Какая самая высокая теоретическая плотность энергии для химической батареи?

23

Это больше вопрос физики / химии / нанотехнологий, но какова теоретическая лучшая плотность энергии, которую вы могли бы получить из химической батареи (или топливного элемента), если бы вы могли расположить атомы любым желаемым образом? Я имею в виду нанотехнологические батареи, описанные в Алмазном веке . Как это соотносится с современными технологиями?

Речь идет конкретно о химических батареях, которые можно построить атом за атомом в заряженном состоянии, а не ядерных, антивещественных, CAM или других более экзотических технологий.

energy storage battery-chemistry

— эндолиты
источник

1

Я полагаю, что в зависимости от того, насколько теоретическим вы хотите быть, антиматерная батарея будет теоретической наивысшей, поскольку, когда она реагирует с матерью, вы получаете идеальное или почти идеальное преобразование массы в энергию.

— Отметить

1

Реакции антивещества и вещества считаются химическими реакциями?

— эндолит

4

@sybreon: Дисциплины, организованные по чистоте.

— Ник Т

3

Несмотря на то, что этот вопрос закрыт как дубликат этого вопроса, существует ли ограничение на количество киловатт-часов, которые может держать батарея ААА (или АА)? есть ответы (как этот говорит о плотности энергии, связанной с объемом, а не весом, на котором эти ответы, кажется, сосредоточиться.

— Марк Бут

2

Насколько я понимаю, ванадиево-боридно-воздушная батарея имеет теоретическую плотность энергии порядка 27 кВт-ч / литр, я забыл, с чем это сработало, в киловатт-часах / кг, но бензина всего ~ 10 кВт-ч / л. Это не перезаряжаемый, хотя, насколько я знаю. 27 кВт / л отбивает штаны от всего для максимальной энергии в минимальном пространстве. Хотя по весу (киловатт-час / кг), я думаю, победителем станет Литий-Воздух.

— Сэм

16

Я не знаю фактического ответа на этот вопрос, но я знаю наименьшую верхнюю границу для ответа и способ выяснения реального ответа.

У учёных-батареек есть метрика, называемая максимальной теоретической удельной энергией; Вы можете прочитать об определении в Advanced батареи от Роберта Хаггинса . В настоящее время наиболее энергоемкими батареями, которые вы можете купить, являются литий-ионные, которые находятся в диапазоне 100-200 Вт / кг. Я не знаю, какая батарея лучше, но позже в книге Хаггинс показывает расчеты, которые показывают, что у элементов Li / CuCl ₂ MTSE составляет 1166,4 Вт / кг. (5-кратная емкость существующих батарей!)

Мы знаем, что самый высокий MTSE составляет не менее 1166,4 Вт / кг; Вы можете использовать его метод для расчета того же значения для других химий, но пространство поиска довольно велико.

Я также видел ссылки в Интернете на Li / O ₂ и Al / O ₂ батареи с MTSE 2815 и 5200 Вт / кг соответственно. Не уверен, насколько достоверны эти ссылки. Более поздние ссылки, такие как эта статья 2008 года в журнале «Электрохимическое общество», предполагают, что MTSE для элемента Li / O ₂ составляет около 1400 Вт / кг.

— pingswept
источник

5

Похоже, что батареи, которые дышат воздухом, являются своего рода обманом при расчете плотности энергии, используя что-то вне батареи, чтобы помочь сохранить энергию (O2 в воздухе), не считая ее в массе? Они становятся более похожими на двигатель автомобиля, чем на его топливный бак.

— Мэтт Б.

@MattB .: Да, это обман, но вроде нет. Я рад, что это было упомянуто, поскольку я не думал об этом.

— эндолит

«Из различных химических пар металлических и воздушных батарей (таблица 1) литий-воздушная батарея является наиболее привлекательной, поскольку реакция разряда элементов между Li и кислородом с образованием Li2O, согласно 4Li + O2 → 2Li2O, имеет разомкнутую цепь. напряжение 2,91 В и теоретическая удельная энергия 5210 Вт / кг. На практике кислород не сохраняется в батарее, а теоретическая удельная энергия без учета кислорода составляет 11140 Вт / кг (40,1 МДж / кг). Сравните это с рисунком 44 МДж / кг для бензина (см. содержание энергии в бензине). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery

— эндолит

Верхняя связь достижима, если у вас маленькая ячейка, но много топлива.

— user3528438

Также помните, что запускает первый топливный элемент, самое простое и самое плотное топливо для топливного элемента до сегодняшнего дня.

— user3528438

4

Если мы хотим расширить «батарею», чтобы обозначить какое-то устройство, которое генерирует электричество на основе химической реакции (с помощью магических средств), верхний предел эффективности 100% будет химической энтальпией реакции.

Расчеты для теоретической батареи "сахар + воздух":

Стандартная энтальпия сгорания глюкозы: -2805 кДж / моль (я думаю, что это кратчайший путь после разложения на стандартные элементы?)
2805 кДж / моль / 180 г / моль = 4328 Вт · ч / кг

Не уверен, что это химически плотное соединение, но вы можете просто подключить его к этому.

Ядерные батареи могут быть еще более волшебными, E = mc²:

1 кг × с² = 2,5 × 10 ** 13 Вт · ч

— Ник Т
источник

Эти другие химии должны были быть волшебными, потому что они не проталкивали электроны напрямую через металл?

— эндолит

1

Главным образом потому, что они не являются электрохимическими элементами, поэтому преобразование энергии в электроэнергию должно происходить иным образом (например, электростанции или заводы ).

— Ник Т

Сахар + Воздух? Почему бы, скажем, не C4 + воздух?

— Кевин Вермеер

3

С4 (или тротил в любом случае) менее энергоемок, чем сахар. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

— Мэтт Б.

или углерод-воздух, с меньшим количеством вовлеченного водорода. Использовать алмаз как углерод? Чистый алмаз C12, для небольшого веса? :)

— wbeaty

2

Современное состояние литиево-серных батарей составляет около 350 Вт / кг. И поэтому не unobtainium, как многие из перечисленных химии.

Вот некоторая подробная информация: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulphur_battery

— Гленн
источник

1

Нет математики? Нет цитирования?

— Борт

1

@Glenn Система разметки, похоже, испортила вашу ссылку. Хотите попробовать еще раз? Желательно отредактировать его в своем ответе.

— AaronD

Выполнено. Пожалуйста, прости меня. Я новичок в этой доске.

— Гленн

0

Топливные элементы будут иметь более высокую плотность энергии, чем батареи, но более низкую плотность мощности. с другой стороны, конденсаторы будут иметь более высокую плотность мощности, но более низкую плотность энергии.

Рассмотрим эти теоретические значения

плотность энергии = напряжение х емкость

плотность мощности = напряжение х ток

мощность = постоянная Фарадея x # переданных электронов (например: 1 для литий-ионных батарей) x 1 / МВт

ток зависит от емкости и скорости разряда. Например, при скорости C / 2 вы полностью разрядитесь через 2 часа, поэтому, если общая емкость составляет 100 мАч / г, то ток составит 50 мА для 1 г. Допустим, у нас батарея 2 В, тогда мощность составит 100 мВт за 1 г. (также плотность энергии этой батареи будет 200 мВтч / г)

напряжение = E0катод - E0anode, E0 = - дельта G (как в свободной энергии Гиббса) / (# заряды x постоянная Фарадея)

в наиболее распространенном случае, когда у вас происходит восстановление иона металла на аноде (включая Li-ion), E0anode - это потенциал восстановления металла, см. здесь: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

например: Li + + e- находится в равновесии с Li (s) E0 = -3,0401 В

— guywithaquestion
источник