanisha kuwa lazima iwe imesimama.

Lithium-ion

Batri ya sasa ya malipo inayoweza kuchajiwa inategemea harakati za ioni za lithiamu (Li) kati ya anode ya kaboni na porini ya Li-metali ya oksidi. Utungaji wa cathode una athari kubwa juu ya utendaji na utulivu wa betri.

Hivi sasa lithiamu-cobalt-oksidi inaonyesha uwezo wa malipo ya juu. Walakini, inahusika zaidi na kuvunjika kuliko njia mbadala, kama vile lithiamu-titante au lithiamu-chuma-phosphate, ingawa hizi zina uwezo wa chini wa kuchaji.

Sababu moja ya kawaida ya makosa ni uvimbe wa cathode wakati Li ions zinaingizwa ndani ya muundo wake pamoja na mipako ya anode na chuma cha lithiamu, ambayo inaweza kuwa kulipuka. Nafasi ya kuvunjika inaweza kupunguzwa kwa kupunguza kiwango cha malipo / kutokwa, lakini visa vya betri za mbali au simu zinazolipuka / kuwaka moto ni sio kawaida.

Uhai wa betri pia inategemea sana anode, cathode na muundo wa elektroliti. Kwa ujumla, wakati wa maisha wa Li-ion ni bora kuliko betri za asidi-risasi, na Tesla inaripoti maisha ya miaka 15 (Mizunguko 5,000, kwa mzunguko mmoja kwa siku) kwa Powerwall yake 10 kWh, kulingana na elektroni ya lithiamu-manganese-cobalt.

10kWh Tesla Powerwall ina uzito wa 100kg na ina vipimo vya 1.3 x 0.86 x 0.18 mita. Kwa hivyo kwa kaya ya wastani ya watu wanne itahitaji vitengo viwili vilivyounganishwa katika safu, na kufikia jumla ya uzito wa 200kg na 1.3 x 1.72 x mita 0.18 au mita za ujazo 0.4, ambayo ni nyepesi kuliko asidi-risasi, lakini inachukua nafasi zaidi.

Thamani hizi ni sawa na 100Wh / kg na 50Wh / l, ambazo ni za chini kuliko ile iliyoripotiwa kwa betri za oksidi za Li-cobalt (150-250Wh / kg na 250-360Wh / l), lakini katika anuwai inayohusishwa na maisha salama na ya muda mrefu Li -titanate (90Wh / kg) na Li-iron phosphate (80 hadi 120Wh / kg).

Uboreshaji wa Baadaye Kwa Batri za Lithiamu

Teknolojia za baadaye za betri zinaweza kuboresha nambari hizi zaidi. Maabara ya utafiti kote ulimwenguni wanafanya kazi ili kuboresha nishati maalum, maisha na usalama wa betri zenye msingi wa lithiamu.

Sehemu kuu za utafiti ni pamoja na kubadilisha muundo wa cathode, kama vile kazi na lithiamu-chuma-phosphate or lithiamu-manganese-cobalt, ambapo uwiano tofauti au muundo wa kemikali wa vifaa vinaweza kuathiri sana utendaji.

Kubadilisha elektroli, kama vile kutumia maji ya kikaboni au ya ioniki, inaweza kuboresha nishati maalum, ingawa inaweza kuwa na gharama kubwa na inahitaji uzushi unaodhibitiwa zaidi, kama vile katika mazingira yasiyotiwa na vumbi au unyevu.

Matumizi ya nanomaterials, kwa njia ya analogues za kaboni zilizosababishwa (graphene na nanotubes kaboni) Au vifungu, inaweza kuboresha cathode na anode. Katika anode, graphene yenye nguvu na yenye nguvu au nanotubes ya kaboni inaweza kuchukua nafasi ya nyenzo ya sasa, ambayo ni grafiti au mchanganyiko ulioamilishwa kaboni ya porous na grafiti.

Graphene na nanotubes ya kaboni huonyesha eneo la juu zaidi, upeo wa hali ya juu na utulivu wa mitambo kuliko kaboni na grafiti. Utungaji halisi wa anode na cathode nyingi kwa sasa ni siri ya biashara, lakini viwango vya uzalishaji wa kibiashara vya nanotubes za kaboni hudokeza kwamba betri nyingi za simu na kompyuta ndogo kwa sasa zina nanotubes za kaboni kama sehemu ya elektroni zao.

Betri zilizo kwenye maabara zimeonyesha uwezo mzuri wa kuhifadhi, haswa kwa nishati maalum (Wh / kg). Lakini mara nyingi vifaa ni ghali au mchakato ni ngumu kupima viwango vya viwandani. Kwa kupunguzwa zaidi kwa gharama ya vifaa na kurahisisha zaidi usanisi, hakuna shaka utumiaji wa vifaa vya nanomatiri vitaendelea kuboresha uwezo, maisha na usalama wa betri za lithiamu.

Lithiamu-hewa na Lithium-sulfuri

Lithiamu-sulfuri na lithiamu-hewa betri ni miundo mbadala na kanuni sawa ya msingi wa harakati ya Li-ion kati ya elektroni mbili, na uwezo mkubwa zaidi wa kinadharia.

Katika visa vyote viwili, anode ni kijiti chembamba cha lithiamu huku kathodi ni Li?O? katika kuwasiliana na hewa katika Li-hewa, na sulfuri hai katika betri za Li-S. Uwezo wa kiwango cha juu kilichotabiriwa ni 320Wh / kg kwa Li-ion, 500Wh / kg kwa Li-S na 1,000Wh / kg kwa Li-air.

Nguvu maalum zinahusiana na uzani mwepesi wa lithiamu kwenye anode na cathode (kuchukua nafasi ya grafiti / kaboni na oksidi za chuma za mpito) na redox uwezo kati ya elektroni.

Pamoja na anode kwenye betri hizi kuwa chuma cha lithiamu, idadi kubwa ya lithiamu inayohitajika kwa kiwango cha makazi cha 20kWh pakiti ya betri (18kg kwa Li-air na 36kg kwa Li-S) inaweza kupunguza matumizi yao kwa vifaa vidogo kwa muda mfupi-kati mrefu.

Sodiamu-ioni Na Magnesiamu-ioni

Lithiamu ina nambari ya atomiki ya 3 na inakaa katika safu ya 1 ya meza ya mara kwa mara. Moja kwa moja chini ni Sodiamu (Na, nambari ya atomiki 11).

Betri za Na-ion huzingatiwa kama njia mbadala inayofaa kwa Li-ion, haswa kwa sababu ya wingi wa sodiamu. Cathode hiyo ina oksidi ya Na-chuma, kama sodiamu-chuma-phosphate, wakati anode ni kaboni ya porous. Kwa sababu ya saizi ya Na ions, grafiti haiwezi kutumika katika anode na nanomaterials za kaboni zinatafitiwa kama vifaa vya anode. Kwa kuongezea molekuli ya Sodiamu ni kubwa kuliko Li, kwa hivyo uwezo wa kuchaji kwa kila kitengo cha molekuli na ujazo kwa ujumla ni chini.

Magnesiamu inakaa upande wa kulia wa sodiamu kwenye jedwali la upimaji (Mg, nambari ya atomiki 12) katika safu ya 2, ambayo inamaanisha inaweza kuwa katika suluhisho kama Mg²? (ikilinganishwa na Li¹? na Na¹?). Ikiwa na chaji mara mbili ya Na, Mg ina uwezo wa kutoa nishati ya umeme mara mbili kwa ujazo sawa.

Betri ya Mg-ion ina an Mg-sliver anode na Mg-metal oxide cathode, na ina kiwango cha juu kilichotabiriwa nishati maalum ya 400Wh/kg. Shida ya sasa ya utafiti ni kwamba malipo mara mbili kwenye Mg²? huifanya kuwa ya uvivu zaidi katika kusonga kupitia elektroliti, na hivyo kupunguza kasi ya malipo.

Betri za mtiririko

Betri ya mtiririko ina mizinga miwili ya kuhifadhi iliyojazwa na elektroliti iliyojitenga na utando wa ubadilishaji wa protoni, ambayo inaruhusu mtiririko wa elektroni na ioni za haidrojeni, lakini inazuia uchanganyaji wa elektroliti kwenye mizinga ya uhifadhi. Mifano ya haya ni pamoja na vanadium-vanadium na sulphate au bromidi, zinki-bromini na bromini-hidrojeni.

Batri za mtiririko wa Vanadium zina muda mrefu sana wa maisha na mfumo kuwa thabiti sana. Wanaweza kuinuliwa karibu bila kikomo lakini wanahitaji pampu kuzungusha elektroliti karibu na tanki la kuhifadhi. Hii inawafanya wasisimame.

Batri za mtiririko wa Vanadium zina nguvu maalum katika kiwango cha 10-20Wh / kg na wiani wa nishati ya 15-25Wh / l. Hiyo inamaanisha ili kuwezesha kaya ya 20kWh, utahitaji betri yenye uzito wa 900-1800Kg, ambayo itachukua 0.8-1.33m³.

Kwa kuegemea sana lakini molekuli kubwa, betri ya seli ya mtiririko wa vanadium inafaa zaidi kwa matumizi makubwa kama mimea ndogo ya umeme kuliko matumizi ya makazi.

Kwa muda mfupi kuna uwezekano kwamba betri za Li-ion zitaendelea kuboreshwa, na zinaweza hata kufikia 320Wh / kg. Teknolojia za siku za usoni zina uwezo wa kutoa nishati maalum zaidi na / au wiani wa nishati, lakini zinatarajiwa kuingia sokoni kwanza kwa vifaa vidogo kabla ya kuelekea uhifadhi wa nishati ya makazi.

Kuhusu Mwandishi

Cameron Shearer ni Mshirika wa Utafiti katika Sayansi ya Kimwili katika Chuo Kikuu cha Flinders. Hivi sasa anatafiti matumizi ya nanomaterials kwenye seli za jua na betri.

Makala hii ilichapishwa awali Mazungumzo. Soma awali ya makala.