Morgen Batterietechnologien, die zu Hause versorgen könnten

Die jüngste Ankündigung von Tesla Powerwall, ihren neuen Lithium-Ionen (Li-Ion), basierend Wohnbatteriespeichersystem hat viel Aufsehen gesorgt. Es stellt sich auch die Möglichkeit, sich off-the-Grid, im Vertrauen auf Sonnenkollektoren zur Stromerzeugung und Speicherung mit eigener Batterie und Sie es auf Nachfrage.

Doch die Lithium-Ionen-Technologie von Tesla verwendet wird, ist nicht der einzige, im Angebot. In der Tat hat jeder der verschiedenen Batterietechnologien ihre eigenen Stärken und Schwächen, und einige könnten sogar überlegen Lithium-Ionen für Hausinstallationen sein. Hier ist ein kurzer Überblick über aktuelle Batterietechnologien, und einige, die in der Entwicklung sind.

Batterieleistung

Alle Akkus bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt (siehe Diagramm unten). Zwei verschiedene reversible chemische Reaktionen treten an den beiden Elektroden. Während des Ladevorgangs, eine "aktive Spezies" - dh ein geladenes Molekül ist, wie beispielsweise Lithium-Ionen für Li-Ionen-Batterien - wird in der Anode gelagert. Während der Entladung dieser wandert zur Kathode. Die chemische Reaktion erfolgt bei einem Potential, das verwendet werden kann, um einen externen Kreislauf zu versorgen.

Jede Art von Batterie-Technologie kann auf einer Anzahl von Kriterien, wie beurteilt:

Wiederverwertbarkeit, welche die Anzahl von Malen ist es geladen und entladen werden

Energiedichte, die ein Maß für die pro Masseneinheit gespeicherte Energie, gemessen in Watt-Stunden (eine Maßnahme, die ein Watt Leistung über eine Stunde) pro Kilogramm (Wh / kg) ist

Spezifische Dichte, die die pro Volumeneinheit gespeicherte Energie, gemessen in Wattstunden pro Liter (Wh / l).

Welche Technologie ist am besten für eine bestimmte Anwendung hängt von den Anforderungen dieser Rolle.

Blei-Säure-

Die ursprüngliche wiederaufladbaren Batterie besteht aus konzentrierter Schwefelsäure als Elektrolyt (H₂SO₄) und Blei (Pb) und Bleidioxid (PbO₂) sowohl auf der Anode und Kathode, die beide umgewandelt Sulfat während der Ladung und Entladung führen werden.

Blei-Säure-Batterien sind immer noch in Automobilen, Wohnwagen und in einigen elektrischen Relais-Netzen zum Einsatz. Sie haben eine sehr hohe Wiederverwertbarkeit, damit eine lange Lebensdauer. Dies wird durch die Verwendung kurzer Dauer und konstanter Lade geholfen - also immer halten Sie den Akku bei fast 100% der Kosten - beispielsweise in einem Automobile auf. Umgekehrt langsame Ladung und Entladung reduziert Blei-Säure-Batterie-Lebensdauer.

Obwohl Blei ist giftig und Schwefelsäure ist ätzend, ist die Batterie sehr robust und nur selten eine Gefahr für den Benutzer. Wenn jedoch in einer Wohnumgebung, die größere Größe und Volumen der Materialien benötigt werden auch die Gefahren zu erhöhen.

Die Lithium-Ionen-Tesla Powerwall kommt in 7 Kilowattstunden (kWh) oder 10 kWh Versionen. Für Vergleichszwecke werden wir uns, welche Größe Batterie erforderlich wäre, um einen Vier-Personen-Haushalt, die 20 kWh pro Tag, was etwa der nationale Durchschnitt für solche Häuser Strom verbraucht werden, zu suchen.

Blei-Säure-Batterien Energiedichte von 30 bis 40Wh / kg und 60 bis 70 Wh / l. Das bedeutet, eine 20 kWh-System 450 zu 600 kg wiegen und nehmen 0,28-0,33 Kubikmeter Raum (ohne die Größe und dem Gewicht des Zellengehäuses und anderen Geräten). Dieses Volumen ist überschaubar für die meisten Haushalte - es wäre in etwa in einer Box passen 1 x 1 x 0,3 m - aber das Gewicht wird bedeuten, dass es muss still stehen.

Lithium-Ionen-

Der Strom führenden wiederaufladbare Batterie von der Bewegung von Lithium (Li) Ionen zwischen einer porösen Kohlenstoffanode und einer Lithium-Metall-Oxid-Kathode basieren. Die Zusammensetzung der Kathode hat eine große Wirkung auf die Leistung und die Stabilität der Batterie.

Aktuelle Lithium-Cobalt-Oxid überlegene Ladekapazität. Es ist jedoch mehr störanfällig als Alternativen, wie beispielsweise Lithium-titante oder Lithium-Eisen-Phosphat, obwohl diese niedrigere Ladungskapazität.

Eine häufige Ursache für Fehler ist Schwellung der Kathode als Li-Ionen werden in ihrer Struktur zusammen mit der Beschichtung der Anode mit Lithiummetall, die explosionsgefährlich werden eingesetzt. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenbruchs kann durch Begrenzung der Lade / Entlade-Rate reduziert werden, aber Fälle von Laptop oder Handy-Batterien explodieren / Brand geraten sind keine Seltenheit.

Die Lebensdauer der Batterie hängt auch stark von der Anode, Kathode und Elektrolytzusammensetzung. Im Allgemeinen sind die Lebensdauern der Li-Ionen-Batterien überlegen Säure führen, wobei Tesla Berichterstattung eine Lebensdauer von 15 Jahren (5000 Zyklen, bei einem Zyklus pro Tag) für die 10 kWh Powerwall, auf der Basis eines Lithium-Mangan-Cobalt-Elektrode.

Die 10 kWh Tesla Powerwall wiegt 100kg und hat Abmessungen von 1,3 x 0,86 x 0,18 m. So für einen durchschnittlichen Vier-Personen-Haushalt zwei Einheiten in Reihe geschaltet benötigen, kommt zu einem Gesamtgewicht von 200 kg und 1,3 x 1,72 x 0,18 m oder 0,4 Kubikmetern, die leichter als Blei-Säure ist, aber mehr Raum einnimmt.

Diese Zeiten entsprechen 100 Wh / kg und 50Wh / l, was niedriger als die für Lithium-Kobalt-Oxid Batterien (150-250Wh / kg und 250-360Wh / l) angegeben sind, aber in dem Bereich mit dem sichereren und längere Lebensdauer Li zugeordnet -titanat (90Wh / kg) und Li-Eisen-Phosphat (80 bis 120Wh / kg).

Zukünftige Verbesserungen zu Lithium-Batterien

Zukünftige Batterietechnologien könnten diese Zahlen weiter zu verbessern. Forschungslabors auf der ganzen Welt zur Verbesserung der spezifischen Energie, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-basierten Batterien arbeiten.

Hauptgebiete der Forschung umfassen das Ändern Kathodenzusammensetzung, wie die Arbeiten mit Lithium-Eisen-Phosphat oder Lithium-Mangan-Cobalt, wobei unterschiedliche Verhältnisse oder chemischen Strukturen der Materialien kann drastisch die Leistung beeinflussen.

Verändern des Elektrolyten, beispielsweise unter Verwendung von organischen oder ionische Flüssigkeiten, die spezifische Energie zu verbessern, obwohl sie zu kostspielig und erfordern mehr kontrollierte Herstellung, wie in einem staubfreien oder feuchtigkeitskontrollierten / eingeschränkten Umgebung.

Die Verwendung von Nanomaterialien in Form von nanoskaligen Kohlenstoffanaloga (Graphen und Carbon Nanotubes) oder Nanopartikel, könnten sowohl die Kathode und die Anode zu verbessern. In der Anode, kann hoch leitfähigen und stark Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen die aktuelle Material, das Graphit oder ein Gemisch aktivierten porösen Kohlenstoff und Graphit zu ersetzen.

Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen weisen höhere Oberfläche, eine höhere Leitfähigkeit und eine höhere mechanische Stabilität als Aktivkohle und Graphit. Die genaue Zusammensetzung der meisten Anoden und Kathoden sind derzeit ein Geschäftsgeheimnis, aber die kommerziellen Produktionsmengen von Kohlenstoff-Nanoröhren deuten, dass die meisten Handy und Laptop-Batterien haben derzeit Kohlenstoff-Nanoröhren als Teil ihrer Elektroden.

Lab-basierte Batterien haben unglaubliche Speicherkapazität gezeigt, insbesondere für spezifische Energie (Wh / kg). Doch oft sind die Materialien teuer oder das Verfahren schwierig ist, die industrielle Ebenen zu skalieren. Bei weiterer Verringerung der Materialkosten und eine weitere Vereinfachung der Synthese gibt es keinen Zweifel daran, die Anwendung von Nanomaterialien werden weiterhin die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien auf Lithiumbasis zu verbessern.

Custom battery pack, Protection circuit modules