Thông báo gần đây của Tesla về Vách ngăn, hệ thống lưu trữ pin dân dụng dựa trên lithium-ion (Li-ion) mới đã gây ra khá khuấy động. Nó thậm chí còn làm tăng khả năng đi ra khỏi lưới điện, dựa vào các tấm pin mặt trời để tạo ra điện, và lưu trữ nó bằng pin của chính họ và sử dụng nó theo yêu cầu.

Tuy nhiên, công nghệ lithium-ion được Tesla sử dụng không phải là sản phẩm duy nhất được cung cấp. Trên thực tế, mỗi công nghệ pin khác nhau đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng, và một số thậm chí có thể vượt trội hơn so với lithium-ion khi lắp đặt tại nhà. Dưới đây là một cuộc khảo sát nhanh về các công nghệ pin hiện tại và một số công nghệ đang được phát triển.

pin

Tất cả pin sạc bao gồm hai điện cực cách nhau bởi một điện (xem sơ đồ bên dưới). Hai phản ứng hóa học thuận nghịch khác nhau xảy ra ở hai điện cực. Trong khi sạc, một loài hoạt động của người Viking, tức là một phân tử tích điện, chẳng hạn như các ion lithium cho pin Li-ion - được lưu trữ trong dương cực. Trong quá trình xả này di chuyển đến âm cực. Phản ứng hóa học xảy ra tại một tiềm năng có thể được sử dụng để cấp nguồn cho mạch ngoài.

Mỗi loại công nghệ pin có thể được đánh giá dựa trên một số tiêu chí, chẳng hạn như:

• Khả năng tái chế, là số lần có thể sạc và xả

  ---

  

  ---

• Mật độ năng lượng, là thước đo năng lượng được lưu trữ trên một đơn vị khối lượng, được đo bằng watt-giờ (thước đo đại diện cho một watt sản lượng điện trong một giờ) mỗi kg (Wh / kg)

• Mật độ cụ thể, là năng lượng được lưu trữ trên một đơn vị thể tích, được đo bằng watt-giờ trên lít (Wh / l).

Công nghệ nào phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào nhu cầu của vai trò đó.

Axit chì

Pin sạc ban đầu bao gồm axit sulfuric đậm đặc làm chất điện phân (H?SO?), chì (Pb) và chì dioxide (PbO?) trên cả cực dương và cực âm, cả hai đều được chuyển đổi thành chì sunfat trong quá trình sạc và phóng điện.

Pin chì-axit vẫn được sử dụng trong ô tô, đoàn lữ hành và trong một số lưới rơle điện. Chúng có khả năng tái chế rất cao, do đó có tuổi thọ dài. Điều này được hỗ trợ bằng cách sử dụng thời gian ngắn và sạc liên tục - tức là luôn giữ pin ở mức sạc gần 100% - chẳng hạn như xảy ra trong ô tô. Ngược lại, sạc chậm và xả làm giảm đáng kể tuổi thọ pin axit-chì.

Mặc dù chì là độc hại và axit sulfuric ăn mòn, pin rất mạnh mẽ và hiếm khi gây nguy hiểm cho người dùng. Tuy nhiên, nếu được sử dụng trong lắp đặt dân dụng, kích thước và khối lượng vật liệu cần thiết lớn hơn cũng sẽ làm tăng các mối nguy hiểm.

Li-ion Tesla Powerwall có các phiên bản 7 kilowatt-giờ (kWh) hoặc 10kWh. Để dễ so sánh, chúng tôi sẽ xem xét kích thước pin sẽ được yêu cầu để cung cấp năng lượng cho một hộ gia đình bốn người tiêu thụ 20kWh mỗi ngày, xấp xỉ trung bình quốc gia cho những ngôi nhà như vậy

Pin chì-axit có mật độ năng lượng từ 30 đến 40Wh / kg và 60 thành 70Wh / l. Điều này có nghĩa là hệ thống 20kWh sẽ cân 450 thành 600kg và chiếm 0.28 đến mét khối không gian (không bao gồm kích thước hoặc trọng lượng của vỏ tế bào và các thiết bị khác). Khối lượng này có thể quản lý được đối với hầu hết các hộ gia đình - nó sẽ vừa khít trong một hộp 0.33 x 1 x 1 - nhưng trọng lượng sẽ có nghĩa là nó phải đứng yên.

Lithium-ion

Pin sạc hàng đầu hiện nay dựa trên sự chuyển động của các ion lithium (Li) giữa cực dương carbon xốp và cực âm oxit kim loại Li. Thành phần của cực âm có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ ổn định của pin.

Hiện nay lithium-coban-oxit Thể hiện năng lực sạc vượt trội. Tuy nhiên, nó dễ bị hỏng hơn các lựa chọn thay thế, chẳng hạn như lithium-Titante hoặc lithium-iron-phosphate, mặc dù những thứ này có khả năng sạc thấp hơn.

Một nguyên nhân phổ biến của sự cố là do cực âm bị phồng lên khi các ion Li được chèn vào trong cấu trúc của nó cùng với sự mạ của cực dương với kim loại lithium, có thể trở thành nổ. Có thể giảm nguy cơ hỏng hóc bằng cách giới hạn tốc độ sạc / xả, nhưng các trường hợp pin máy tính hoặc điện thoại phát nổ / bắt lửa là không hiếm.

Tuổi thọ của pin cũng phụ thuộc nhiều vào thành phần cực dương, cực âm và chất điện phân. Nói chung, tuổi thọ của Li-ion vượt trội hơn so với pin axit chì, với Tesla báo cáo thời gian tồn tại là 15 năm (Chu kỳ 5,000, tại một chu kỳ mỗi ngày) cho Powerwall 10 kWh, dựa trên điện cực lithium-mangan-coban.

Tesla Powerwall 10kWh nặng 100kg và có kích thước mét 1.3 x 0.86 x 0.18. Vì vậy, đối với một hộ gia đình bốn người trung bình sẽ cần hai đơn vị được kết nối nối tiếp, với tổng trọng lượng là 200kg và 1.3 x 1.72 x 0.18 hoặc mét khối 0.4, nhẹ hơn axit chì, nhưng chiếm nhiều không gian hơn.

Các giá trị này tương đương với 100Wh / kg và 50Wh / l, thấp hơn so với báo cáo về pin oxit Li-coban (150-250Wh / kg và 250-360Wh / l), nhưng trong phạm vi liên quan đến tuổi thọ an toàn hơn và lâu hơn -titanate (90Wh / kg) và Li-iron phosphate (80 đến 120Wh / kg).

Những cải tiến trong tương lai đối với Pin Lithium

Các công nghệ pin trong tương lai có thể cải thiện những con số này hơn nữa. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực cải thiện năng lượng cụ thể, tuổi thọ và độ an toàn của pin dựa trên lithium.

Các lĩnh vực nghiên cứu chính bao gồm thay đổi thành phần catốt, chẳng hạn như công việc với lithium-sắt-phốt phát or lithium-mangan-coban, trong đó các tỷ lệ hoặc cấu trúc hóa học khác nhau của vật liệu có thể ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất.

Việc thay đổi chất điện phân, như sử dụng chất lỏng hữu cơ hoặc ion, có thể cải thiện năng lượng cụ thể, mặc dù chúng có thể bị cấm chi phí và yêu cầu chế tạo được kiểm soát nhiều hơn, như trong môi trường hạn chế / kiểm soát độ ẩm hoặc không có bụi.

Việc sử dụng vật liệu nano, dưới dạng các chất tương tự carbon nano (graphene và ống nano carbon) hoặc hạt nano, có thể cải thiện cả cực âm và cực dương. Trong cực dương, các ống nano graphene hoặc carbon có tính dẫn điện cao và mạnh có thể thay thế vật liệu hiện tại, đó là than chì hoặc hỗn hợp than hoạt tính xốp và than chì.

Các ống nano graphene và carbon thể hiện diện tích bề mặt cao hơn, độ dẫn cao hơn và độ ổn định cơ học cao hơn so với than hoạt tính và than chì. Thành phần chính xác của hầu hết cực dương và cực âm hiện là một bí mật thương mại, nhưng mức độ sản xuất thương mại của ống nano carbon gợi ý rằng hầu hết pin điện thoại và máy tính xách tay hiện có ống nano carbon là một phần của điện cực.

Pin dựa trên phòng thí nghiệm đã cho thấy khả năng lưu trữ đáng kinh ngạc, đặc biệt đối với năng lượng cụ thể (Wh / kg). Nhưng thường các vật liệu đắt tiền hoặc quá trình khó mở rộng đến cấp độ công nghiệp. Với việc giảm thêm chi phí vật liệu và đơn giản hóa hơn nữa quá trình tổng hợp, không còn nghi ngờ gì nữa, việc ứng dụng vật liệu nano sẽ tiếp tục cải thiện công suất, tuổi thọ và độ an toàn của pin dựa trên lithium.

Liti-air và liti-lưu huỳnh

Liti-lưu huỳnh và liti-không khí pin là những thiết kế xen kẽ với nguyên lý cơ bản tương tự chuyển động Li-ion giữa hai điện cực, với khả năng lý thuyết cao hơn nhiều.

Trong cả hai trường hợp, cực dương là một mảnh lithium mỏng trong khi cực âm là Li?O? tiếp xúc với không khí trong Li-air và lưu huỳnh hoạt tính trong pin Li-S. Công suất tối đa dự đoán là 320Wh / kg đối với Li-ion, 500Wh / kg đối với Li-S và 1,000Wh / kg đối với Li-air.

Các năng lượng cụ thể có liên quan đến trọng lượng nhẹ hơn của lithium trên cực dương và cực âm (thay thế các oxit than chì / carbon và kim loại chuyển tiếp) và cao oxi hóa khử tiềm năng giữa các điện cực.

Với cực dương trong các pin này là kim loại lithium, lượng lớn lithium cần cho một bộ pin 20kWh quy mô dân cư (18kg cho Li-air và 36kg cho Li-S) có thể giới hạn việc sử dụng chúng cho các thiết bị nhỏ hơn ở mức trung bình kỳ hạn.

Ion-ion và magiê-ion

Lithium có số nguyên tử là 3 và nằm trong hàng 1 của bảng tuần hoàn. Ngay bên dưới là Natri (Na, số nguyên tử 11).

Pin Na-ion được coi là lựa chọn thay thế khả thi cho Li-ion, chủ yếu là do sự phong phú tương đối của natri. Cực âm bao gồm oxit kim loại Na, chẳng hạn như natri-sắt-phốt phát, trong khi cực dương là cacbon xốp. Do kích thước của các ion Na, than chì không thể được sử dụng trong cực dương và vật liệu nano carbon đang được nghiên cứu làm vật liệu cực dương. Ngoài ra, khối lượng của Natri lớn hơn Li, do đó, khả năng sạc trên mỗi đơn vị khối lượng và thể tích thường thấp hơn.

Magiê nằm ở bên phải natri trên bảng tuần hoàn (Mg, số nguyên tử 12) ở hàng 2, nghĩa là nó có thể tồn tại trong dung dịch dưới dạng MgXNUMX? (so với Li¹? và Na¹?). Với điện tích gấp đôi Na, Mg có khả năng tạo ra năng lượng điện gấp đôi với cùng một thể tích.

Pin Mg-ion bao gồm cực dương cúi Mg và cực âm oxit kim loại Mg, và có một dự đoán tối đa năng lượng riêng 400Wh/kg. Điểm nghẽn trong nghiên cứu hiện nay là việc tích điện gấp đôi trên Mg²? làm cho nó di chuyển qua chất điện phân chậm hơn, do đó làm chậm tốc độ sạc.

Pin chảy

Một pin lưu lượng bao gồm hai bể chứa đầy chất điện phân cách nhau bởi một màng trao đổi proton, cho phép dòng điện tử và ion hydro, nhưng hạn chế sự pha trộn chất điện phân trong bể chứa. Ví dụ trong số này bao gồm vanadi-vanadi với sulphate hoặc bromide, kẽm-bromine và bromine-hydro.

Pin lưu lượng Vanadi có tuổi thọ rất dài với hệ thống rất ổn định. Chúng có thể được nâng cấp gần như vô thời hạn nhưng cần có một máy bơm để quay vòng chất điện phân xung quanh bể chứa. Điều này làm cho họ bất động.

Pin lưu lượng Vanadi có năng lượng riêng trong phạm vi 10-20Wh / kg và mật độ năng lượng của 15-25Wh / l. Điều đó có nghĩa là để cung cấp năng lượng cho hộ gia đình 20kWh, bạn cần một pin có khối lượng 900-1800Kg, sẽ chiếm 0.8-1.33m³.

Với độ tin cậy cao nhưng khối lượng lớn, pin tế bào dòng chảy vanadi phù hợp hơn cho các ứng dụng lớn như nhà máy điện nhỏ hơn là sử dụng dân dụng.

Trong ngắn hạn, nhiều khả năng pin Li-ion sẽ tiếp tục được cải thiện và thậm chí có thể đạt mức 320Wh / kg. Các công nghệ trong tương lai có khả năng cung cấp năng lượng cụ thể và / hoặc mật độ năng lượng cao hơn, nhưng dự kiến ​​sẽ thâm nhập thị trường trước tiên trong các thiết bị nhỏ hơn trước khi chuyển sang lưu trữ năng lượng dân cư.

Giới thiệu về Tác giả

Cameron Shearer là nghiên cứu viên khoa học vật lý tại Đại học Flinder. Ông hiện đang nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong pin mặt trời và pin.

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.