Die jüngste Ankündigung von Tesla Powerwall, hat seine neue Lithium-Ionen (Li-Ion) basierte Wohnbatterie Speichersystem verursacht ganz Aufsehen. Es wirft auch die Möglichkeit des Gehens netzunabhängig, die sich auf Sonnenkollektoren verlassen, um Elektrizität zu erzeugen und sie mit ihrer eigenen Batterie zu speichern und sie bei Bedarf zu nutzen.

Die von Tesla verwendete Lithium-Ionen-Technologie ist jedoch nicht die einzige, die angeboten wird. In der Tat hat jede der verschiedenen Batterietechnologien ihre eigenen Stärken und Schwächen, und einige könnten Lithiumionen für Hausinstallationen sogar überlegen sein. Hier finden Sie eine kurze Übersicht über aktuelle Batterietechnologien und einige, die sich in der Entwicklung befinden.

Batterie-Leistung

Alle Akkus bestehen aus zwei Akkus Elektroden getrennt durch ein Elektrolyt (siehe Diagramm unten). An den beiden Elektroden treten zwei verschiedene reversible chemische Reaktionen auf. Während des Ladens wird eine "aktive Spezies" - dh ein geladenes Molekül, wie Lithiumionen für Li-Ionen-Batterien - in der Anode. Während der Entladung wandert dies in die Kathode. Die chemische Reaktion erfolgt bei a Potenzial welches benutzt werden kann, um eine externe Schaltung zu versorgen.

Jede Art von Batterietechnologie kann anhand einer Reihe von Kriterien beurteilt werden, beispielsweise:

• Wiederverwertbarkeit, dh wie oft es geladen und entladen werden kann

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• Energiedichte, die ein Maß für die pro Masseneinheit gespeicherte Energie ist, gemessen in Wattstunden (ein Maß, das eine Wattleistung über eine Stunde darstellt) pro Kilogramm (Wh / kg)

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

Welche Technologie eignet sich am besten für eine bestimmte Anwendung auf die Anforderungen dieser Rolle abhängt.

Blei-Säure

Die ursprüngliche wiederaufladbare Batterie besteht aus konzentrierter Schwefelsäure als Elektrolyt (H?SO?) und Blei (Pb) und Bleidioxid (PbO?) sowohl an der Anode als auch an der Kathode, die beim Laden und Entladen beide in Bleisulfat umgewandelt werden.

Blei-Säure-Batterien werden immer noch in Autos, Wohnwagen und in einigen elektrischen Relaisnetzen verwendet. Sie haben eine sehr hohe Recyclingfähigkeit und somit eine lange Lebensdauer. Dies wird durch die Verwendung bei kurzer Dauer und konstantes Laden - dh das Halten der Batterie bei fast 100% Ladung - unterstützt, wie es in einem Automobil auftritt. Umgekehrt verringert eine langsame Ladung und Entladung die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie erheblich.

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

Die Li-Ion Tesla Powerwall ist in 7-Kilowattstunden (kWh) oder 10kWh-Versionen erhältlich. Zum Vergleich betrachten wir, welche Batteriegröße benötigt wird, um einen Vier-Personen-Haushalt zu versorgen, der 20kWh pro Tag verbraucht, was ungefähr dem entspricht Nationaler Durchschnitt für solche Häuser.

Bleibatterien haben eine Energiedichte von 30 bis 40Wh / kg und 60 bis 70Wh / l. Das bedeutet, dass ein 20kWh-System 450 auf 600kg wiegt und 0.28 auf 0.33 Kubikmeter Platz einnimmt (ohne die Größe oder das Gewicht des Zellengehäuses und anderer Geräte). Dieses Volumen ist für die meisten Haushalte überschaubar - es würde grob in eine Box passen 1 x 1 x 0.3 Meter - aber das Gewicht bedeutet, dass es stationär sein muss.

Lithium-Ionen-

Die gegenwärtige wiederaufladbare Batterie basiert auf der Bewegung von Lithium (Li) -Ionen zwischen einer porösen Kohlenstoffanode und einer Li-Metalloxidkathode. Die Zusammensetzung der Kathode hat einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Batterie.

Zur Zeit Lithium-Kobalt-Oxid weist eine überlegene Ladekapazität auf. Es ist jedoch anfälliger für den Abbau als Alternativen wie Lithium-Titan oder Lithium-Eisen-Phosphat, obwohl diese eine niedrigere Ladekapazität haben.

Eine häufige Ursache von Fehlern ist das Quellen der Kathode, wenn Li-Ionen in ihre Struktur eingefügt werden, zusammen mit dem Plattieren der Anode mit Lithiummetall, das werden kann Sprengstoff. Die Chance einer Panne kann durch eine Begrenzung der Lade- / Entlade-Rate verringert werden, jedoch Instanzen von Laptop oder Handy-Batterien explodiert / Feuer fangen werden nicht ungewöhnlich.

Die Lebensdauer der Batterie hängt auch stark von der Zusammensetzung der Anode, der Kathode und des Elektrolyten ab. Im Allgemeinen sind die Lebensdauern von Li-Ionen Blei-Säure-Batterien überlegen, wobei Tesla eine Lebenszeit von 15 Jahren (5,000 Zyklen, bei einem Zyklus pro Tag) für seine 10 kWh Powerwall, basierend auf einer Lithium-Mangan-Kobalt-Elektrode.

Der 10kWh Tesla Powerwall wiegt 100kg und hat Abmessungen von 1.3 x 0.86 x 0.18 Meter. Also für einen durchschnittlichen Vier-Personen-Haushalt werden zwei Einheiten in Reihe geschaltet erfordern, kommen auf ein Gesamtgewicht von 200kg und 1.3 x 1.72 x 0.18 Meter oder 0.4 Kubikmeter, das leichter ist als Blei-Säure, aber mehr Platz in Anspruch nimmt.

Diese Werte entsprechen 100Wh / kg und 50Wh / l, die niedriger sind als die für Li-Cobaltoxid-Batterien (150-250Wh / kg und 250-360Wh / l) angegebenen Werte, jedoch in dem Bereich, der mit dem sichereren und länger haltbaren Li assoziiert ist -titanat (90Wh / kg) und Li-Eisenphosphat (80 bis 120Wh / kg).

Zukünftige Verbesserungen an Lithium-Batterien

Zukünftige Batterietechnologien könnten diese Zahlen weiter verbessern. Forschungslabore auf der ganzen Welt arbeiten daran, die spezifische Energie, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-basierten Batterien zu verbessern.

Zu den Hauptforschungsgebieten gehören die Veränderung der Zusammensetzung der Kathode, wie die Arbeit mit Lithium-Eisen-Phosphat or Lithium-Mangan-Kobalt, bei denen unterschiedliche Verhältnisse oder chemische Strukturen der Materialien die Leistung drastisch beeinflussen können.

Eine Veränderung des Elektrolyten, wie beispielsweise die Verwendung von organischen oder ionischen Flüssigkeiten, kann die spezifische Energie verbessern, obwohl diese Kosten untragbar sind und eine kontrolliertere Herstellung erfordern, wie in einer staubfreien oder feuchtigkeitskontrollierten / beschränkten Umgebung.

Die Verwendung von Nanomaterialien in Form von Kohlenstoffanaloga in Nanogröße (Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrenoder Nanopartikel, könnte sowohl die Kathode als auch die Anode verbessern. In der Anode können hochleitfähige und starke Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhren das aktuelle Material ersetzen, bei dem es sich um Graphit oder ein Gemisch aus aktiviertem porösem Kohlenstoff und Graphit handelt.

Graphene und Kohlenstoff-Nanoröhren weisen eine größere 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 andeuten, dass die meisten Telefon und Laptop-Batterien haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Teil ihrer Elektroden zur Zeit.

Laborbatterien haben eine unglaubliche Speicherkapazität gezeigt, insbesondere für spezifische Energie (Wh / kg). Aber oft sind die Materialien teuer oder das Verfahren ist schwierig auf industrielles Niveau zu skalieren. Mit der weiteren Senkung der Materialkosten und der weiteren Vereinfachung der Synthese besteht kein Zweifel daran, dass die Anwendung von Nanomaterialien die Kapazität, Lebensdauer und Sicherheit von Lithiumbatterien weiter verbessern wird.

Lithium-Luft und Lithium-Schwefel

Lithium-Schwefel und Lithium-Luft Batterien sind alternative Designs mit einem ähnlichen zugrunde liegenden Prinzip der Li-Ionen-Bewegung zwischen zwei Elektroden, mit viel höheren theoretischen Kapazitäten.

In beiden Fällen ist die Anode ein dünnes Stück Lithium, während die Kathode aus Li?O? in Kontakt mit Luft in Li-Luft und aktivem Schwefel in Li-S-Batterien. Vorhergesagte maximale Kapazitäten 320Wh / kg für Li-S und 500Wh / kg für Li-Luft sind 1,000Wh / kg für Li-ion,.

Die spezifischen Energien beziehen sich auf das geringere Gewicht von Lithium auf der Anode und der Kathode (anstelle von Graphit / Kohlenstoff- und Übergangsmetalloxiden) und auf das Hoch Redox Potenzial zwischen den Elektroden.

Da die Anode in diesen Batterien Lithiummetall ist, kann die große Menge an Lithium, die für ein 20kWh-Batteriepaket für den Wohnbereich benötigt wird (18kg für Li-Luft und 36kg für Li-S), ihre Verwendung auf kleinere Geräte im Kurz- bis Mittelformat beschränken Begriff.

Natrium-Ionen und Magnesium-Ionen

Lithium hat Ordnungszahl von 3 und sitzt in Reihe 1 der Periodensystem. Direkt darunter befindet sich Natrium (Na, Ordnungszahl 11).

Na-Ionen-Batterien gelten als brauchbare Alternativen zu Li-Ionen, hauptsächlich wegen der relativen Häufigkeit von Natrium. Die Kathode besteht aus Na-Metalloxid, wie Natrium-Eisen-Phosphat, während die Anode aus porösem Kohlenstoff besteht. Aufgrund der Größe von Na-Ionen kann Graphit nicht in der Anode verwendet werden und Kohlenstoff-Nanomaterialien werden als Anodenmaterialien erforscht. Zusätzlich ist die Natriummenge größer als Li, daher ist die Ladekapazität pro Massen- und Volumeneinheit im Allgemeinen niedriger.

Magnesium steht im Periodensystem (Mg, Ordnungszahl 12) in Zeile 2 rechts von Natrium, was bedeutet, dass es in Lösung als Mg² vorliegen kann? (im Vergleich zu Li¹? und Na¹?). Mit der doppelten Ladung von Na ist Mg in der Lage, für ein ähnliches Volumen die doppelte elektrische Energie zu erzeugen.

Die Mg-Ionen-Batterie besteht aus einer Mg-Splitter-Anode und einer Mg-Metalloxid-Kathode und weist a vorhergesagtes Maximum spezifische Energie von 400Wh/kg. Der aktuelle Forschungsengpass besteht darin, dass die doppelte Ladung des Mg²? Dadurch bewegt es sich langsamer durch den Elektrolyten und verlangsamt so die Ladegeschwindigkeit.

Flow-Batterien

Ein Flow-Batterie besteht aus zwei Lagertanks mit Elektrolyt durch eine getrennt gefüllt Protonenaustauschmembran, die den Fluss von Elektronen und Wasserstoffionen erlaubt, aber die Vermischung des Elektrolyten in den Lagertanks einschränkt. Beispiele hierfür sind Vanadium-Vanadium mit Sulfat oder Bromid, Zink-Brom und Brom-Wasserstoff.

Vanadium-Flow-Batterien haben eine sehr lange Lebensdauer, wobei das System sehr stabil ist. Sie können nahezu unbegrenzt hochskaliert werden, benötigen jedoch eine Pumpe, um den Elektrolyten um den Lagertank zu zirkulieren. Dies macht sie unbeweglich.

Vanadium-Flow-Batterien haben spezifische Energien im Bereich von 10-20Wh / kg und Energiedichte von 15-25Wh / l. Das heißt, um einen 20kWh-Haushalt mit Strom zu versorgen, benötigen Sie eine Batterie mit einer Masse von 900-1800Kg, die 0.8-1.33m³ aufnimmt.

Mit hoher Zuverlässigkeit, aber hoher Masse, eignet sich die Vanadium-Durchflusszellenbatterie eher für große Anwendungen wie kleine Kraftwerke als für Wohnzwecke.

Kurzfristig ist es wahrscheinlich, dass Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessert werden und sogar 320Wh / kg erreichen können. Zukünftige Technologien haben die Fähigkeit, eine noch höhere spezifische Energie und / oder Energiedichte zu liefern. Es wird jedoch erwartet, dass sie zuerst in kleineren Geräten auf den Markt kommen, bevor sie sich in Richtung Energiespeicherung für Wohngebäude bewegen.

Über den Autor

Cameron Shearer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in physikalischen Wissenschaften an der Flinders University. Derzeit erforscht er die Anwendung von Nanomaterialien in Solarzellen und Batterien.

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.