Tecnologías de la batería de mañana que sí pudo alimentar su casa

El reciente anuncio de Tesla de Powerwall, su nuevo sistema de almacenamiento de batería residencial de iones de litio (Li-ion), ha causado un gran revuelo. Incluso se plantea la posibilidad de ir fuera de la red, confiando en los paneles solares para generar electricidad, y almacenándola con su propia batería y usándola bajo demanda.

Sin embargo, la tecnología de iones de litio utilizada por Tesla no es la única que se ofrece. De hecho, cada una de las diversas tecnologías de baterías tiene sus propias fortalezas y debilidades, y algunas incluso pueden ser superiores a las de ion de litio para instalaciones domésticas. Aquí hay una encuesta rápida de las tecnologías actuales de la batería, y algunas que están en desarrollo.

Energía de la batería

Todas las baterías recargables consisten en dos electrodos separado por un electrólito (ver el diagrama a continuación). Se producen dos reacciones químicas reversibles diferentes en los dos electrodos. Durante la carga, una "especie activa", es decir, una molécula cargada, como los iones de litio para las baterías de iones de litio, se almacena en el ánodo. Durante la descarga, esto migra a la cátodo. La reacción química ocurre a posible que se puede usar para alimentar un circuito externo.

Cada tipo de tecnología de batería puede juzgarse según una serie de criterios, tales como:

  • Reciclabilidad, que es la cantidad de veces que se puede cargar y descargar


    gráfico de suscripción interior


  • La densidad de energía, que es una medida de la energía almacenada por unidad de masa, medida en vatios-hora (una medida que representa un vatio de potencia de salida durante una hora) por kilogramo (Wh / kg)

  • Densidad específica, que es la energía almacenada por unidad de volumen, medida en vatios-hora por litro (Wh / l).

¿Qué tecnología es el más adecuado para una aplicación particular depende de las exigencias de ese papel.

Plomo-ácido

La batería recargable original consta de ácido sulfúrico concentrado como electrolito (H?SO?) y plomo (Pb) y dióxido de plomo (PbO?) tanto en el ánodo como en el cátodo, que se convierten en sulfato de plomo durante la carga y descarga.

Las baterías de plomo-ácido todavía se usan en automóviles, caravanas y en algunas rejillas eléctricas. Tienen una reciclabilidad muy alta, por lo tanto, una larga vida útil. Esto es ayudado por el uso de corta duración y la carga constante, es decir, siempre manteniendo la batería a casi el X% de carga 100, como ocurre en los automóviles. Por el contrario, la carga y descarga lenta reduce significativamente la vida útil de la batería de plomo-ácido.

Aunque el plomo es tóxico y ácido sulfúrico es corrosivo, la batería es muy robusto y rara vez se presenta un peligro para el usuario. Sin embargo, si se utiliza en una instalación residencial, el mayor tamaño y volumen de los materiales requeridos también aumentará los riesgos.

El Li-ion Tesla Powerwall viene en 7 kilovatios-hora (kWh) o versiones 10kWh. A modo de comparación, veremos qué tamaño de batería se necesitaría para alimentar un hogar de cuatro personas que consume 20kWh por día, que es aproximadamente el promedio nacional para tales casas.

Las baterías de plomo tienen una densidad de energía de 30 a 40Wh / kg y 60 a 70Wh / l. Esto significa que un sistema 20kWh pesará 450 en 600kg y ocupará 0.28 en 0.33 metros cúbicos de espacio (sin incluir el tamaño o el peso de la carcasa de la celda y otros equipos). Este volumen es manejable para la mayoría de los hogares (podría ajustarse más o menos en una caja de 1 x 1 x 0.3 metros), pero el peso significará que debe estar estacionario.

Litio-ion

La batería recargable premier actual se basa en el movimiento de iones de litio (Li) entre un ánodo de carbón poroso y un cátodo de óxido de metal Li. La composición del cátodo tiene un gran efecto en el rendimiento y la estabilidad de la batería.

En la actualidad óxido de litio-cobalto exhibe una capacidad de carga superior. Sin embargo, es más susceptible a la descomposición que otras alternativas, como el litio titante o el fosfato de litio y hierro, aunque tienen una capacidad de carga inferior.

Una causa común de las fallas es la hinchazón del cátodo, ya que los iones de Li se insertan dentro de su estructura junto con el recubrimiento del ánodo con metal de litio, que puede convertirse en explosivo. La posibilidad de una ruptura puede reducirse mediante la limitación de la velocidad de carga / descarga, pero los casos de ordenador portátil o teléfono baterías de la explosión / fuego se captura no poco comun.

La vida útil de la batería también depende en gran medida del ánodo, el cátodo y la composición del electrolito. En general, la vida útil del Li-ion es superior a las baterías de plomo-ácido, con Tesla informando una vida útil de 15 años (Ciclos 5,000, en un ciclo por día) para su Powerwall 10 kWh, basado en un electrodo de litio-manganeso-cobalto.

El 10kWh Tesla Powerwall pesa 100kg y tiene unas dimensiones de 1.3 0.86 x x 0.18 metros. Así, por un promedio de cuatro personas por hogar requerirá dos unidades conectadas en serie, llegando a un peso total de 200kg y 1.3 1.72 x x 0.18 0.4 metros o metros cúbicos, lo que es más ligero que el plomo-ácido, pero ocupa más espacio.

Estos valores equivalen a 100Wh / kg y 50Wh / l, que son más bajos que los informados para las baterías de óxido de Li-cobalto (150-250Wh / kg y 250-360Wh / l), pero en el rango asociado con una vida útil más duradera y segura. -titanato (90Wh / kg) y fosfato de hierro Li (80 a 120Wh / kg).

Las mejoras futuras para las baterías de litio

Las futuras tecnologías de la batería podrían mejorar aún más estas cifras. Los laboratorios de investigación de todo el mundo están trabajando para mejorar la energía específica, la vida útil y la seguridad de las baterías basadas en litio.

Las principales áreas de investigación incluyen la modificación de la composición del cátodo, como el trabajo con de litio-hierro-fosfato or litio-manganeso-cobalto, donde diferentes relaciones o estructuras químicas de los materiales pueden afectar drásticamente el rendimiento.

Alterar el electrolito, como el uso de líquidos orgánicos o iónicos, puede mejorar la energía específica, aunque pueden ser prohibitivos en cuanto a los costos y requieren una fabricación más controlada, como en un entorno sin polvo o controlado por la humedad / restringido.

El uso de nanomateriales, en forma de análogos de carbono nanométricos (grafeno y nanotubos de carbon) o nanopartículas, podría mejorar tanto el cátodo como el ánodo. En el ánodo, los nanotubos de carbono o grafeno altamente conductivos y fuertes pueden reemplazar el material actual, que es grafito o una mezcla de carbón poroso activado y grafito.

Grafeno y nanotubos de carbono presentan mayor área superficial, mayor conductividad y una mayor estabilidad mecánica que el carbón activado y grafito. La composición exacta de la mayoría de los ánodos y cátodos son actualmente un secreto comercial, pero los niveles de producción comercial de los nanotubos de carbono insinuar que la mayoría de las baterías de los teléfonos portátiles y actualmente tienen los nanotubos de carbono como parte de sus electrodos.

Las baterías basadas en laboratorio han demostrado una increíble capacidad de almacenamiento, particularmente para energía específica (Wh / kg). Pero a menudo los materiales son caros o el proceso es difícil de escalar a niveles industriales. Con una mayor reducción en el costo del material y una mayor simplificación de la síntesis, no hay duda de que la aplicación de nanomateriales continuará mejorando la capacidad, la duración y la seguridad de las baterías basadas en litio.

Litio-aire y litio-azufre

Litio-azufre y litio-aire las baterías son diseños alternativos con un principio subyacente similar de movimiento de iones de litio entre dos electrodos, con capacidades teóricas mucho más altas.

En ambos casos, el ánodo es una fina lámina de litio mientras que el cátodo es Li?O? en contacto con el aire en las baterías Li-aire, y azufre activo en las baterías Li-S. Capacidad máxima prevista son 320Wh / kg de Li-ion, 500Wh / kg para el Li-S y 1,000Wh / kg para el Li-aire.

Las energías específicas están relacionadas con el peso más ligero del litio en el ánodo y el cátodo (reemplazando grafito / carbono y óxidos de metales de transición) y el alto redox potencial entre los electrodos.

Con el ánodo en estas baterías como metal de litio, la gran cantidad de litio requerida para una batería 20kWh de escala residencial (18kg para Li-air y 36kg para Li-S) puede limitar su uso a dispositivos más pequeños en el corto a mediano término.

Sodio-ion y Magnesio-ion

El litio tiene número atómico de 3 y se sienta en la fila de la 1 tabla periódica. Directamente debajo está el sodio (Na, número atómico 11).

Las baterías de iones de Na se consideran como alternativas viables al Li-ion, principalmente debido a la abundancia relativa de sodio. El cátodo consiste en óxido de Na-metal, como el fosfato de hierro y sodio, mientras que el ánodo es carbono poroso. Debido al tamaño de los iones de Na, el grafito no se puede utilizar en el ánodo y los nanomateriales de carbono se están investigando como materiales de ánodo. Además, la masa de Sodio es mayor que Li, por lo que la capacidad de carga por unidad de masa y volumen es generalmente menor.

El magnesio se encuentra a la derecha del sodio en la tabla periódica (Mg, número atómico 12) en la fila 2, lo que significa que puede existir en solución como Mg². (en comparación con Li¹? y Na¹?). Con el doble de carga que el Na, el Mg es capaz de producir el doble de energía eléctrica para un volumen similar.

La batería de iones de Mg consiste en un ánodo de fibra de magnesio y un cátodo de óxido de Mg-metal, y tiene un máximo previsto energía específica de 400Wh/kg. El obstáculo actual de la investigación es que ¿la doble carga del Mg²? hace que su movimiento a través del electrolito sea más lento, lo que ralentiza la velocidad de carga.

Las baterías de flujo

Una batería de flujo consiste en dos tanques de almacenamiento llenos de electrolito separadas por un membrana de intercambio de protones, que permite el flujo de electrones e iones de hidrógeno, pero restringe la mezcla del electrolito en los tanques de almacenamiento. Ejemplos de estos incluyen vanadio-vanadio con sulfato o bromuro, zinc-bromo y bromo-hidrógeno.

Las baterías de flujo de vanadio tienen una vida útil muy larga y el sistema es muy estable. Se pueden escalar de manera casi indefinida, pero requieren una bomba para ciclar el electrolito alrededor del tanque de almacenamiento. Esto los vuelve inmóviles.

Las baterías de flujo de vanadio tienen energías específicas en el rango de 10-20Wh / kg y densidad de energía de 15-25Wh / l. Eso significa que para alimentar un hogar 20kWh, necesitaría una batería con masa de 900-1800Kg, que ocupará 0.8-1.33m³.

Con alta confiabilidad pero alta masa, la batería de celda de flujo de vanadio es más adecuada para aplicaciones grandes como pequeñas centrales eléctricas que para uso residencial.

A corto plazo, es probable que las baterías de iones de litio continúen mejorando e incluso lleguen a 320Wh / kg. Las tecnologías futuras tienen la capacidad de entregar incluso mayor densidad específica de energía y / o energía, pero se espera que ingresen al mercado primero en dispositivos más pequeños antes de pasar al almacenamiento de energía residencial.

Sobre el AutorLa conversación

Cameron ShearerCameron Shearer es Investigador Asociado en Ciencias Físicas en la Universidad de Flinders. Actualmente investiga la aplicación de nanomateriales en células solares y baterías.

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