特斯拉最近的公告 的Powerwall，其新型鋰離子（Li-ion）型住宅電池存儲系統已經引發 非常激動。 它甚至提高了前進的可能性 現成的，格依靠太陽能電池板發電，並用自己的電池儲存並按需使用。
然而，特斯拉使用的鋰離子技術並不是唯一提供的技術。 事實上，各種電池技術各有其優點和缺點，有些甚至可能優於鋰離子電池用於家庭安裝。 以下是對當前電池技術的快速調查，以及一些正在開發中的技術。
電池電源
所有可充電電池由兩個組成 電極 被一個人隔開 電解質 （見下圖）。 在兩個電極處發生兩種不同的可逆化學反應。 充電時，“活性物質” - 即帶電分子，如鋰離子電池的鋰離子 - 存儲在電池中 陽極。 在放電期間，這會遷移到 陰極。 化學反應發生在a 潛力 可用於為外部電路供電。
可以根據多種標準判斷每種類型的電池技術，例如：
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可回收性，即可充電和放電的次數
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能量密度，是每單位質量儲存能量的量度，以瓦特小時（一小時內功率輸出功率的瓦特數）測量每千克（Wh / kg）
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比重，即每單位體積儲存的能量，以瓦特小時/升（Wh / l）為單位。
哪種技術最適合特定應用取決於該角色的需求。
鉛酸
最初的充電電池由作為電解質的濃硫酸（H2SO4）和陽極和陰極上的鉛（Pb）和二氧化鉛（PbO2）組成，在充電和放電過程中它們都轉化為硫酸鉛。
鉛酸電池仍用於汽車，大篷車和一些繼電器網格中。 它們具有非常高的可回收性，因此使用壽命長。 這有助於短時間使用和恆定充電 - 即始終保持電池接近100％充電 - 例如在汽車中發生。 相反，緩慢的充電和放電顯著降低了鉛酸電池的使用壽命。
雖然鉛是有毒的，硫酸是腐蝕性的，電池是非常穩健的，很少呈現危險給用戶。 但是，如果在居民區安裝，所需也將增加材料的危害更大尺寸和體積使用。
鋰離子電池Tesla Powerwall採用7千瓦時（kWh）或10kWh版本。 為了便於比較，我們將研究為每天消耗20kWh的四人家庭供電所需的電池尺寸，這大約相當於 全國平均 對於這樣的家庭。
鉛酸電池的能量密度為30至40Wh / kg，60至70Wh / l。 這意味著20kWh系統將450稱重為600kg並佔用0.28至0.33立方米的空間（不包括電池外殼和其他設備的尺寸或重量）。 對於大多數家庭來說，這個卷是可以管理的 - 它大致適合1 x 1 x 0.3米的盒子 - 但是重量意味著它必須是靜止的。
鋰離子電池
目前的主要可再充電電池基於多孔碳陽極和鋰金屬氧化物陰極之間的鋰（Li）離子的移動。 陰極的組成對電池的性能和穩定性具有很大影響。
目前 鋰 - 鈷氧化物 表現出優異的充電容量 然而，它比鋰 - 鈦酸鹽或磷酸鐵鋰等替代品更容易發生分解，儘管它們具有較低的充電容量。
一個常見的故障原因是陰極膨脹，因為鋰離子被插入其結構中，同時陽極鍍有鋰金屬，這可能成為 爆炸物。 通過限制充電/放電速率可以減少故障的可能性，但是筆記本電腦或手機電池爆炸/著火的情況也是如此 並不罕見.
電池的壽命也很大程度上取決於陽極，陰極和電解質組成。 一般來說，鋰離子電池的壽命優於鉛酸電池，特斯拉報告的壽命為15年（5,000循環，每天一個週期）用於10 kWh Powerwall，基於鋰 - 錳 - 鈷電極。
10kWh Tesla Powerwall的重量為100kg，尺寸為1.3 x 0.86 x 0.18米。 因此，對於平均四人家庭將需要兩個串聯的單元，總重量為200kg和1.3 x 1.72 x 0.18米或0.4立方米，比鉛酸輕，但佔用更多空間。
這些值等於100Wh / kg和50Wh / l，低於Li-cobalt氧化物電池（150-250Wh / kg和250-360Wh / l）報告的值，但是在更安全和更長壽命Li的範圍內 - 鈦酸鹽（90Wh / kg）和磷酸鐵鋰（80至120Wh / kg）。
鋰電池的未來改進
未來的電池技術可能進一步改善這些數字 世界各地的研究實驗室正致力於提高鋰電池的比能量，壽命和安全性。
主要研究領域包括改變陰極成分，如工作 鋰鐵磷酸鹽 or 鋰 - 錳 - 鈷，材料的不同比例或化學結構會嚴重影響性能。
改變電解質，例如使用有機或離子液體，可以改善比能，儘管它們可能成本過高並且需要更多的受控製造，例如在無塵或濕度受控/受限制的環境中。
以納米碳類似物的形式使用納米材料（石墨烯 和 碳納米管）或 納米粒子，可能會改善陰極和陽極。 在陽極中，高導電性和強石墨烯或碳納米管可以代替目前的材料，即石墨或混合活化的多孔碳和石墨。
與活性炭和石墨相比，石墨烯和碳納米管表現出更高的表面積，更高的導電性和更高的機械穩定性。 大多數陽極和陰極的確切成分目前是商業秘密，但碳納米管的商業生產水平暗示大多數手機和筆記本電池目前都有碳納米管作為其電極的一部分。
基於實驗室的電池具有令人難以置信的存儲容量，特別是對於特定能量（Wh / kg）。 但是，材料通常很昂貴，或者工藝很難擴展到工業水平。 隨著材料成本的進一步降低和合成的進一步簡化，毫無疑問納米材料的應用將繼續改善鋰基電池的容量，壽命和安全性。
鋰 - 空氣和鋰 - 硫
鋰 - 硫和鋰 - 空氣 電池是具有類似的兩個電極之間的鋰離子運動的基本原理的替代設計，具有更高的理論容量。
在這兩種情況下，陽極都是薄鋰條，而陰極是Li2O2。鋰空氣中與空氣接觸，鋰硫電池中與活性硫接觸。 預測最大容量 Li-ion為320Wh / kg，Li-S為500Wh / kg，Li-Air為1,000Wh / kg。
比能量與陽極和陰極上鋰的重量更輕（取代石墨/碳和過渡金屬氧化物）和高 氧化還原 電極之間的電位。
由於這些電池中的陽極是鋰金屬，因此住宅用20kWh電池組所需的大量鋰（用於Li-air的18kg和用於Li-S的36kg）可能限制它們在短到中等的較小設備中的使用術語。
鈉離子和鎂離子
鋰的原子序數為3，位於1的XNUMX行 元素週期表。 直接在下面是鈉（Na，原子序數11）。
鈉離子電池被認為是 鋰離子的可行替代品，主要是由於鈉的相對豐富。 陰極由Na-金屬氧化物如鈉 - 鐵 - 磷酸鹽組成，而陽極是多孔碳。 由於Na離子的大小，石墨不能用於陽極，碳納米材料正在研究作為陽極材料。 另外，鈉的質量大於Li，因此每單位質量和體積的充電容量通常較低。
在元素週期表（Mg，原子序數 12）第 2 行中，鎂位於鈉的右側，這意味著它可以以 Mg² 形式存在於溶液中？ （與Li 和Na 相比）。鈉的電荷量是鈉的兩倍，鎂能夠在相似的體積下產生兩倍的電能。
鎂離子電池由Mg銀陽極和Mg金屬氧化物陰極組成，並具有鎂離子電池 預測最大值 比能量為400Wh/kg。目前的研究瓶頸是Mg²的雙重充電？使其在電解質中移動更加緩慢，從而減慢充電速率。
流動電池
液流電池由兩個充滿電解液的儲罐組成 質子交換膜這允許電子和氫離子的流動，但是限制了儲存罐中電解質的混合。 這些的實例包括釩 - 釩與硫酸鹽或溴化物，鋅 - 溴和溴 - 氫。
釩液流電池具有非常長的壽命，系統非常穩定。 它們幾乎可以無限期地升級，但需要泵來使電解液在儲罐周圍循環。 這使他們不動。
釩液流電池的比能量範圍為10-20Wh / kg，能量密度為15-25Wh / l。 這意味著為了給20kWh家庭供電，你需要一個質量為900-1800Kg的電池，它將佔用0.8-1.33m³。
釩流動池電池具有高可靠性和高質量，更適用於小型發電廠等大型應用，而非住宅用途。
在短期內，鋰離子電池可能會繼續得到改善，甚至可能達到320Wh / kg。 未來的技術能夠提供更高的比能量和/或能量密度，但在進入住宅儲能之前，預計將首先進入小型設備市場。
關於作者
Cameron Shearer是弗林德斯大學物理科學研究助理。 他目前正在研究納米材料在太陽能電池和電池中的應用。
