Технології майбутнього, які забезпечать енергією кожен будинок
Недавній анонс компанії «Тесла» про її новому літій-іонному (Li-Ion) акумуляторі, призначеному для домашніх систем енергопостачання, викликав справжній фурор. Ці батареї можна заряджати від сонячних джерел, а потім використовувати отриману енергію в господарських цілях. Проте, літій-іонний накопичувач - не єдиний пропонований компанією "Тесла" варіант. Кожна з різних акумуляторних технологій має свої сильні і слабкі сторони, а деякі, можливо, навіть перевершують її в частині застосування в домашніх умовах. Нижче наведено короткий огляд сучасних батарей. Деякі з них поки знаходяться в стадії розробки.
Содержание
Загальні відомості: що таке акумулятор
Всі акумуляторні батареї складаються з двох електродів, поміщених велектролітичні середу. При роботі на електродах відбуваються оборотні хімічні реакції. Під час зарядки заряджені молекули (наприклад, іони літію для літій-іонних акумуляторів) скупчуються на аноді. Під час розряду вони рухаються до катода. В результаті хімічної реакції виникає різниця потенціалів, яку можна використовувати для живлення навантаження.
Про акумуляторної технології зазвичай судять по ряду критеріїв, таких як:
- Кількість циклів зарядки-розрядки.
- Щільність енергії на одиницю маси, вимірюється в ват-годинах на кілограм (Вт ·- ч / кг).
- Питома щільність енергії на одиницю об`єму, вимірюється в ват-годинах на літр (Вт ·- ч / л).
Різні технології оптимально підходять для конкретного використання. Все залежить від технічних вимог. Отже, акумулятори бувають:
Свинцево-кислотні
Акумулятор містить концентровану сірчану кислоту (H SO ) в якості електроліту, свинець (Pb) і діоксид свинцю (PbO ) на анод і катод. Обидва перетворюється в сульфат свинцю під час зарядки і розрядки.
Свинцево-кислотні акумуляторні батареї використовуються в автомобілях і деяких інших електричних схемах. Вони служать довго. Нормальним режимом для свинцево-кислотного акумулятора є повна зарядка, - як це відбувається в автомобілях. Навпаки, рідкісна зміна циклу заряду і розряду значно знижує довговічність батареї.
Літій-іонний акумулятор Тесла PowerWall проводиться в 7 і 10 кіловат-годинний версіях. Щоб порівняти розміри батареї, необхідної для харчування енергетичних потреб сім`ї, що складається з 4 осіб, слід порахувати масу і об`єм свинцево-кислотного аналога.
При щільності від 30 до 40 Вт ·- ч / кг вийде, що система на 20 кВт·- ч важитиме 450-600 кг і займає 0,28 до 0,33 кубічних метрів простору (без розміру щита та іншого обладнання). Такі розміри і маса в принципі прийнятні для більшості сімей, але батарея буде стаціонарною.
Літій-іонні
Принцип заснований на русі іонів літію (Li) між пористим анодом з вуглецю і катодом з оксиду літію. Склад катода дуже впливає на продуктивність і стабільність батареї.
Літій-кобальт-оксидні батареї демонструють чудову здатність до заряду. Проте, вони сприйнятливі до старіння, ніж альтернативні варіанти.
Однією з поширених причин несправностей стає осипання катода, що може стати причиною пожежі. Імовірність поломки може бути знижена шляхом обмеження швидкості заряду / розряду, але, на жаль, випадки вибухів ноутбуків або телефонів нерідкі.
Термін служби батареї також сильно залежить від складу анода, катода і електроліту. Як правило, час життя літій-іонних акумуляторів більше, ніж свинцево-кислотних. Вона за даними фірми "Тесла" становить 15 років (5000 щоденних циклів).
акумулятор "Тесла" PowerWall 10kWh важить 100 кг і має розміри 1,3 х 0,86 х 0,18 м. Таким чином, будинок для середньої сім`ї з чотирьох осіб потребують два пристрої, підключених послідовно. Це складе 200 кг і 1,3 х 1,72 х 0,18 м або 0,4 кубічних метрів, що легше свинцево-кислотного акумулятора, але займає більше місця.
Перспективи покращення літієвих батарей
Прогресивні технології можуть незабаром поліпшити наведені вище цифри. Дослідницькі лабораторії по всьому світу працюють над удосконаленням в плані підвищення питомої енергії, довговічності і безпеки літієвих батарей.
Основні напрямки досліджень передбачають зміну складу катода і застосування нових композицій (літій-залізо-фосфату або марганцю-кобальту), різні співвідношення або хімічні структури яких можуть істотно вплинути на продуктивність.
Зміна складу електроліту, наприклад використання органічних або іонних рідин, може підвищити питому енергію, хоча вони можуть викликати також і неприпустиме збільшення виробничих витрат і більшої ретельності при виготовленні (особливі вимоги до чистоти і технологічної дисципліни та ін.)
нанотехнології
Застосування наноматеріалів у вигляді нанорозмірних вуглецевих аналогів (графена і вуглецевих нанотрубок або наночастинок), може поліпшити катод і анод.
Точний склад анодів і катодів в даний час є комерційною таємницею, але зростаюче виробництво вуглецевих нанотрубок наводить на думку про те, що більшість батарей для ноутбуків і телефонів в даний час проводиться з їх використанням в якості електродів.
Лабораторні батареї на їх основі показали неймовірно ємність, зокрема для питомої енергії. Але, на жаль, ці матеріали досить дороги, або процес важко піддається масовому технологічного впровадження. Немає ніяких сумнівів у тому, що при подальшому скороченні вартості матеріалів та спрощення виробництва застосування наноматеріалів буде сприяти збільшенню ємності, терміну служби і безпеки батарей, заснованих на літії.
проточні батареї
Така батарея складається з двох резервуарів, заповнених електролітом і розділених мембраною протонного обміну, яка дозволяє проходити потоку електронів та іонів водню, але обмежує перемішування електроліту. Проточні ванадієві акумулятори дуже довговічні і зберігають при цьому високу стабільність протягом всього терміну експлуатації. Конструктивно вони вимагають постійної роботи насоса, що забезпечує прокачування електроліту, що збільшує їх габарити.
Ванадієві проточні батареї характеризуються щільністю енергії 10-20 Вт ·- ч / кг і питомою щільністю енергії 15-25 Вт ·- ч / л. Це означає, що для того, щоб забезпечити господарство з навантаженням в 20 кВт ·- ч потрібно акумулятор з масою 900-1800 Кг, який займе обсяг від 0.8 до 1.33 м³-.
Висока надійність при великій масі - ця характеристика робить ванадієві проточні батареї більш придатними для використання на великих об`єктах (наприклад, на невеликих електростанціях), ніж в житлових будинках.
