เทคโนโลยีแบตเตอรี่แห่งอนาคตที่สามารถขับเคลื่อนบ้านของคุณได้

ประกาศล่าสุดโดยเทสลาของ PowerWallระบบจัดเก็บแบตเตอรี่สำหรับที่พักอาศัยแบบลิเธียมไอออน (Li-ion) แบบใหม่ได้ก่อให้เกิด ค่อนข้างกวน. มันยังเพิ่มโอกาสในการไป นอกระบบอาศัยแผงโซลาร์เซลล์ในการผลิตกระแสไฟฟ้า และจัดเก็บด้วยแบตเตอรี่ของตนเองและใช้งานตามต้องการ

ทว่าเทคโนโลยีลิเธียมไอออนที่เทสลาใช้ไม่ใช่เทคโนโลยีเดียวที่มีให้ อันที่จริง เทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบต่างๆ นั้นมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวเอง และบางเทคโนโลยีก็อาจเหนือกว่าลิเธียมไอออนสำหรับการติดตั้งในบ้านด้วยซ้ำ ต่อไปนี้คือการสำรวจอย่างรวดเร็วเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน และบางส่วนที่อยู่ในระหว่างการพัฒนา

พลังงานของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ทั้งหมดประกอบด้วยสองก้อน ขั้วไฟฟ้า คั่นด้วยไฟล์ อิเล็กโทร (ดูแผนภาพด้านล่าง) ปฏิกิริยาเคมีแบบผันกลับได้สองแบบที่แตกต่างกันเกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดทั้งสอง ขณะชาร์จ “สปีชีส์ที่เคลื่อนไหว” – กล่าวคือ โมเลกุลที่มีประจุ เช่น ลิเธียมไอออนสำหรับแบตเตอรี่ Li-ion – จะถูกเก็บไว้ใน ขั้วบวก. ในระหว่างการปลดปล่อยสิ่งนี้จะอพยพไปยัง แคโทด. ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่a ที่มีศักยภาพ ซึ่งสามารถนำไปใช้จ่ายไฟให้กับวงจรภายนอกได้

เทคโนโลยีแบตเตอรี่แต่ละประเภทสามารถตัดสินได้จากเกณฑ์หลายประการ เช่น

  • ความสามารถในการรีไซเคิลคือจำนวนครั้งที่สามารถชาร์จและระบายออกได้


    กราฟิกสมัครสมาชิกภายในตัวเอง


  • ความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นหน่วยวัดของพลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยมวล โดยวัดเป็นหน่วยวัตต์-ชั่วโมง (หน่วยวัดที่แทนวัตต์ของกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกในหนึ่งชั่วโมง) ต่อกิโลกรัม (Wh/kg)

  • ความหนาแน่นจำเพาะ ซึ่งเป็นพลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตร วัดเป็นวัตต์-ชั่วโมงต่อลิตร (Wh/l)

เทคโนโลยีใดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะขึ้นอยู่กับความต้องการของบทบาทนั้น

ตะกั่วกรด

The original rechargeable battery consists of concentrated sulphuric acid as the electrolyte (H?SO?), and lead (Pb) and lead dioxide (PbO?) on both the anode and cathode, which are both converted to lead sulphate during charge and discharge.

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดยังคงใช้ในรถยนต์ คาราวาน และในโครงข่ายรีเลย์ไฟฟ้าบางส่วน มีความสามารถในการรีไซเคิลได้สูงมาก จึงมีอายุการใช้งานยาวนาน สิ่งนี้ช่วยได้จากการใช้งานในระยะเวลาสั้นๆ และการชาร์จอย่างต่อเนื่อง เช่น การรักษาแบตเตอรี่ให้ชาร์จเกือบ 100% เสมอ เช่น เกิดขึ้นในรถยนต์ ในทางกลับกัน การชาร์จและการคายประจุที่ช้าจะลดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดลงอย่างมาก

แม้ว่าตะกั่วจะเป็นพิษและกรดซัลฟิวริกมีฤทธิ์กัดกร่อน แต่แบตเตอรี่ก็ทนทานมาก และแทบไม่เป็นอันตรายต่อผู้ใช้ อย่างไรก็ตาม หากใช้ในการติดตั้งที่อยู่อาศัย ขนาดและปริมาณวัสดุที่ต้องใช้มากขึ้นก็จะเพิ่มอันตรายเช่นกัน

Li-ion Tesla Powerwall มาในรุ่น 7 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) หรือ 10kWh เพื่อการเปรียบเทียบ เราจะพิจารณาว่าต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดเท่าใดเพื่อให้พลังงานแก่ครัวเรือนสี่คนที่ใช้พลังงาน 20kWh ต่อวัน ซึ่งประมาณ ค่าเฉลี่ยของประเทศ สำหรับบ้านดังกล่าว

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดมีความหนาแน่นพลังงาน 30 ถึง 40Wh/kg และ 60 ถึง 70Wh/l ซึ่งหมายความว่าระบบ 20kWh จะมีน้ำหนัก 450 ถึง 600 กก. และใช้พื้นที่ 0.28 ถึง 0.33 ลูกบาศก์เมตร (ไม่รวมขนาดหรือน้ำหนักของโครงเซลล์และอุปกรณ์อื่นๆ) ปริมาณนี้สามารถจัดการได้สำหรับครัวเรือนส่วนใหญ่ โดยจะพอดีกับกล่องขนาด 1 x 1 x 0.3 เมตร แต่น้ำหนักหมายความว่าจะต้องอยู่กับที่

ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ระดับพรีเมียร์ในปัจจุบันอิงตามการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียม (Li) ระหว่างแอโนดคาร์บอนที่มีรูพรุนและแคโทดลิเธียมออกไซด์ องค์ประกอบของแคโทดมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของแบตเตอรี่

ขณะนี้ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ แสดงความสามารถในการชาร์จที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม มีความอ่อนไหวต่อการสลายตัวมากกว่าทางเลือกอื่น เช่น ลิเธียม-ไททันต์ หรือลิเธียม-ไอรอน-ฟอสเฟต แม้ว่าจะมีความจุประจุต่ำกว่าก็ตาม

สาเหตุทั่วไปประการหนึ่งของความผิดพลาดคือการบวมของแคโทดเนื่องจาก Li ion ถูกแทรกเข้าไปในโครงสร้างพร้อมกับการชุบของขั้วบวกด้วยโลหะลิเธียมซึ่งจะกลายเป็น ระเบิด. โอกาสที่เครื่องเสียจะลดลงได้โดยการจำกัดอัตราการชาร์จ/คายประจุ แต่กรณีแบตเตอรี่แล็ปท็อปหรือโทรศัพท์ระเบิด/ติดไฟ ไม่ใช่เรื่องแปลก.

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของขั้วบวก แคโทด และอิเล็กโทรไลต์เป็นอย่างมาก โดยทั่วไป อายุการใช้งานของ Li-ion นั้นดีกว่าแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด โดย Tesla รายงานว่ามีอายุการใช้งาน 15 ปี (5,000 รอบ ที่หนึ่งรอบต่อวัน) สำหรับ Powerwall ขนาด 10 kWh ที่ใช้อิเล็กโทรดลิเธียม-แมงกานีส-โคบอลต์

10kWh Tesla Powerwall มีน้ำหนัก 100 กก. และมีขนาด 1.3 x 0.86 x 0.18 เมตร ดังนั้นสำหรับครัวเรือนสี่คนโดยเฉลี่ยจะต้องใช้เครื่องสองตัวที่เชื่อมต่อกันเป็นชุด โดยมีน้ำหนักรวม 200 กก. และ 1.3 x 1.72 x 0.18 เมตรหรือ 0.4 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งเบากว่ากรดตะกั่ว แต่ใช้พื้นที่มากกว่า

ค่าเหล่านี้เท่ากับ 100Wh/kg และ 50Wh/l ซึ่งต่ำกว่าที่รายงานสำหรับแบตเตอรี่ Li-cobalt oxide (150-250Wh/kg และ 250-360Wh/l) แต่อยู่ในช่วงที่เกี่ยวข้องกับ Li-cobalt oxide ที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและปลอดภัยกว่า -titanate (90Wh/kg) และ Li-iron phosphate (80 to 120Wh/kg)

การปรับปรุงในอนาคตสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ในอนาคตอาจปรับปรุงตัวเลขเหล่านี้ต่อไป ห้องปฏิบัติการวิจัยทั่วโลกกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงพลังงาน อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมโดยเฉพาะ

งานวิจัยหลักๆ ได้แก่ การเปลี่ยนองค์ประกอบแคโทด เช่น การทำงานกับ ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต or ลิเธียม-แมงกานีส-โคบอลต์ซึ่งอัตราส่วนหรือโครงสร้างทางเคมีที่แตกต่างกันของวัสดุอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน

การเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ เช่น การใช้ของเหลวอินทรีย์หรือของเหลวไอออนิก สามารถปรับปรุงพลังงานจำเพาะได้ ถึงแม้ว่าพลังงานเหล่านี้จะมีราคาที่จำกัดและต้องการการผลิตที่มีการควบคุมมากขึ้น เช่น ในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากฝุ่นหรือควบคุมความชื้น/ควบคุมความชื้น

การใช้วัสดุนาโนในรูปแบบของแอนะล็อกคาร์บอนนาโน (กราฟีน และ ท่อนาโนคาร์บอน) หรือ อนุภาคนาโนอาจปรับปรุงทั้งแคโทดและแอโนด ในขั้วบวก กราฟีนหรือท่อนาโนคาร์บอนที่มีการนำไฟฟ้าสูงและแข็งแรงสามารถแทนที่วัสดุปัจจุบัน ซึ่งเป็นกราไฟต์หรือส่วนผสมถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนและกราไฟท์

ท่อนาโนกราฟีนและคาร์บอนมีพื้นที่ผิวสูงกว่า การนำไฟฟ้าที่สูงขึ้น และความเสถียรทางกลสูงกว่าถ่านกัมมันต์และกราไฟต์ องค์ประกอบที่แน่นอนของแอโนดและแคโทดส่วนใหญ่เป็นความลับทางการค้า แต่ระดับการผลิตเชิงพาณิชย์ของท่อนาโนคาร์บอนบ่งชี้ว่าแบตเตอรี่โทรศัพท์และแล็ปท็อปส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีท่อนาโนคาร์บอนเป็นส่วนหนึ่งของอิเล็กโทรด

แบตเตอรี่ที่ใช้ในห้องแล็บมีความจุที่น่าทึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับพลังงานจำเพาะ (Wh/kg) แต่บ่อยครั้งที่วัสดุมีราคาแพงหรือกระบวนการยากต่อการปรับขนาดให้อยู่ในระดับอุตสาหกรรม ด้วยต้นทุนวัสดุที่ลดลงอีกและทำให้การสังเคราะห์ง่ายขึ้น ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการใช้วัสดุนาโนจะช่วยปรับปรุงความจุ อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียม

ลิเธียมอากาศและลิเธียมกำมะถัน

ลิเธียมกำมะถันและลิเธียมอากาศ แบตเตอรี่เป็นการออกแบบทางเลือกที่มีหลักการพื้นฐานคล้ายกันของการเคลื่อนที่ของ Li-ion ระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้ว โดยมีความจุทางทฤษฎีสูงกว่ามาก

In both cases, the anode is a thin sliver of lithium while the cathode is Li?O? in contact with air in Li-air, and active sulphur in Li-S batteries. ความจุสูงสุดที่คาดการณ์ไว้ คือ 320Wh/kg สำหรับ Li-ion, 500Wh/kg สำหรับ Li-S และ 1,000Wh/kg สำหรับ Li-air

พลังงานจำเพาะเกี่ยวข้องกับน้ำหนักที่เบากว่าของลิเธียมบนขั้วบวกและแคโทด (แทนที่กราไฟต์/คาร์บอนและโลหะทรานซิชันออกไซด์) และพลังงานสูง รีดอกซ์ ศักย์ระหว่างอิเล็กโทรด

เนื่องจากขั้วบวกในแบตเตอรี่เหล่านี้เป็นโลหะลิเธียม ลิเธียมจำนวนมากซึ่งจำเป็นสำหรับชุดแบตเตอรี่ขนาด 20kWh ในที่พักอาศัย (18 กก. สำหรับ Li-air และ 36 กก. สำหรับ Li-S) อาจจำกัดการใช้งานในอุปกรณ์ขนาดเล็กในระยะปานกลางถึงปานกลาง ภาคเรียน.

โซเดียม-ไอออนและแมกนีเซียม-ไอออน

ลิเธียมมีเลขอะตอม 3 และอยู่ในแถวที่ 1 ของ ตารางธาตุ. ด้านล่างคือโซเดียม (Na, เลขอะตอม 11)

แบตเตอรี่ Na-ion ถือเป็น ทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับ Li-ionสาเหตุหลักมาจากความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของโซเดียม แคโทดประกอบด้วย Na-metal ออกไซด์ เช่น โซเดียม-ไอรอน-ฟอสเฟต ในขณะที่แอโนดเป็นคาร์บอนที่มีรูพรุน เนื่องจากขนาดของไอออน Na กราไฟต์จึงไม่สามารถนำมาใช้ในแอโนดได้ และวัสดุนาโนคาร์บอนกำลังอยู่ในระหว่างการวิจัยเป็นวัสดุแอโนด นอกจากนี้ มวลของโซเดียมจะมากกว่า Li ดังนั้นความจุประจุต่อหน่วยมวลและปริมาตรโดยทั่วไปจึงต่ำกว่า

Magnesium sits to the right of sodium on the periodic table (Mg, atomic number 12) in row 2, which means it can exist in solution as Mg²? (compared to Li¹? and Na¹?). With double the charge of Na, Mg is capable of producing twice the electrical energy for a similar volume.

แบตเตอรี่ Mg-ion ประกอบด้วยขั้วบวก Mg-sliver และแคโทด Mg-metal oxide และมี สูงสุดที่คาดการณ์ไว้ specific energy of 400Wh/kg. The current research bottleneck is that the double charge on the Mg²? makes it more sluggish in moving through the electrolyte, thus slowing the charge rate.

ไหลแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ไหลประกอบด้วยถังเก็บสองถังที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์คั่นด้วยa เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนซึ่งช่วยให้การไหลของอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออน แต่จำกัดการผสมของอิเล็กโทรไลต์ในถังเก็บ ตัวอย่างของสิ่งเหล่านี้รวมถึงวาเนเดียม-วานาเดียมที่มีซัลเฟตหรือโบรไมด์ ซิงค์-โบรมีน และโบรมีน-ไฮโดรเจน

แบตเตอรี่วาเนเดียมโฟลว์มีอายุการใช้งานยาวนานมากโดยที่ระบบมีความเสถียรสูง สามารถเพิ่มสเกลได้เกือบจะไม่มีกำหนด แต่ต้องใช้ปั๊มเพื่อหมุนเวียนอิเล็กโทรไลต์รอบๆ ถังเก็บ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

แบตเตอรี่กระแสไฟวานาเดียมมีพลังงานเฉพาะในช่วง 10-20Wh/kg และความหนาแน่นของพลังงาน 15-25Wh/l นั่นหมายความว่าเพื่อให้พลังงานแก่ครัวเรือน 20kWh คุณต้องมีแบตเตอรี่ที่มีมวล 900-1800Kg ซึ่งจะใช้พื้นที่ 0.8-1.33m³

ด้วยความน่าเชื่อถือสูงแต่มีมวลสูง แบตเตอรี่วานาเดียมโฟลว์เซลล์จึงเหมาะสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ เช่น โรงไฟฟ้าขนาดเล็กมากกว่าการใช้งานในที่พักอาศัย

ในระยะสั้น มีแนวโน้มว่าแบตเตอรี่ Li-ion จะได้รับการปรับปรุงต่อไป และอาจถึง 320Wh/kg เทคโนโลยีในอนาคตมีความสามารถในการส่งพลังงานจำเพาะและ/หรือความหนาแน่นของพลังงานให้สูงขึ้น แต่คาดว่าจะเข้าสู่ตลาดก่อนในอุปกรณ์ขนาดเล็กก่อนที่จะมุ่งไปสู่การจัดเก็บพลังงานที่อยู่อาศัย

เกี่ยวกับผู้เขียนสนทนา

เชียเรอร์ คาเมรอนคาเมรอน เชียเรอร์ เป็นผู้ร่วมวิจัยด้านวิทยาศาสตร์กายภาพแห่งมหาวิทยาลัยฟลินเดอร์ส ปัจจุบันเขากำลังศึกษาการประยุกต์ใช้วัสดุนาโนในเซลล์แสงอาทิตย์และแบตเตอรี่

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.