집에 힘을 줄 수있는 내일의 배터리 기술

테슬라가 최근 발표 한 파워 월, 자사의 새로운 리튬 이온 (리튬 이온) 기반의 주거용 배터리 스토리지 시스템은 꽤 저주하다. 그것은 심지어 갈 가능성을 제기한다. 오프 - 더 - 그리드, 태양 전지 패널을 사용하여 전기를 생산하고, 자체 배터리로 저장하고 필요에 따라 사용합니다.

그러나 테슬라가 사용하는 리튬 이온 기술 만이 제공되는 것은 아닙니다. 사실, 다양한 배터리 기술은 각각 자체 강점과 약점을 가지고 있으며 일부는 가정용 설치의 경우 리튬 이온보다 우수 할 수도 있습니다. 현재 배터리 기술 및 개발중인 기술에 대한 간단한 설문 조사입니다.

배터리 전원

모든 충전식 배터리는 두 가지로 구성됩니다. 전극 ~에 의해 분리 된 전해질 (아래 도표 참조). 2 개의 상이한 가역적 화학 반응이 2 개의 전극에서 발생한다. 충전하는 동안, "활성 종"- 즉 리튬 이온 배터리 용 리튬 이온과 같은 충전 된 분자 -는 양극. 배출되는 동안 이것은 음극. 화학 반응은 가능성 외부 회로에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

각 유형의 배터리 기술은 다음과 같은 다양한 기준에 따라 판단 할 수 있습니다.

  • 충전 및 방전 할 수있는 회수 인 재활용 가능성


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  • 1 킬로그램 (Wh / kg) 당 와트 시간 (1 시간에 1 와트 출력을 나타내는 척도)으로 측정 된 단위 질량 당 저장되는 에너지의 측정치 인 에너지 밀도는,

  • 단위 밀도 당 저장되는 에너지 인 특정 밀도는 리터당 와트 - 시간 (Wh / l)으로 측정됩니다.

어떤 기술이 특정 애플리케이션에 가장 적합한지는 그 역할의 요구에 달려 있습니다.

납산

원래의 2차 전지는 전해질(H?SO?)로 진한 황산, 양극과 음극 모두에 납(Pb)과 이산화납(PbO?)으로 구성되어 있으며, 둘 다 충전 및 방전 중에 황산납으로 전환됩니다.

납산 배터리는 자동차, 캐러밴 및 일부 전기 계통 연계망에서 여전히 사용됩니다. 그들은 매우 높은 재활용 성을 가지고 있으며, 따라서 수명이 길다. 이는 단기간 사용과 일정 충전으로 도움을받습니다. 즉, 자동차에서 발생하는 것과 같이 항상 배터리를 거의 100 % 충전 상태로 유지합니다. 반대로, 느린 충전 및 방전은 납산 배터리 수명을 크게 줄입니다.

납은 유독하고 황산은 부식성이 있지만 배터리는 매우 견고하며 거의 사용자에게 위험을 초래합니다. 그러나 주거 지역에 설치하는 경우 필요한 재료의 크기와 양이 클수록 위험이 증가합니다.

Li-ion Tesla Powerwall은 7 킬로와트 - 시간 (kWh) 또는 10kWh 버전으로 제공됩니다. 비교를 위해 하루에 20kWh를 소비하는 4 인 가구에 전력을 공급하기 위해 필요한 배터리의 크기를 살펴볼 것입니다. 전국 평균 그런 가정을 위해.

납산 배터리의 에너지 밀도는 30 ~ 40Wh / kg이며 60 ~ 70Wh / l입니다. 즉, 20kWh 시스템은 450을 600kg까지 계량하고 0.28을 0.33m3의 공간 (셀 케이싱 및 기타 장비의 크기 또는 무게 제외)으로 사용합니다. 이 볼륨은 대부분의 가정에서 관리 할 수 ​​있습니다. 대략 1 x 1 x 0.3 미터의 상자에 들어갈 수 있지만 무게는 고정되어 있어야 함을 의미합니다.

리튬 이온

현재의 최고급 재충전 전지는 다공성 탄소 양극과 Li 금속 산화물 음극 사이의 리튬 (Li) 이온의 이동을 기반으로합니다. 음극의 조성은 전지의 성능 및 안정성에 큰 영향을 미친다.

현재 리튬 - 코발트 - 산화물 우수한 충전 용량을 나타낸다. 그러나, 이들은 리튬 - 티탄테 또는 리튬 - 철 - 인산염과 같은 대안보다 고장에 더 취약합니다.

결함의 하나의 공통 원인은 Li 이온이 리튬 금속과 함께 양극의 도금과 함께 그 구조 내에 삽입됨에 따라 음극의 팽창이며, 폭발물. 충 / 방전 률을 제한하여 고장 가능성을 줄일 수는 있지만 랩탑이나 전화 건전지의 폭발 / 포착 사례는 드문 일이 아니다.

배터리의 수명은 또한 양극, 음극 및 전해질 구성에 크게 의존합니다. 일반적으로 Li-ion의 수명은 연 산 배터리보다 우수하며 테슬라는 일생 15 년을보고합니다 (5,000주기, 하루에 한주기)은 리튬 - 망간 - 코발트 전극을 기준으로 한 10 kWh Powerwall에 사용됩니다.

10kWh Tesla Powerwall의 무게는 100kg이며 크기는 1.3 x 0.86 x 0.18 미터입니다. 따라서 평균 4 인 가구의 경우 두 대를 직렬로 연결해야합니다. 200kg 및 1.3 x 1.72 x 0.18 미터 또는 0.4 미터가 납 산보다 가볍지 만 더 많은 공간을 차지합니다.

이 값은 100Wh / kg 및 50Wh / l과 같지만 Li- 코발트 산화물 배터리 (150-250Wh / kg 및 250-360Wh / l)에 대해보고 된 값보다 낮지 만보다 안전하고 긴 수명의 리튬 (90Wh / kg) 및 인산 철 리튬 (80 ~ 120Wh / kg).

리튬 배터리의 향후 개선 사항

미래의 배터리 기술은 이러한 수치를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 전 세계의 연구실에서는 리튬 기반 배터리의 특정 에너지, 수명 및 안전성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

주요 연구 분야로는 음극 조성의 변화, 예를 들면 리튬 철 인산염 or 리튬 - 망간 - 코발트여기서 재료의 다른 비율이나 화학 구조가 성능에 크게 영향을 줄 수 있습니다.

유기물 또는 이온 성 액체를 사용하는 것과 같이 전해질을 변경하면 비용이 많이 들지만 먼지가 없거나 습도가 제한된 환경에서와 같이 제어 된 제조가 더 필요할 수 있지만 비 에너지를 향상시킬 수 있습니다.

나노 크기의 탄소 유사체의 형태로 나노 물질의 사용 (그래 핀탄소 나노 튜브) 또는 나노 입자양극 및 음극 모두를 개선시킬 수있다. 양극에서 전도성이 높고 강한 그라 핀 또는 탄소 나노 튜브는 흑연 또는 혼합물 활성화 된 다공성 탄소 및 흑연 인 현재 물질을 대체 할 수 있습니다.

그라 핀 및 탄소 나노 튜브는 활성 탄소 및 흑연보다 더 높은 표면적, 높은 전도성 및 더 높은 기계적 안정성을 나타낸다. 대부분의 양극과 음극의 정확한 조성은 현재 영업 비밀이지만 탄소 나노 튜브의 상업 생산 수준은 대부분의 전화 및 노트북 배터리가 현재 전극의 일부로 탄소 나노 튜브를 가지고 있음을 암시합니다.

실험실 기반 배터리는 특히 특정 에너지 (Wh / kg)에 대해 놀라운 저장 용량을 나타 냈습니다. 그러나 종종 재료가 비싸거나 공정을 산업 수준으로 확장하기가 어렵습니다. 재료비가 추가로 절감되고 합성이 더욱 단순화됨에 따라 나노 소재의 응용이 리튬 기반 배터리의 용량, 수명 및 안전성을 지속적으로 개선 할 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.

리튬 공기 및 리튬 황

리튬 - 황 및 리튬 - 공기 배터리는 이론적 인 용량이 훨씬 더 높은 두 전극 사이의 리튬 이온 이동 원리와 비슷한 대체 설계입니다.

두 경우 모두 양극은 리튬의 얇은 조각이고 음극은 Li?O?입니다. Li-공기에서는 공기와 접촉하고 Li-S 배터리에서는 활성 황과 접촉합니다. 예상 최대 용량 Li 이온의 경우 320Wh / kg, Li-S의 경우 500Wh / kg, Li-Air의 경우 1,000Wh / kg입니다.

특정 에너지는 애노드 및 캐소드 (흑연 / 탄소 및 전이 금속 산화물 대체)에서 리튬의 가벼운 무게와 관련이 있으며 높은 산화 환원 전극 사이의 전위.

이러한 배터리의 애노드가 리튬 금속 인 경우 주거용 크기의 20kWh 배터리 팩 (Li-air의 경우 18kg, Li-S의 경우 36kg)에 필요한 많은 양의 리튬이 단락에서 중형 기간.

나트륨 이온과 마그네슘 이온

리튬은 원자 번호가 3이고 1 행에 있습니다. 주기율표. 바로 아래에 나트륨 (Na, 원자 번호 11)이 있습니다.

Na 이온 배터리는 다음과 같이 간주됩니다. 리튬 이온에 대한 실행 가능한 대안주로 나트륨이 상대적으로 많기 때문이다. 음극은 다공성 탄소 인 반면, 음극은 나트륨 - 철 - 인산염과 같은 Na- 금속 산화물로 구성됩니다. Na 이온의 크기 때문에 흑연은 양극에 사용할 수 없으며 탄소 나노 재료는 음극 재료로 연구되고 있습니다. 또한 나트륨의 질량은 Li보다 커서 단위 질량 및 부피 당 충전 용량이 일반적으로 낮습니다.

마그네슘은 주기율표(Mg, 원자 번호 12)에서 2행의 나트륨 오른쪽에 위치합니다. 이는 용액에 Mg²로 존재할 수 있다는 의미입니다. (LiXNUMX? 및 NaXNUMX?과 비교). Na의 전하량이 두 배인 Mg는 비슷한 부피에 대해 두 배의 전기 에너지를 생산할 수 있습니다.

Mg 이온 전지는 Mg 슬리버 양극과 Mg 금속 산화물 음극으로 구성되며 예상 최대치 400Wh/kg의 비에너지. 현재 연구 병목 현상은 Mg²의 이중 전하입니다. 전해질을 통한 이동이 더 느려지므로 충전 속도가 느려집니다.

플로우 배터리

플로우 배터리는 두 개의 저장 탱크가 전해질로 채워져 있습니다. 양성자 교환 막이는 전자 및 수소 이온의 흐름을 허용하지만, 저장 탱크에서의 전해질의 혼합을 제한한다. 이들의 예로는 황산염 또는 브롬화물을 갖는 바나듐 - 바나듐, 아연 - 브롬 및 브롬 - 수소가있다.

바나듐 플로우 배터리는 시스템이 매우 안정적이어서 수명이 매우 깁니다. 그들은 거의 무한정 상향 조정될 수 있지만 저장 탱크 주변에서 전해질을 순환시키는 펌프가 필요합니다. 이것은 그들을 움직이지 않게 만든다.

바나듐 플로우 배터리는 10-20Wh / kg 범위의 에너지와 15-25Wh / l의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 즉, 20kWh 세대에 전원을 공급하려면 900-1800Kg의 질량을 갖는 배터리가 필요합니다.이 배터리는 0.8-1.33m³를 차지합니다.

높은 신뢰성과 높은 질량을 지닌 바나듐 플로우 셀 배터리는 주거용으로 사용되는 것보다 작은 발전소와 같은 대형 어플리케이션에 더 적합합니다.

단기적으로 리튬 이온 전지는 계속 개선 될 것이며 320Wh / kg에 도달 할 수도 있습니다. 미래 기술은보다 높은 비 에너지 및 / 또는 에너지 밀도를 제공 할 수있는 능력을 가지고 있지만 주거용 에너지 저장 장치로 이동하기 전에 먼저 소형 장치에서 시장에 진입 할 것으로 예상됩니다.

저자에 관하여대화

시어러 캐머런캐머런 시어러 (Cameron Shearer)는 플린 더스 대학교 (Flinders University)에서 물리 과학 연구원으로 재직 중이다. 그는 현재 태양 전지와 배터리에 나노 물질의 응용을 연구하고있다.

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