Berapa kepadatan energi teoretis tertinggi untuk baterai kimia?

23

Ini lebih merupakan pertanyaan fisika / kimia / nanoteknologi, tetapi apa densitas energi teoretis terbaik yang bisa Anda peroleh dari baterai kimia (atau sel bahan bakar), jika Anda dapat mengatur atom dengan cara apa pun yang Anda inginkan? Saya sedang memikirkan baterai nanoteknologi yang dijelaskan dalam Diamond Age . Bagaimana cara membandingkannya dengan teknologi saat ini?

Ini khusus tentang baterai kimia , yang dapat dibangun atom-demi-atom dalam keadaan terisi, bukan nuklir, antimateri, CAM , atau teknologi lebih eksotis lainnya.

energy storage battery-chemistry endolit
sumber
1
tergantung pada seberapa teoritis Anda ingin menjadi, baterai anti-mater akan menjadi yang tertinggi teoritis saya percaya ketika ketika bereaksi dengan mater Anda mendapatkan konversi yang sempurna atau hampir sempurna dari massa menjadi energi.
Markus
1
Apakah reaksi antimateri dihitung sebagai reaksi kimia?
endolith
4
@sybreon: Disiplin diatur oleh kemurnian.
Nick T
3
Meskipun ditutup sebagai duplikat dari pertanyaan ini, Apakah ada batasan jumlah kilo-watt jam yang dapat ditampung oleh baterai AAA (atau AA)? memiliki jawaban (seperti ini yang berbicara tentang kerapatan energi yang berkaitan dengan volume daripada berat, yang tampaknya menjadi fokus jawaban ini.)
Mark Booth
2
Seperti yang saya pahami, baterai Vanadium-Boride-Air memiliki kepadatan energi teoretis pada urutan 27kwh / liter, saya lupa apa yang berhasil dalam kwh / kg, tetapi bensin hanya ~ 10kwh / L. Ini tidak dapat diisi ulang, sejauh yang saya tahu. 27kwh / L mengalahkan segalanya untuk mendapatkan energi maksimum dalam ruang minimum. Dari sisi bobot (kwh / kg), saya pikir pemenangnya adalah Lithium-Air.
Sam

Jawaban:

16

Saya tidak tahu jawaban sebenarnya untuk pertanyaan ini, tetapi saya tahu paling tidak terikat pada jawaban, dan cara untuk mencari tahu jawaban yang sebenarnya.

Ilmuwan baterai memiliki metrik yang disebut energi spesifik teoretis maksimum; Anda dapat membaca tentang definisi dalam Baterai Lanjutan oleh Robert Huggins . Saat ini, baterai paling padat energi yang dapat Anda beli adalah ion lithium, yang berada dalam kisaran 100-200 Wh / kg. Saya tidak tahu apa baterai terbaik, tetapi kemudian dalam buku ini , Huggins menunjukkan perhitungan yang menunjukkan bahwa sel Li / CuCl 2 memiliki MTSE 1166,4 Wh / kg. (5x kapasitas baterai saat ini!)

Kita tahu bahwa MTSE tertinggi setidaknya 1.166,4 Wh / kg; Anda dapat menggunakan metodenya untuk menghitung nilai yang sama untuk kimia lain, tetapi ruang pencariannya cukup besar.

Saya juga melihat referensi di internet untuk Li / O 2 baterai dan Al / O 2 dengan MTSE masing-masing 2815 dan 5200 Wh / kg. Tidak yakin seberapa kredibel referensi tersebut. Referensi selanjutnya, seperti artikel 2008 ini dalam Jurnal Masyarakat Elektrokimia, menyarankan bahwa MTSE untuk sel Li / O 2 adalah sekitar 1400 Wh / kg.

pingswept
sumber
5
Sepertinya baterai yang menghirup udara seperti menipu perhitungan kepadatan energi dengan menggunakan sesuatu di luar baterai untuk membantu menyimpan energi (O2 di udara) tanpa menghitungnya dalam massa? Mereka menjadi lebih analog dengan mesin mobil daripada tangki bahan bakarnya.
Matt B.
@ MatB .: Ya, agak curang, tapi agak tidak. Saya senang itu disebutkan karena saya tidak memikirkannya.
endolith
"Dari berbagai pasangan kimia baterai logam-udara (Tabel 1), baterai Li-air adalah yang paling menarik karena reaksi pelepasan sel antara Li dan oksigen menghasilkan Li2O, menurut 4Li + O2 → 2Li2O, memiliki rangkaian terbuka tegangan 2,91 V dan energi spesifik teoretis 5210 Wh / kg. Dalam praktiknya, oksigen tidak disimpan dalam baterai, dan energi spesifik teoretis tidak termasuk oksigen adalah 11140 Wh / kg (40,1 MJ / kg). Bandingkan dengan gambar 44 MJ / kg untuk bensin (lihat konten energi bensin). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery
endolith
Ikatan atas dapat dicapai jika Anda memiliki sel kecil tetapi banyak bahan bakar.
user3528438
Juga ingat apa yang dijalankan sel bahan bakar pertama, bahan bakar dengan kepadatan termudah dan tertinggi untuk sel bahan bakar sampai hari ini.
user3528438
4

Jika kita ingin memperluas "baterai" berarti semacam perangkat yang menghasilkan listrik berdasarkan reaksi kimia (melalui cara ajaib ), batas atas 100% efisiensi akan menjadi entalpi kimia dari reaksi.

Perhitungan untuk baterai "gula + udara" teoretis:

  • Entalpi standar pembakaran glukosa: −2805 kJ / mol (saya pikir ini adalah jalan pintas di luar penguraian menjadi elemen standar?)
  • 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Tidak yakin senyawa apa yang paling padat secara kimiawi, tetapi Anda bisa memasukkannya ke dalamnya.

Sel bertenaga nuklir bisa jadi lebih ajaib, E = mc²:

  • 1 kg × c² = 2.5 × 10 ** 13 W · h
Nick T
sumber
Kimia-kimia lain ini harus ajaib karena tidak secara langsung mendorong elektron melalui logam?
endolith
1
Sebagian besar karena mereka bukan sel elektrokimia, sehingga konversi energi menjadi listrik harus terjadi dengan cara lain (mis. Pembangkit listrik atau pembangkit listrik ).
Nick T
Gula + Udara? Mengapa tidak, katakanlah, C4 + air?
Kevin Vermeer
3
C4 (atau TNT toh) kurang padat energi daripada gula. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
Matt B.
atau karbon-udara, dengan lebih sedikit hidrogen yang terlibat. Gunakan berlian sebagai karbon Anda? Berlian C12 murni, untuk berat badan rendah? :)
wbeaty
2

Baterai lithium / sulfur saat ini sekitar 350 Wh / kg. Dan karena itu tidak terhambat seperti banyak kimia yang terdaftar.

Berikut ini beberapa info terperinci: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

Glenn
sumber
1
Tidak ada matematika? Tidak ada kutipan?
Bort
1
@Glenn Sistem markup tampaknya telah merusak tautan Anda. Apakah Anda ingin mencoba lagi? Lebih disukai edit ke dalam jawaban Anda.
AaronD
Selesai Tolong maafkan saya. Saya baru di forum ini.
Glenn
0

sel bahan bakar akan memiliki densitas energi terapi yang lebih tinggi daripada baterai, tetapi kepadatan daya lebih rendah. di sisi lain, kapasitor akan memiliki kepadatan daya yang lebih tinggi tetapi kepadatan energi yang lebih rendah.

Pertimbangkan nilai-nilai teoretis ini

kepadatan energi = tegangan x kapasitas

kerapatan daya = tegangan x arus

kapasitas = Konstanta Faraday #elektron yang ditransfer (mis: 1 untuk baterai Li-ion) x 1 / MW

arus tergantung pada kapasitas dan tingkat debit. Misalnya pada laju C / 2, Anda akan mengeluarkan penuh dalam 2 jam, jadi jika total kapasitasnya 100 mAh / g, maka arus akan menjadi 50 mA untuk 1g. Katakanlah kita memiliki baterai 2V, maka Daya akan 100 mW untuk 1g. (juga kepadatan energi baterai ini akan menjadi 200 mWh / g)

tegangan = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (seperti pada Energi Gibbs Gratis) / (# biaya x Faraday const)

dalam kasus yang paling umum di mana Anda memiliki reduksi ion logam di anoda (termasuk Li-ion) E0anode adalah potensi reduksi logam, lihat di sini: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

misalnya: Li + + e− berada dalam kesetimbangan dengan Li (s) E0 = −3.0401 V

pertanyaan orang
sumber