テスラの最近の発表 パワーウォール、その新しいリチウムイオン（リチウムイオン）ベースの住宅のバッテリーストレージシステムは、 かなり攪拌。 それも、行くことの可能性を提起します グリッド外太陽電池パネルを使用して発電し、自らのバッテリーで保管し、必要に応じて使用します。
しかし、テスラが使用しているリチウムイオン技術だけではありません。 実際、さまざまなバッテリ技術のそれぞれには長所と短所があり、一部は家庭用のリチウムイオンより優れている可能性もあります。 ここでは、現在のバッテリー技術、および開発中のものの簡単な調査があります。
電池残量
すべての充電式電池は2つの 電極 で区切られた 電解質 （下図参照）。 2つの異なる可逆的化学反応が2つの電極で生じる。 充電中に、「活性種」すなわちLiイオン電池のためのリチウムイオンなどの荷電した分子は、 アノード。 放電中に、これは 陰極。 化学反応は、 潜在的な 外部回路に電力を供給するために使用することができます。
各タイプのバッテリ技術は、次のような多くの基準で判断できます。
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充放電可能回数であるリサイクル性
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エネルギー密度は、1キログラム（Wh / kg）あたりのワット時間（1時間に亘る出力電力のワットを表す尺度）で測定された単位質量あたりに蓄積されるエネルギーの尺度であるエネルギー密度であり、
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比密度は、1リットル当たりのワット時（Wh / l）で測定された単位体積あたりに蓄積されるエネルギーである。
特定のアプリケーションのために最も適している技術であり、そのロールの需要に依存しています。
鉛
オリジナルの充電式バッテリーは、電解液として濃硫酸 (H2SO4)、アノードとカソードの両方に鉛 (Pb) と二酸化鉛 (PbO2) が含まれており、充放電中に両方とも硫酸鉛に変換されます。
鉛蓄電池は、依然として自動車、キャラバン、および一部の電気リレーグリッドで使用されています。 それらは非常に高いリサイクル性を有し、したがって寿命が長い。 これは短時間の使用と一定の充電によって助けられます。つまり、自動車で起こるような、常にバッテリーをほぼ100％の充電に保ちます。 逆に遅い充放電は、鉛蓄電池の寿命を著しく低下させる。
鉛は有毒であり、硫酸は腐食性ですが、バッテリーは非常に堅牢であり、まれに、ユーザーに危険を提示しません。 しかし、住宅に設置する際に使用した場合、必要な材料の大きなサイズとボリュームにも危険が増加します。
Li-ion Tesla Powerwallは、7キロワット時（kWh）または10kWhバージョンで提供されます。 比較のため、1日あたり20kWhを消費する4人世帯に電力を供給するためにはどの程度の大きさのバッテリーが必要かを見ていきます。 全国平均 そのような家のために。
鉛蓄電池のエネルギー密度は、30〜40Wh / kg、60〜70Wh / lです。 これは、20kWhシステムが450を600kgに量り、0.28を0.33立方メートル（セルケーシングと他の装置のサイズや重量を除く）のスペースで占有することを意味します。 このボリュームは、ほとんどの家庭で扱うことができます.1 x 1 x 0.3のメーターにはほぼ収まりますが、重量は固定されている必要があります。
リチウムイオン
現在の最高級充電池は、多孔質炭素アノードとLi金属酸化物カソードとの間のリチウム（Li）イオンの移動に基づいている。 カソードの組成は、電池の性能および安定性に大きな影響を及ぼす。
現在 リチウム - コバルト - 酸化物 優れた充電容量を示す。 しかし、これらはリチウム - チタンテやリン酸鉄リチウムのような代替品よりも破壊されやすいが、充電容量はより低い。
欠陥の1つの一般的な原因は、Liイオンがリチウム金属でアノードのめっきと共にその構造内に挿入されるときにカソードの膨張であり、 爆発的。 故障の可能性は、充電/放電速度を制限することによって低減することができるが、発火/爆発ノートパソコンや携帯電話のバッテリーのインスタンスであります 珍しくありません.
電池の寿命はまた、アノード、カソードおよび電解質組成物に大きく依存する。 一般に、リチウムイオンの寿命は鉛蓄電池よりも優れており、テスラは15年の寿命を報告しています（5,000サイクル、1日1サイクルリチウムマンガン - コバルト電極をベースにした10 kWh Powerwallのために開発されました。
10kWhテスラパワーウォールは100kgの重さと1.3のx 0.86のx 0.18メートルの寸法を有します。 だから、平均的な4人の世帯のための鉛酸よりも軽いですが、より多くのスペースを占める総200kgの重量と1.3のx 1.72のx 0.18メートルまたは0.4立方メートル、に来て、直列に接続された2つのユニットが必要になります。
これらの値は、Li-コバルト酸化物電池（100-50Wh / kgおよび150-250Wh / l）について報告された値よりも低いが、より安全で長寿命のLiに関連する範囲内の250Wh / kgおよび360Wh / - チタン酸塩（90Wh / kg）およびリン酸鉄（80〜120Wh / kg）。
リチウム電池への将来の改善
将来のバッテリ技術により、これらの数値はさらに向上する可能性があります。 世界中の研究室は、リチウムベースの電池の比エネルギー、寿命および安全性の改善に取り組んでいます。
主要な研究分野には、陰極組成の変更、例えば リチウムリン酸鉄 or リチウム - マンガン - コバルトこれらの材料の異なる比または化学構造が性能に大幅に影響を与える可能性がある。
有機またはイオン液体を使用するなど、電解質を変更することは、費用がかかりすぎる可能性があり、無塵または湿度制御/制限された環境など、より制御された製造を必要とする可能性があるが、比エネルギーを改善することができる。
ナノサイズ炭素類似体の形態のナノ材料の使用（グラフェン & カーボンナノチューブ）または ナノ粒子カソードとアノードの両方を改善する可能性がある。 アノードでは、グラファイトまたは混合物で活性化された多孔質炭素およびグラファイトの混合物である現在の材料に代えて、導電性が高く強いグラフェンまたはカーボンナノチューブを置き換えることができる。
グラフェンおよびカーボンナノチューブは高い表面積、高い導電性と活性炭及びグラファイトよりも高い機械的安定性を示します。 ほとんどのアノードとカソードの正確な組成は、現在、企業秘密ですが、カーボンナノチューブの商業生産レベルは、ほとんどの携帯電話やノートパソコンのバッテリーは、現在、その電極の一部として、カーボンナノチューブを持っていることをほのめかします。
ラボベースのバッテリーは、特に特定のエネルギー（Wh / kg）に対して、驚くべき記憶容量を示しています。 しかし、しばしば材料が高価であるか、プロセスを産業レベルに拡大することが困難である。 材料コストの更なる削減と合成の一層の簡素化により、ナノ材料の応用は、リチウム系電池の容量、寿命及び安全性を引き続き改善するであろうことは間違いない。
リチウム空気およびリチウム硫黄
リチウム硫黄およびリチウム空気 電池は、理論的にはるかに高い容量を有する2つの電極間のLiイオン移動の同様の基礎原理を有する代替設計である。
どちらの場合も、アノードはリチウムの薄いスライバーであり、カソードはLi 2 O 2 です。 Li-空気では空気と接触し、Li-S 電池では活性硫黄と接触します。 予測される最大容量 李-S用のリチウムイオン（Li-ion）、320Wh / kgであり、リチウム空気用500Wh / kgのための1,000Wh / kgです。
比エネルギーは、アノードおよびカソード（グラファイト/炭素および遷移金属酸化物の代わりに）のリチウムの軽量化と高 レドックス 電極間の電位。
これらの電池のアノードがリチウム金属であるため、居住規模の20kWhバッテリパック（Li-Airの場合は18kg、Li-Sの場合は36kg）に必要な大量のリチウムは、短期から中期期間。
ナトリウムイオンとマグネシウムイオン
リチウムは3の原子番号を持っているとの行1に座っています 周期表。 直下にナトリウム（Na、原子番号11）があります。
Naイオン電池は、 Liイオンに対する実行可能な代替物主に相対的なナトリウムの豊富さに起因する。 陰極はリン酸鉄ナトリウムのようなNa-金属酸化物からなり、陽極は多孔質炭素である。 Naイオンのサイズのために、黒鉛はアノードには使用できず、カーボンナノ材料はアノード材料として研究されている。 さらに、ナトリウムの質量はLiよりも大きいので、単位質量および体積当たりの充電容量は一般により低い。
マグネシウムは、周期表の行 12 でナトリウム (Mg、原子番号 2) の右側にあります。これは、マグネシウムが溶液中で Mg² として存在できることを意味します。 (Li¹? および Na¹? と比較して)。 Na の XNUMX 倍の電荷を持つ Mg は、同様の体積で XNUMX 倍の電気エネルギーを生成できます。
Mgイオン電池は、MgスライバアノードとMg金属酸化物カソードとからなり、 予測最大値 比エネルギー400Wh/kg。現在の研究のボトルネックは、Mg² の二重充電です?電解液中の移動が遅くなり、充電速度が遅くなります。
フロー電池
フロー電池は、で区切られた電解質で充填された2つの貯蔵タンクで構成されてい プロトン交換膜これは電子および水素イオンの流れを可能にするが、貯蔵タンク内の電解質の混合を制限する。 これらの例には、バナジウム - バナジウム（硫酸塩または臭化物）、亜鉛 - 臭素および臭素 - 水素が含まれる。
バナジウムフロー電池は非常に長い寿命を有し、システムは非常に安定している。 彼らはほとんど無限にアップスケールすることができますが、貯蔵タンクの周りに電解液を循環させるポンプが必要です。 これはそれらを不動にする。
バナジウム流電池は、10-20Wh / kgの範囲内の比エネルギーおよび15-25Wh / lのエネルギー密度を有する。 つまり、20kWh世帯に電力を供給するには、900-1800Kgの量のバッテリーが必要です。これは、0.8-1.33m³を消費します。
高信頼性であるが質量が高いため、バナジウムフローセルバッテリは、住宅用より小型の発電所などの大型アプリケーションに適しています。
短期的には、リチウムイオン電池が改良され続ける可能性があり、320Wh / kgに達する可能性もある。 将来のテクノロジーは、より高い比エネルギーおよび/またはエネルギー密度を提供する能力を有するが、住宅のエネルギー貯蔵に移行する前に、より小型のデバイスで市場に参入することが期待される。
著者について
Cameron Shearerは、フリンダース大学の物理学の研究准教授です。 彼は現在、太陽電池や電池にナノ材料の応用を研究しています。
