Яка найвища теоретична щільність енергії для хімічної батареї?


23

Це більше питання фізики / хімії / нанотехнологій, але яка теоретична найкраща щільність енергії, яку ви могли б отримати з хімічної батареї (або паливного елемента), якби ви могли організувати атоми будь-яким способом, який ви хотіли? Я думаю про нанотехнологічні акумулятори, описані в Diamond Age . Як вона порівнюється з сучасними технологіями?

Йдеться конкретно про хімічні батареї, які можуть бути побудовані атом за атомом у зарядженому стані, а не ядерні, антиматеріальні, САМР чи інші екзотичні технології.


1
Залежно від того, наскільки теоретичним ви хочете бути, анти-маторна батарея буде найвищою теоретичною, я вважаю, що коли вона реагує на матер, ви отримуєте ідеальне або майже ідеальне перетворення маси від енергії.
Марк

1
Чи вважаються реакції протиматеріальної речовини хімічними?
ендоліт


3
Незважаючи на те, що це дублікат цього питання, чи існує обмеження на кількість кіловат-годин ААА (або АА)? має відповіді (як у цій, що говорить про щільність енергії, пов’язану з об'ємом, а не вагою, на яку ці відповіді, схоже, зосереджені.
Марк Бут

2
Як я розумію, акумулятор ванадію-борід-повітря має теоретичну щільність енергії в порядку 27 кВт / год, я забуваю, що це спрацювало в кВт / кг, але бензин лише ~ 10 кВт / год / л. Наскільки я не знаю, це не перезаряджається. 27кВт / л відбиває штани все для отримання максимальної енергії за мінімальний простір. Хоча вагома вага (кВт / кг), я думаю, що переможець - Літій-Повітря.
Сем

Відповіді:


16

Я не знаю реальної відповіді на це питання, але я знаю як мінімум верхню межу відповіді та спосіб з'ясувати реальну відповідь.

Вчені батареї мають метрику, яку називають максимальною теоретичною питомою енергією; ви можете прочитати про визначення в « Розширених батареях» Роберта Х'юґінса . Зараз найенергетичніші щільні батареї, які ви можете придбати, - це літієві іони, що знаходяться в діапазоні 100-200 Вт / кг. Я не знаю, що найкращий акумулятор, але пізніше в книзі Х'юґінс показує розрахунки, які показують, що клітини Li / CuCl 2 мають MTSE 1166,4 Вт / кг. (5 разів ємність струму акумуляторів!)

Ми знаємо, що найвищий MTSE становить щонайменше 1166,4 Вт / кг; Ви можете використати його метод для обчислення того ж значення для інших хіміків, але простір пошуку досить великий.

Також я бачив в Інтернеті посилання на батареї Li / O 2 та Al / O 2 з MTSE 2815 та 5200 Вт / кг відповідно. Не впевнений, наскільки достовірні ці посилання. Пізніші посилання, як ця стаття за 2008 рік у Журналі електрохімічного товариства, свідчать про те, що MTSE для клітини Li / O 2 становить близько 1400 Вт / кг.


5
Здається, батареї, які дихають повітрям, начебто обманюють обчислення щільності енергії, використовуючи щось поза батареєю, щоб допомогти зберігати енергію (O2 у повітрі), не рахуючи її в масі? Вони стають більш аналогічними двигуну автомобіля, ніж паливний бак.
Метт Б.

@MattB. Так, це щось на зраді, але це не так. Я радий, що це було згадано, як я не думав про це.
ендоліт

"З різних хімічних пар з повітряно-повітряними акумуляторами (табл. 1) батарея Li-повітря є найпривабливішою, оскільки реакція розряду клітин між Li та киснем для отримання Li2O, згідно з даними 4Li + O2 → 2Li2O, має відкритий контур напруга 2,91 В і теоретична питома енергія 5210 Вт / кг. На практиці кисень не зберігається в акумуляторі, а теоретична питома енергія, за винятком кисню, - 11140 Вт / кг (40,1 МДж / кг). Порівняйте це з цифрою 44 МДж / кг для бензину (див. енергоємність бензину). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery
endolith

Верхній зв’язок досяжний, якщо у вас невелика клітина, але багато палива.
користувач3528438

Також пам’ятайте, що працює перший паливний елемент, найпростіше і найвищої щільності для паливних елементів до цього дня.
користувач3528438

4

Якщо ми хочемо розширити термін "акумулятор", щоб мати на увазі якийсь пристрій, який генерує електрику на основі хімічної реакції (за допомогою магічних засобів), верхньою межею ефективності на 100% буде хімічна ентальпія реакції.

Розрахунки для теоретичної батареї "цукор + повітря":

  • Стандартна ентальпія згоряння глюкози: −2805 кДж / моль (я думаю, що це ярлик після розкладання на стандартні елементи?)
  • 2805 кДж / моль / 180 г / моль = 4328 Вт · год / кг

Не впевнений, що є найбільш хімічно щільним складом, але ви могли просто вкласти його в це.

Ядерні клітини можуть бути ще більш магічними, E = mc²:

  • 1 кг × с² = 2,5 × 10 ** 13 Вт · год

Ці інші хіміки повинні були бути магічними, тому що вони безпосередньо не проштовхують електрони через метал?
ендоліт

1
Переважно тому, що вони не є електрохімічними елементами, тому перетворення енергії в електроенергію повинно відбуватися по-іншому (наприклад, електростанції або електростанції .)
Nick T

Цукор + Повітря? Чому б, скажімо, C4 + повітря?
Кевін Вермер

3
С4 (або все одно ТНТ) менш енергетичний, ніж цукор. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
Метт Б.

або вуглецеве повітря, з меншим вмістом водню. Використовувати алмаз як свій вуглець? Чистий алмаз С12, для малої ваги? :)
wbeaty

2

В даний час сучасні літієві / сірчані батареї становлять близько 350 Вт / кг. І тому не є унобтаїном, як у багатьох перерахованих хімічних засобів.

Ось детальна інформація: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulphur_battery


1
Ні математики? Немає цитування?
Борт

1
@Glenn Система розмітки, схоже, підключила ваше посилання. Хочете спробувати ще раз? Переважно відредагуйте його у своїй відповіді.
AaronD

Зроблено. Пробач мені, будь ласка. Я новачок у цій раді.
Гленн

0

паливні елементи матимуть більш високі дентитні енергетичні енергії, ніж батареї, але менші щільності потужності. з іншого боку, конденсатори матимуть більшу щільність потужності, але меншу щільність енергії.

Розглянемо ці теоретичні значення

щільність енергії = напруга х ємність

щільність потужності = напруга х струм

потужність = Faraday const x # переведені електрони (напр .: 1 для літій-іонних акумуляторів) x 1 / МВт

струм залежить від ємності та швидкості розряду. Наприклад, зі швидкістю C / 2, ви зарядите повністю через 2 години, тому якщо загальна потужність становить 100 мАг / г, то струм складе 50 мА на 1 г. Скажімо, у нас є 2В акумулятор, тоді потужність буде 100 мВт за 1 г. (також щільність енергії цієї батареї складе 200 мВт / г)

напруга = E0 катод - E0anode, E0 = - дельта G (як у енергії вільних Гіббс) / (# заряди x Faraday const)

у найбільш поширеному випадку, коли у вас є відновлення іона металу на аноді (включений Li-ion) E0anode - це потенціал відновлення металу, див. тут: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

наприклад: Li + + e− знаходиться в рівновазі з Li (s) E0 = −3.0401 V

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.