Quelle est la densité d'énergie théorique la plus élevée pour une batterie chimique?

23

Il s'agit plus d'une question de physique / chimie / nanotechnologie, mais quelle est la meilleure densité d'énergie théorique que vous pourriez retirer d'une batterie chimique (ou pile à combustible), si vous pouviez organiser les atomes comme vous le souhaitez? Je pense aux batteries nanotechnologiques décrites dans Diamond Age . Comment se compare-t-il aux technologies actuelles?

Il s'agit spécifiquement des batteries chimiques , qui pourraient être construites atome par atome à l'état chargé, et non nucléaires, antimatière, CAM ou d'autres technologies plus exotiques.

energy storage battery-chemistry endolith
la source
1
selon la façon dont vous voulez être théorique, une batterie anti-mater serait la plus haute théorique, je crois, car lorsqu'elle réagit avec la mater, vous obtenez une conversion parfaite ou presque parfaite de la masse en énergie.
Mark
1
Les réactions antimatière comptent-elles comme des réactions chimiques?
endolith
4
@sybreon: Disciplines organisées par pureté.
Nick T
3
Bien qu'elle soit fermée en double de cette question, existe-t-il une limite au nombre de kilowattheures qu'une batterie AAA (ou AA) peut contenir? a des réponses (comme celle-ci qui parle de la densité d'énergie liée au volume plutôt qu'au poids, sur laquelle ces réponses semblent se concentrer.
Mark Booth
2
Si je comprends bien, la batterie Vanadium-Boride-Air a une densité d'énergie théorique de l'ordre de 27kwh / litre, j'oublie ce que cela a donné en kwh / kg, mais l'essence n'est que de ~ 10kwh / L. Pour autant que je sache, ce n'est pas rechargeable. 27kwh / L bat tout le pantalon pour une énergie maximale dans un minimum d'espace. En termes de poids (kwh / kg), je pense que le gagnant est Lithium-Air.
Sam

Réponses:

16

Je ne connais pas la réponse réelle à cette question, mais je connais une limite inférieure à la réponse et un moyen de trouver la vraie réponse.

Les scientifiques de la batterie ont une métrique appelée énergie spécifique théorique maximale; vous pouvez lire la définition dans Advanced Batteries de Robert Huggins . À l'heure actuelle, les batteries les plus denses en énergie que vous pouvez acheter sont au lithium-ion, qui se situent dans la plage de 100 à 200 Wh / kg. Je ne sais pas quelle est la meilleure batterie, mais plus tard dans le livre , Huggins montre des calculs qui indiquent que les cellules Li / CuCl 2 ont un MTSE de 1166,4 Wh / kg. (5 fois la capacité des batteries actuelles!)

Nous savons que le MTSE le plus élevé est d'au moins 1166,4 Wh / kg; vous pouvez utiliser sa méthode pour calculer la même valeur pour d'autres chimies, mais l'espace de recherche est assez grand.

J'ai également vu des références sur Internet à des batteries Li / O 2 et Al / O 2 avec MTSE de 2815 et 5200 Wh / kg, respectivement. Je ne sais pas à quel point ces références sont crédibles. Des références ultérieures, comme cet article de 2008 dans le Journal of the Electrochemical Society, suggèrent que le MTSE pour une cellule Li / O 2 est d'environ 1400 Wh / kg.

pingswept
la source
5
On dirait que les batteries qui respirent l'air trichent en quelque sorte le calcul de la densité d'énergie en utilisant quelque chose à l'extérieur de la batterie pour aider à stocker l'énergie (O2 dans l'air) sans la compter dans la masse? Ils deviennent plus analogues au moteur d'une voiture qu'à son réservoir de carburant.
Matt B.
@MattB .: Oui, c'est une sorte de tricherie, mais pas du tout. Je suis content que cela ait été mentionné car je n'y avais pas pensé.
endolith
"Parmi les différents couples chimiques de la batterie métal-air (tableau 1), la batterie Li-air est la plus intéressante, car la réaction de décharge des cellules entre Li et l'oxygène pour produire du Li2O, selon 4Li + O2 → 2Li2O, a un circuit ouvert tension de 2,91 V et une énergie spécifique théorique de 5210 Wh / kg. En pratique, l'oxygène n'est pas stocké dans la batterie et l'énergie spécifique théorique hors oxygène est de 11140 Wh / kg (40,1 MJ / kg). Comparez cela à la figure de 44 MJ / kg pour l'essence (voir la teneur en énergie de l'essence). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery
endolith
La liaison supérieure est réalisable si vous avez une petite cellule mais beaucoup de carburant.
user3528438
N'oubliez pas non plus le fonctionnement de la première pile à combustible, le combustible le plus simple et le plus dense pour les piles à combustible jusqu'à ce jour.
user3528438
4

Si nous voulons élargir la "batterie" pour désigner une sorte d'appareil qui génère de l'électricité basée sur une réaction chimique (via des moyens magiques ), la limite efficace supérieure de 100% serait l'enthalpie chimique de la réaction.

Calculs pour une batterie théorique "sucre + air":

  • Enthalpie standard de combustion du glucose: −2805 kJ / mol (je pense que c'est un raccourci au-delà de la décomposition en éléments standard?)
  • 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Je ne sais pas quel est le composé le plus chimiquement dense, mais vous pouvez simplement le brancher.

Les cellules nucléaires pourraient être encore plus magiques, E = mc²:

  • 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h
Nick T
la source
Ces autres chimies devraient être magiques car elles ne poussent pas directement les électrons à travers le métal?
endolith
1
Principalement parce que ce ne sont pas des cellules électrochimiques, donc la conversion de l'énergie en électricité devrait se produire d'une autre manière (par exemple, les centrales électriques ou les centrales électriques .)
Nick T
Sucre + Air? Pourquoi pas, disons, C4 + air?
Kevin Vermeer
3
Le C4 (ou le TNT de toute façon) est moins dense en énergie que le sucre. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
Matt B.
ou carbone-air, avec moins d'hydrogène impliqué. Utilisez le diamant comme carbone? Diamant C12 pur, pour un faible poids? :)
wbeaty
2

Les batteries lithium / soufre de pointe actuelles sont d'environ 350 Wh / kg. Et donc pas unobtainium comme la plupart des produits chimiques répertoriés.

Voici quelques informations détaillées: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

Glenn
la source
1
Pas de maths? Pas de citation?
Bort
1
@Glenn Le système de balisage semble avoir bâclé votre lien. Voudriez-vous essayer à nouveau? Modifiez-le de préférence dans votre réponse.
AaronD
Terminé. S'il vous plaît, pardonnez-moi. Je suis nouveau sur ce forum.
Glenn
0

les piles à combustible auront des densités énergétiques plus élevées que les batteries, mais des densités de puissance plus faibles. d'autre part, les condensateurs auront des densités de puissance plus élevées mais des densités d'énergie plus faibles.

Considérez ces valeurs théoriques

densité d'énergie = tension x capacité

densité de puissance = tension x courant

capacité = Const Faraday x #électrons transférés (ex: 1 pour les batteries Li-ion) x 1 / MW

le courant dépend de la capacité et du taux de décharge. Par exemple, à un taux de C / 2, vous déchargerez complètement en 2 heures, donc si la capacité totale est de 100 mAh / g, alors le courant sera de 50 mA pour 1g. Disons que nous avons une batterie 2V, alors la puissance sera de 100 mW pour 1g. (la densité énergétique de cette batterie serait également de 200 mWh / g)

tension = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (comme dans Free Gibbs Energy) / (#charges x Faraday const)

dans le cas le plus fréquent où vous avez une réduction d'un ion métallique à l'anode (Li-ion inclus) E0anode est le potentiel de réduction du métal, voir ici: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

par exemple: Li + + e− est en équilibre avec Li (s) E0 = −3.0401 V

guywithaquestion
la source