ความหนาแน่นพลังงานทางทฤษฎีสูงสุดสำหรับแบตเตอรี่เคมีคือเท่าใด

23

นี่เป็นคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์ / เคมี / นาโนเทค แต่ความหนาแน่นของพลังงานในทางทฤษฎีที่ดีที่สุดที่คุณจะได้รับจากแบตเตอรี่เคมี (หรือเซลล์เชื้อเพลิง) คืออะไรถ้าคุณสามารถจัดเรียงอะตอมในแบบที่คุณต้องการ ฉันคิดว่าแบตเตอรี่ nanotech ที่อธิบายไว้ในเพชรอายุ มันเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบันอย่างไร

นี่คือเฉพาะเกี่ยวกับแบตเตอรี่เคมีซึ่งสามารถสร้างอะตอมโดยอะตอมในสถานะที่ชาร์จไม่ใช่นิวเคลียร์ปฏิสสารCAMหรือเทคโนโลยีแปลกใหม่อื่น ๆ

energy storage battery-chemistry

— endolith
แหล่งที่มา

1

ขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการเป็นทฤษฎีแบตเตอรี่ต่อต้านแบตเตอรี่จะเป็นทฤษฎีสูงสุดที่ฉันเชื่อว่าเมื่อมันทำปฏิกิริยากับเยื่อคุณจะได้รับการแปลงที่สมบูรณ์แบบหรือใกล้สมบูรณ์แบบจากมวลเป็นพลังงาน

— ทำเครื่องหมาย

1

ปฏิสสารที่เกิดขึ้นถือว่าเป็นปฏิกิริยาทางเคมีหรือไม่?

— endolith

4

@sybreon: ระเบียบที่จัดโดยความบริสุทธิ์

— Nick T

3

แม้ว่าจะปิดเป็นคำถามที่เหมือนกัน แต่มีการ จำกัด จำนวนกิโลวัตต์ต่อชั่วโมงสำหรับแบตเตอรี่ AAA (หรือ AA) หรือไม่? มีคำตอบ (เช่นนี้พูดถึงความหนาแน่นของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับปริมาณมากกว่าน้ำหนักซึ่งคำตอบเหล่านี้ดูเหมือนจะมีสมาธิ

— Mark Booth

2

ตามที่ฉันเข้าใจแล้วแบตเตอรี่วานาเดียม - บอไรด์ - แอร์มีความหนาแน่นพลังงานเชิงทฤษฎีตามลำดับที่ 27kwh / ลิตรฉันลืมสิ่งที่ได้ผลเป็นกิโลวัตต์ต่อกิโลกรัม แต่น้ำมันเพียง 10kwh / L เท่านั้น มันไม่สามารถชาร์จได้เท่าที่ฉันรู้ 27kwh / L ทุบกางเกงทุกอย่างเพื่อพลังงานสูงสุดในพื้นที่ขั้นต่ำ น้ำหนักที่ฉลาด (kwh / kg) ฉันคิดว่าผู้ชนะคือ Lithium-Air

— Sam

16

ฉันไม่รู้คำตอบที่แท้จริงของคำถามนี้ แต่ฉันรู้ขอบเขตที่น้อยที่สุดสำหรับคำตอบและวิธีการหาคำตอบที่แท้จริง

นักวิทยาศาสตร์แบตเตอรี่มีเมตริกที่เรียกว่าพลังงานจำเพาะทางทฤษฎีสูงสุด คุณสามารถอ่านเกี่ยวกับความหมายในแบตเตอรี่ขั้นสูงโดยโรเบิร์ฮักกินส์ ตอนนี้แบตเตอรี่ที่มีพลังงานหนาแน่นที่สุดที่คุณสามารถซื้อได้คือลิเธียมไอออนซึ่งอยู่ในช่วง 100-200 Wh / kg ฉันไม่รู้ว่าแบตเตอรี่ที่ดีที่สุดคืออะไร แต่ต่อมาในหนังสือ Huggins แสดงการคำนวณที่ระบุว่าเซลล์Li / CuCl ₂มี MTSE เท่ากับ 1166.4 Wh / kg (5x ความจุของแบตเตอรี่ในปัจจุบัน!)

เรารู้ว่า MTSE สูงสุดคืออย่างน้อย 1,666.4 Wh / kg; คุณสามารถใช้วิธีการของเขาในการคำนวณค่าเดียวกันสำหรับนักเคมีคนอื่น ๆ แต่พื้นที่การค้นหาค่อนข้างใหญ่

ฉันเคยเห็นการอ้างอิงบนอินเทอร์เน็ตกับแบตเตอรี่Li / O ₂และ Al / O ₂ด้วย MTSE ที่ 2815 และ 5200 Wh / kg ตามลำดับ ไม่แน่ใจว่าข้อมูลอ้างอิงเหล่านั้นน่าเชื่อถือเพียงใด การอ้างอิงในภายหลังเช่นบทความปี 2008ในวารสารของสมาคมเคมีไฟฟ้าแนะนำว่า MTSE สำหรับเซลล์Li / O ₂อยู่ที่ประมาณ 1,400 Wh / kg

— pingswept
แหล่งที่มา

5

ดูเหมือนว่าแบตเตอรี่ที่หายใจในอากาศนั้นเป็นการโกงการคำนวณความหนาแน่นของพลังงานโดยใช้บางสิ่งบางอย่างนอกแบตเตอรี่เพื่อช่วยเก็บพลังงาน (O2 ในอากาศ) โดยไม่ต้องนับรวมอยู่ในมวล? พวกเขามีความคล้ายคลึงกับเครื่องยนต์ของรถยนต์มากกว่าถังน้ำมัน

— Matt B.

@ MattB: ใช่มันเป็นการโกง แต่ไม่ใช่แบบนั้น ฉันดีใจที่มันถูกกล่าวถึงเนื่องจากฉันไม่ได้คิดถึงมัน

— endolith

"ในบรรดาสารเคมีแบตเตอรี่โลหะอากาศคู่ต่างๆ (ตารางที่ 1) แบตเตอรี่ Li-air เป็นที่น่าสนใจที่สุดเนื่องจากปฏิกิริยาปล่อยเซลล์ระหว่าง Li และออกซิเจนเพื่อให้ Li2O ตาม 4Li + O2 → 2Li2O มีวงจรเปิด แรงดันไฟฟ้าที่ 2.91 V และพลังงานจำเพาะทางทฤษฎี 5210 Wh / kg ในทางปฏิบัติออกซิเจนไม่ได้ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่และพลังงานเฉพาะทางทฤษฎีซึ่งไม่รวมออกซิเจนคือ 11140 Wh / kg (40.1 MJ / kg) เปรียบเทียบกับภาพ 44 MJ / kg สำหรับน้ำมันเบนซิน (ดูปริมาณพลังงานน้ำมันเบนซิน) " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery

— endolith

พันธะตอนบนสามารถทำได้ถ้าคุณมีเซลล์ขนาดเล็ก แต่มีเชื้อเพลิงเยอะ

— user3528438

ยังจำได้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงคันแรกทำงานอย่างไรเชื้อเพลิงที่หนาแน่นและง่ายที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงจนถึงทุกวันนี้

— user3528438

4

หากเราต้องการขยาย "แบตเตอรี่" เพื่อหมายถึงอุปกรณ์ประเภทหนึ่งที่สร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมี (ด้วยวิธีมหัศจรรย์ ) ขีด จำกัด ที่มีประสิทธิภาพ 100% บนจะเป็นเอนทาลปีของปฏิกิริยาทางเคมี

การคำนวณแบตเตอรี่ "น้ำตาล + อากาศ" ในทางทฤษฎี:

เอนทัลปีมาตรฐานของการเผาไหม้ของกลูโคส: −2805 kJ / mol (ฉันคิดว่านี่เป็นทางลัดที่เหนือกว่าการสลายตัวเป็นองค์ประกอบมาตรฐานใช่หรือไม่)
2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

ไม่แน่ใจว่าสารประกอบที่มีความหนาแน่นทางเคมีมากที่สุดคืออะไร แต่คุณสามารถเสียบเข้าไปได้

เซลล์ที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์อาจมีมนต์ขลังยิ่งขึ้น E = mc²:

1 กิโลกรัม×c² = 2.5 × 10 ** 13 วัตต์·ชั่วโมง

— นิคที
แหล่งที่มา

นักเคมีอื่น ๆ เหล่านี้จะต้องมีเวทย์มนตร์เพราะพวกเขาไม่ได้ผลักอิเล็กตรอนผ่านโลหะโดยตรง?

— endolith

1

ส่วนใหญ่เป็นเพราะพวกเขาไม่ใช่เซลล์ไฟฟ้าเคมีดังนั้นพลังงานจากการแปลงพลังงานไฟฟ้าจะต้องเกิดขึ้นด้วยวิธีอื่น (เช่นโรงไฟฟ้าหรือโรงไฟฟ้า )

— Nick T

น้ำตาล + อากาศ? ทำไมไม่พูด C4 + อากาศ

— Kevin Vermeer

3

C4 (หรือ TNT ต่อไป) มีความหนาแน่นพลังงานน้อยกว่าน้ำตาล en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

— Matt B.

หรืออากาศคาร์บอนโดยมีไฮโดรเจนน้อยลง ใช้เพชรเป็นคาร์บอนของคุณหรือไม่ เพชรบริสุทธิ์ C12 สำหรับน้ำหนักต่ำ :)

— wbeaty

2

สถานะปัจจุบันของแบตเตอรี่ลิเธียม / ซัลเฟอร์ที่ทันสมัยอยู่ที่ประมาณ 350 Wh / kg และดังนั้นจึงไม่ใช่ unobtainium เหมือนนักเคมีที่มีรายชื่อจำนวนมาก

นี่คือข้อมูลโดยละเอียดบางส่วน: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

— เกล็น
แหล่งที่มา

1

ไม่มีคณิตศาสตร์? ไม่มีการอ้างอิง?

— Bort

1

@Glenn ดูเหมือนว่าระบบมาร์คอัปจะมีลิงก์ของคุณไม่เรียบร้อย คุณต้องการที่จะลองอีกครั้ง? แก้ไขโดยเฉพาะอย่างยิ่งในคำตอบของคุณ

— AaronD

เสร็จสิ้น กรุณายกโทษให้ฉัน. ฉันยังใหม่กับบอร์ดนี้

— เกล็น

0

เซลล์เชื้อเพลิงจะมีความหนาแน่นพลังงานทางประสาทสูงกว่าแบตเตอรี่ แต่ความหนาแน่นพลังงานลดลง ในทางกลับกันตัวเก็บประจุจะมีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น แต่ความหนาแน่นพลังงานลดลง

พิจารณาคุณค่าทางทฤษฎีเหล่านี้

ความหนาแน่นพลังงาน = แรงดันไฟฟ้า x ความจุ

ความหนาแน่นพลังงาน = แรงดัน x ปัจจุบัน

ความจุ = Faraday const x # อิเล็กตรอนที่ถ่ายโอน (เช่น: 1 สำหรับแบตเตอรี่ Li-ion) x 1 / MW

ปัจจุบันขึ้นอยู่กับกำลังการผลิตและอัตราการไหล ตัวอย่างเช่นในอัตรา C / 2 คุณจะปล่อยอย่างเต็มที่ใน 2 ชั่วโมงดังนั้นหากความจุรวมคือ 100 mAh / g ดังนั้นกระแสจะเป็น 50 mA ต่อ 1 กรัม ให้บอกว่าเรามีแบตเตอรี่ 2V จากนั้นพลังงานจะเป็น 100 mW ต่อ 1 กรัม (เช่นเดียวกับความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่นี้จะเป็น 200 mWh / g)

voltage = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (ในพลังงานกิ๊บส์ฟรี) / (#charges x Faraday const)

ในกรณีที่แพร่หลายมากที่สุดที่คุณมีการลดลงของไอออนโลหะที่ขั้วบวก (รวม Li-ion) E0anode เป็นศักยภาพการลดลงของโลหะดูที่นี่: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

ตัวอย่างเช่น: Li + + e− อยู่ในสมดุลกับ Li (s) E0 = −3.0401 V

— guywithaquestion
แหล่งที่มา