टेस्ला की हालिया घोषणा Powerwall, इसकी नई लिथियम आयन (ली-आयन) आधारित आवासीय बैटरी भंडारण प्रणाली, कारण होता है काफी हलचल। यह भी जा रहा है की संभावना को जन्म देती झर्झर के बाहर, बिजली उत्पन्न करने के लिए सौर पैनलों पर भरोसा करते हैं, और इसे अपनी बैटरी से संचय करते हैं और मांग पर इसका इस्तेमाल करते हैं।

फिर भी टेस्ला द्वारा इस्तेमाल लिथियम आयन तकनीक केवल प्रस्ताव पर नहीं है। वास्तव में, विभिन्न बैटरी तकनीकों में से प्रत्येक के पास अपनी ताकत और कमजोरियां हैं, और कुछ घर प्रतिष्ठानों के लिए लिथियम आयन से भी बेहतर हो सकते हैं। यहां वर्तमान बैटरी प्रौद्योगिकियों का एक त्वरित सर्वेक्षण है, और कुछ विकास में हैं।

बैटरी पावर

सभी रिचार्जेबल बैटरी में दो शामिल हैं इलेक्ट्रोड एक से अलग इलेक्ट्रोलाइट (नीचे चित्र देखें)। दो इलेक्ट्रोड पर दो अलग-अलग प्रतिवर्ती रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। चार्ज करते समय, एक "सक्रिय प्रजातियां" - अर्थात् चार्ज अणु, जैसे ली-आयन बैटरी के लिए लिथियम आयनों - में संग्रहीत है बिजली का धनात्मक छोर। निर्वहन के दौरान यह स्थानांतरित होता है कैथोड। रासायनिक प्रतिक्रिया एक पर होती है संभावित जो बाहरी सर्किट को सत्ता में लाया जा सकता है

प्रत्येक प्रकार की बैटरी तकनीक का निर्धारण कई मानदंडों पर किया जा सकता है, जैसे:

• रीसाइक्बिलिटी, जो उस समय की संख्या है जिसे इसे चार्ज किया जा सकता है और डिस्चार्ज किया जा सकता है

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• ऊर्जा घनत्व, जो प्रति यूनिट द्रव्यमान में संग्रहीत ऊर्जा का एक उपाय है, वाट घंटे (एक घंटे से अधिक बिजली उत्पादन की एक वाट का प्रतिनिधित्व करने वाला उपाय) प्रति किलोग्राम (व्ही / किग्रा) में मापा जाता है

• विशिष्ट घनत्व, जो प्रति इकाई मात्रा संग्रहीत ऊर्जा है, वेट-घंटों प्रति लीटर (व्ही / एल) में मापा जाता है।

कौन सी प्रौद्योगिकी सबसे उपयुक्त के लिए एक विशेष आवेदन के उस भूमिका की मांग पर निर्भर करता है।

सीसा तेजाब

मूल रिचार्जेबल बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट (H?SO?) के रूप में केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड और एनोड और कैथोड दोनों पर लेड (Pb) और लेड डाइऑक्साइड (PbO?) होते हैं, जो चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान लेड सल्फेट में परिवर्तित हो जाते हैं।

लीड-एसिड बैटरी अभी भी ऑटोमोबाइल, कारवां और कुछ इलेक्ट्रिक रिले ग्रिड में उपयोग की जाती है। उनके पास बहुत अधिक रीसाइक्बिलिटी है, इस प्रकार एक लंबा जीवनकाल यह छोटी अवधि के उपयोग और लगातार चार्जिंग से मदद करता है - यानी हमेशा बैटरी को लगभग 100% प्रभार में रखने - जैसे ऑटोमोबाइल में होता है इसके विपरीत, धीमी गति से चार्ज और निर्वहन लीड-एसिड बैटरी जीवनकाल को काफी कम कर देता है।

हालांकि नेतृत्व विषैला होता है और सल्फ्यूरिक एसिड संक्षारक है, बैटरी बहुत मजबूत है और शायद ही कभी उपयोगकर्ता के लिए एक खतरा प्रस्तुत करता है। हालांकि, अगर एक आवासीय स्थापना, अधिक से अधिक आकार और आवश्यक भी खतरों में वृद्धि होगी सामग्री की मात्रा में इस्तेमाल किया।

ली-आयन टेस्ला पावरवॉल 7 किलोवाट-घंटे (केडब्ल्यूएच) या 10kWh संस्करणों में आता है। तुलना की खातिर, हम देखेंगे कि किस आकार की बैटरी को चार व्यक्ति वाले घर पर बिजली की आवश्यकता होगी जो प्रति दिन 20kWh की खपत करता है, जो लगभग राष्ट्रीय औसत ऐसे घरों के लिए

लीड-एसिड बैटरी में 30 से 40Wh / किग्रा और 60 से 70Wh / एल की ऊर्जा घनत्व है। इसका अर्थ है कि एक 20kWh प्रणाली 450 से 600kg का वजन और 0.28 से 0.33 क्यूबिक मीटर की जगह ले लेगी (सेल आवरण और अन्य उपकरण के आकार या वजन को शामिल नहीं करना)। यह वॉल्यूम ज्यादातर घरों के लिए प्रबंधनीय है - यह लगभग 1 x 1 x 0.3 मीटर में एक बॉक्स में फिट होगा - लेकिन इसका मतलब यह होगा कि यह स्थिर होना चाहिए।

लिथियम आयन

वर्तमान प्रीमियर रिचार्जेबल बैटरी झरझरा कार्बन एनोड और ली-मेटल ऑक्साइड कैथोड के बीच लिथियम (ली) आयनों के आंदोलन पर आधारित है। कैथोड की संरचना बैटरी के प्रदर्शन और स्थिरता पर एक बड़ा प्रभाव है।

वर्तमान में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बेहतर चार्ज क्षमता दर्शाती है हालाँकि, यह विकल्प से टूटने के लिए अधिक संदिग्ध है, जैसे कि लिथियम-टाइटेंट या लिथियम-लोहा-फॉस्फेट, हालांकि इनमें कम चार्ज क्षमता है।

कैथोड की सूजन एक सामान्य कारण है कि ली आयन लिथियम धातु के साथ अनोड के चढ़ाना के साथ अपनी आकृति में डाली जाती है, जो बन सकता है विस्फोटक। एक टूटने की संभावना प्रभारी / निर्वहन दर सीमित द्वारा कम किया जा सकता है, लेकिन लैपटॉप या फोन की बैटरी के उदाहरणों विस्फोट / आग पकड़ रहे हैं साधारण है.

बैटरी का जीवनकाल, एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट संरचना पर निर्भर करता है। आम तौर पर, ली-आयन की जिंदगी लीड एसिड बैटरी से बेहतर होती है, टेस्ला 15 वर्षों के जीवनकाल की रिपोर्ट करती है (5,000 चक्र, प्रति दिन एक चक्र पर) लिथियम-मैंगनीज-कोबाल्ट इलेक्ट्रोड के आधार पर इसके 10 केडब्ल्यूएच पावरवॉल के लिए।

10kWh टेस्ला Powerwall 100kg वजन का होता है और 1.3 एक्स एक्स 0.86 0.18 मीटर के आयाम है। तो औसतन चार व्यक्ति घर के लिए श्रृंखला में जुड़े दो इकाइयों की आवश्यकता होती है, 200kg के कुल वजन और 1.3 एक्स एक्स 1.72 0.18 मीटर या 0.4 क्यूबिक मीटर है, जो नेतृत्व एसिड की तुलना में हल्का है, लेकिन अधिक स्थान लेता करने के लिए आ जाएगा।

ये मूल्य 100Wh / kg और 50Wh / l के बराबर हैं, जो ली-कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियों (150-250Wh / kg और 250-360Wh / एल) के लिए रिपोर्ट की तुलना में कम है, लेकिन सुरक्षित और लंबे जीवनकाल ली से जुड़े श्रेणी में -टिटनेट (एक्सएंडएक्सएचएच / किग्रा) और ली लोहा फॉस्फेट (90 से 80Wh / किग्रा)

लिथियम बैटरी के लिए भविष्य में सुधार

भविष्य की बैटरियां तकनीक इन नंबरों को आगे बढ़ा सकती हैं। दुनिया भर के अनुसंधान प्रयोगशालाएं लिथियम आधारित बैटरियों की विशिष्ट ऊर्जा, जीवनकाल और सुरक्षा को सुधारने के लिए काम कर रही हैं।

शोध के प्रमुख क्षेत्रों में कैथोड संरचना को बदलने में शामिल हैं, जैसे कि काम के साथ लिथियम लौह फॉस्फेट or लिथियम मैंगनीज कोबाल्ट, जहां सामग्रियों के विभिन्न अनुपातों या रासायनिक संरचनाओं का प्रदर्शन काफी प्रभावित हो सकता है।

कार्बनिक या आयनिक तरल पदार्थ का उपयोग करने जैसे इलेक्ट्रोलाइट को बदलने से, विशिष्ट ऊर्जा में सुधार हो सकता है, हालांकि इन्हें निषेधात्मक लागत और अधिक नियंत्रित निर्माण की आवश्यकता होती है, जैसे कि धूल रहित या आर्द्र नियंत्रित / प्रतिबंधित वातावरण

नैनोसाइड कार्बन एनालॉग के रूप में नैनोमिटेरियल्स का उपयोग (graphene और कार्बन नैनोट्यूब) या नैनोकणों, कैथोड और एनोड दोनों में सुधार हो सकता है एनोड में, उच्च प्रवाहकीय और मजबूत ग्रेफेन या कार्बन नैनोट्यूब वर्तमान सामग्री को बदल सकते हैं, जो कि ग्रेफाइट या मिश्रित सक्रिय छिद्रपूर्ण कार्बन और ग्रेफाइट है।

ग्राफीन और कार्बन नैनोट्यूब उच्च सतह क्षेत्र, उच्च चालकता और सक्रिय कार्बन और ग्रेफाइट की तुलना में अधिक यांत्रिक स्थिरता दिखा रहे हैं। सबसे एनोड और कैथोड की सटीक रचना वर्तमान में एक व्यापार रहस्य हैं, लेकिन कार्बन नैनोट्यूब के वाणिज्यिक उत्पादन के स्तर का संकेत मिलता है सबसे फोन और लैपटॉप बैटरी वर्तमान में उनकी इलेक्ट्रोड के हिस्से के रूप में कार्बन नैनोट्यूब है।

लैब-आधारित बैटरियों ने अविश्वसनीय भंडारण क्षमता दिखायी है, खासकर विशिष्ट ऊर्जा (व्ही / किग्रा) के लिए। लेकिन अक्सर सामग्री महंगे होती है या औद्योगिक स्तरों पर स्केल करना मुश्किल होता है। सामग्री लागत और संश्लेषण के आगे सरलीकरण में और कमी के साथ, इसमें कोई संदेह नहीं है कि लिथियम आधारित बैटरी की क्षमता, जीवनकाल और सुरक्षा में नैनोमिटेरियल्स का उपयोग जारी रहेगा।

लिथियम-वायु और लिथियम-सल्फर

लिथियम-सल्फर और लिथियम-वायु बैटरी दो इलेक्ट्रोड के बीच ली-आयन आंदोलन के समान अंतर्निहित सिद्धांत के साथ वैकल्पिक डिजाइन हैं, जिसमें बहुत अधिक सैद्धांतिक क्षमताएं हैं।

दोनों मामलों में, एनोड लिथियम का एक पतला टुकड़ा है जबकि कैथोड Li?O? है। ली-एयर में हवा के संपर्क में, और ली-एस बैटरियों में सक्रिय सल्फर। अनुमानित अधिकतम क्षमता ली आयन के लिए 320Wh / किलो, 500Wh / किग्रा ली-S के लिए और ली हवा के लिए 1,000Wh / किलो रहे हैं।

विशिष्ट ऊर्जा एनोड और कैथोड (ग्रेफाइट / कार्बन और संक्रमण धातु आक्साइड की जगह) और उच्च पर लिथियम के हल्के वजन से संबंधित हैं रेडोक्स इलेक्ट्रोड के बीच संभावित

इन बैटरियां लिथियम धातु होने पर एनोड के साथ, एक आवासीय स्केल 20kWh बैटरी पैक (ली-एस के लिए X-XXXgg और ली-एस के लिए 18kg) के लिए आवश्यक लिथियम की बड़ी मात्रा कम-से-माध्यम अवधि।

सोडियम-आयन और मैग्नीशियम-आयन

लिथियम 3 की परमाणु संख्या है और पंक्ति के 1 में बैठता है आवर्त सारणी। सीधे नीचे सोडियम (ना, परमाणु संख्या 11) है।

ना-आयन बैटरी के रूप में माना जाता है ली-आयन के लिए व्यवहार्य विकल्प, मुख्य रूप से सोडियम के रिश्तेदार बहुतायत के कारण। कैथोड में ना-मेटल ऑक्साइड होता है, जैसे सोडियम-लोहा-फॉस्फेट, जबकि एनोड झरझरा कार्बन है। ना आयनों के आकार के कारण, ग्रेफाइट का उपयोग एनोड में नहीं किया जा सकता है और कार्बन नैनोमिटेरिअस को अनोड सामग्री के रूप में शोध किया जा रहा है। इसके अतिरिक्त, सोडियम का द्रव्य ली से अधिक है, इसलिए चार्ज क्षमता प्रति इकाई द्रव्यमान और मात्रा आम तौर पर कम है।

मैग्नेशियम आवर्त सारणी (एमजी, परमाणु संख्या 12) पर पंक्ति 2 में सोडियम के दाईं ओर बैठता है, जिसका अर्थ है कि यह एमजी² के रूप में समाधान में मौजूद हो सकता है? (Li¹? और Na¹ की तुलना में)। Na के दोगुने आवेश के साथ, Mg समान आयतन के लिए दोगुनी विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम है।

एमजी-आयन बैटरी में एक एमजी-स्लिवर एनोड और एमजी-मेटल ऑक्साइड कैथोड होता है, और इसमें एक अधिकतम अनुमानित 400Wh/kg की विशिष्ट ऊर्जा। वर्तमान शोध बाधा यह है कि एमजी² पर दोहरा चार्ज? यह इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से आगे बढ़ने में इसे और अधिक सुस्त बना देता है, जिससे चार्ज दर धीमी हो जाती है।

प्रवाह बैटरियों

एक प्रवाह बैटरी इलेक्ट्रोलाइट के साथ भरा दो भंडारण टैंक एक के द्वारा अलग होते हैं प्रोटॉन विनिमय झिल्ली, जो इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों के प्रवाह की अनुमति देता है, लेकिन भंडारण टैंकों में इलेक्ट्रोलाइट के मिश्रण को प्रतिबंधित करता है। इन उदाहरणों में वैनेडियम-वैनेडियम सल्फेट या ब्रोमाइड, जस्ता-ब्रोमिन और ब्रोमिन-हाइड्रोजन शामिल हैं।

वैनिडियम प्रवाह की बैटरी बहुत लंबे समय तक चलती रहती है क्योंकि सिस्टम बहुत स्थिर है। उन्हें लगभग अनिश्चित काल तक बढ़ाया जा सकता है लेकिन भंडारण टैंक के चारों ओर इलेक्ट्रोलाइट चक्र करने के लिए एक पंप की आवश्यकता होती है। यह उन्हें स्थिर प्रदान करता है

वानडियम प्रवाह बैटरी की विशिष्ट ऊर्जा 10-20Wh / kg और 15-25Wh / एल की ऊर्जा घनत्व में है। इसका अर्थ है कि एक 20kWh घरेलू को सत्ता में रखने के लिए, आपको 900-1800Kg के बड़े पैमाने के साथ एक बैटरी की आवश्यकता होती है, जो 0.8-1.33m will ले जाएगा।

उच्च विश्वसनीयता वाले लेकिन उच्च द्रव्यमान के साथ, वैनेडियम प्रवाह सेल बैटरी अधिक से अधिक बड़े अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जैसे कि आवासीय उपयोग से छोटे बिजली संयंत्र।

अल्पावधि में यह संभावना है कि ली-आयन बैटरी में सुधार जारी रहेगा, और यह भी 320Wh / kg तक पहुंच सकता है भविष्य की तकनीकों में उच्च ऊर्ध्वाधर ऊर्जा और / या ऊर्जा घनत्व देने की क्षमता है, लेकिन आवासीय ऊर्जा भंडारण की ओर बढ़ने से पहले छोटे उपकरणों में पहले बाजार में प्रवेश करने की उम्मीद है।

के बारे में लेखक

कैमरून शियरर फ्लिंडर्स यूनिवर्सिटी में फिजिकल साइंसेज में रिसर्च एसोसिएट हैं। वह वर्तमान में सौर कोशिकाओं और बैटरियों में नैनोमिटेरियल्स के अनुप्रयोग की खोज करते हैं।

यह आलेख मूलतः पर प्रकाशित हुआ था वार्तालाप। को पढ़िए मूल लेख.