O que exatamente está limitando a capacidade da bateria?

O que exatamente está limitando a capacidade da bateria? Para este problema, podemos ver o seguinte: capacidade da bateria = densidade de energia x volume da bateria. O tamanho da bateria naturalmente quer fazer sobre como fazer, a densidade de energia é a chave.Então a questão pode ser entendida como: a densidade de energia atual da bateria por que é difícil melhorar? A resposta simples para a frase é que a química por trás da bateria limita a densidade de energia da bateria. A densidade de energia dos vários portadores de energia reproduzidos do wiki. são usados no canto inferior esquerdo da bateria de íons de lítio. E então, por favor, procure por gasolina, diesel, butano, propano, posição de gás natural. Estima-se que a maioria das pessoas achará as seguintes ideias: 1) A tecnologia da bateria é muito fraca 2) A tecnologia da bateria é promissora Algumas das melhores pessoas pensam nisso 3) A tecnologia da célula de combustível será a estrela de amanhã. .a bateria com o combustível por trás da química simplesFaça um pouco de conhecimento da revisão (ou popular).A maioria dos combustíveis e baterias que vimos em nossas vidas, tais portadores de energia, estão relacionados principalmente a reações químicas redox. Os transportadores de energia estão envolvidos na transformação de processos químicos específicos, mas sempre podem ser resumidos em uma reação redox.RedoxA essência da reação redox é a transferência de elétrons do agente redutor para o oxidante. Você se sente como uma bateria? O eletrodo negativo da bateria é um agente redutor e o eletrodo positivo é um agente oxidante (não particularmente preciso). Elétrons do negativo através do circuito externo para o cátodo, e então fazer o trabalho a propósito: lâmpadas, dirigir veículos, dar suporte a telefones celulares e computadores. densidade de elétrons. Aqui assumimos que a potência que os elétrons podem fazer é consistente (isso está claramente errado, na verdade depende do tipo de oxidante e agente redutor, mas se examinado cuidadosamente, para a bateria e o combustível comuns, esse não é o fator principal) .A densidade eletrônica do portador de energia, dependendo do cálculo do volume, depende principalmente de dois fatores:1. A densidade de volume do transportador de energia. Sólido> líquido >>>>> gás. Este é um bom entendimento.2. A razão de transferência de elétrons do portador de energia. Se a química esquecer, isso é muito difícil de entender; se houver algumas impressões, isso também é um bom entendimento. Os elétrons internos dos átomos não participam da reação química e, naturalmente, não serão transferidos. Apenas a camada externa transferirá o trabalho. A razão de transferência de elétrons é a razão entre o número de elétrons envolvidos na reação e o número total de moléculas. Em geral, o número de elétrons externos do agente redutor não é tanto, mas o número de camadas internas aumenta com o aumento do número de átomos. Mais importante, o número de átomos aumenta depois que o próton e os nêutrons aumentam, e ambos são a principal fonte de qualidade. Dê alguns exemplos: 1) H2-2e = 2H + átomos de hidrogênio apenas um elétron, todos envolvidos na reação, a razão de transferência de elétrons é 100%2) Li-e = Li + O átomo de lítio tem três elétrons, apenas um participa da reação, a razão de transferência de elétrons é 1/3 = 33%3) Zn-2e = Zn2 + átomos de Zn têm trinta elétrons, apenas dois envolvidos na reação, a razão de transferência de elétrons é 2/30 = 6,7%Para a maioria das substâncias, a proporção de transferência de elétrons é muito baixa, pelos motivos mencionados anteriormente. Pode-se ver que apenas os átomos leves nas duas primeiras linhas da tabela periódica provavelmente são bons portadores de energia. Os dois primeiros elementos de apenas 10, hidrogênio hélio lítio berílio boro, oxinitreto de carbono. Quais hélio e neônio são gases inertes, exclusão. O oxigênio e o flúor são agentes oxidantes. O nitrogênio é, na maioria dos casos, gás quase inerte, se não for um gás inerte ou pessoas venenosas ou mortas defumadas, excluídas. Deixamos cinco elementos, hidrogênio (100%), carbono (66%), boro (60%), berílio (50%), lítio (33%). Além disso, se colocarmos um átomo como pólo negativo da bateria. Então a densidade de energia (unidade de massa) da meia-célula pode ser estimada pelo número de elétrons transferidos e o peso atômico. Desde então, a proporção acima será mais díspar. Tome também o hidrogênio como referência: Carbono (4 / 12.33%) Boro (3 / 10,8.28%) Berílio (2 / 9.22%) Lítio (1 / 7.14%) É fácil descobrir que os dois elementos mais adequados para os transportadores de energia são carbono e hidrogênio, e hidrocarbonetos, que são de fato a gasolina comum, o diesel e outros combustíveis. A seleção de carros desses transportadores de alta energia como fonte de energia já é uma solução melhor na natureza. Bateria com uma variedade de hidrocarbonetos em comparação com pode ser considerada inerentemente inadequada. Dois: um dos grandes problemas com a bateria, eliminar o eletrólitoDe acordo com a explicação acima, podemos saber que a bateria é difícil de exceder a densidade do combustível em a densidade de energia, mas parece ser capaz de atingir metade do nível de combustível para 1/4 do nível. No entanto, na realidade, a densidade de energia da bateria é muitas vezes inferior a 1% do combustível. Não acredite nos dados. Comparação de densidade de energia: gasolina 46,4 MJ / Kg, lítio 43,1 MJ / Kg, bateria de lítio (não pode carregar) 1,8 MJ / Kg, bateria de íon de lítio 0,36 ~ 0,875 MJ / KgNa verdade, a densidade de energia de gasolina e lítio muito menos. A principal razão é que o trabalho de transferência de elétrons de carbono para oxigênio não é grande o suficiente (a ligação covalente pode ser diferente), mas de lítio para bateria de lítio. O O O E depois para a bateria de iões de lítio, que aconteceu no meio de quê? A razão é óbvia. Bateria de lítio ou íon de lítio dentro não é apenas lítio metálico, existem outras importações paralelas. Encontrei uma fórmula para estimar o conteúdo de lítio dentro da bateria. Http://www.ponytest.com/document/battery.pdfM = 0,3 * Ah. Com palavras, a capacidade da bateria (segurança) multiplicada por 30% pode calcular o conteúdo de lítio da bateria (g) ou assim, então seu conteúdo de lítio de 2200/1000 * 0,3 = 0,66g é cerca de 1,5% do peso total. Então ah! Para que possamos atualizar apenas o conteúdo de lítio da bateria pode melhorar a densidade de energia! TheReally tão simples o suficiente. Nós primeiro olhamos para a bateria de lítio, além de lítio e o que Han.Não vá! O eu não consigo entender você pode ouvi-lo. Em geral, os quatro componentes da bateria são críticos: o positivo (descarga é o cátodo), o negativo (a descarga é o ânodo), o eletrólito, o diafragma. Positivo e negativo é o lugar onde a reação química ocorre, a posição importante pode ser entendida. Mas para que servem os eletrólitos? O Não funciona ainda é muito pesado. Então olhe para o mapa. A figura mostra que o processo de carga e descarga da bateria é muito bom. Aqui o primeiro disse apenas a descarga: a perda interna da bateria, metal lítio nos elétrons negativos são oxidados para se tornar íons de lítio, através do eletrólito para a transferência positiva; material catódico a ser elétrons são reduzidos, foi a neutralização positiva de íons de lítio. O papel ideal do eletrólito é transportar e transportar apenas íons de lítio. Fora da bateria, os elétrons do negativo através do circuito externo para o positivo transferem, no meio do trabalho. Idealmente, o eletrólito deve ser um bom carreador para íons de lítio, mas não deve ser um bom carreador de elétrons. Portanto, na ausência de circuitos externos, o eletrônico não pode ser transferido do negativo dentro da bateria para o cátodo; apenas a existência de circuitos externos, a transferência eletrônica pode ser realizada. “Você não está dizendo que” os portadores de energia estão envolvidos no processo de mudança do processo químico específico, mas sempre resumidos a uma reação redox. “” A essência da reação redox é a transferência de elétrons do agente redutor para o oxidante, “o carro a gasolina não possui um eletrólito O Mas há combustão eletrônica da gasolina queimando-o, você não pode alimentá-lo? Sim, queimando deve envolver a transferência de elétrons, então a transferência de elétrons em chamas e a transferência eletrônica da bateria são fundamentalmente diferentes onde? A transferência de elétrons em chamas é completamente desordenada na categoria microscópica. Não podemos prever para onde o combustível e as moléculas de oxigênio se moverão na direção do próximo momento, não sabemos qual o combustível na direção dos elétrons serão transferidos para quais moléculas de oxigênio. O movimento aleatório das moléculas de 10 × 20-23 vezes com a transferência aleatória de mais elétrons leva ao resultado de liberação de energia desordenada, ou simplesmente exotérmica. A bateria é melhor do que o ponto de vista. Embora ainda não saibamos o movimento de cada molécula dentro da trajetória da bateria, podemos pelo menos saber: o lítio metálico só perderá a superfície do material do ânodo para se tornar íons de lítio; íons de lítio do início negativo e, finalmente, atingem o cátodo. Os elétrons só se movem da superfície do material do ânodo em direção ao potencial positivo do alto potencial. 10 ^ 20-23 vezes os elétrons do co-movimento, no macro chamamos de corrente. Resumindo Para descarregar, para ordenar a transferência eletrônica, a bateria não tinha que transportar energia, mas eletrólito essencial e uma variedade de materiais auxiliares, reduzindo ainda mais sua densidade de energia. Não. Honestamente, esta parte é apenas um pavimento. Três: a bateria do grande problema, o material da superfície negativaOlá a todos, estou de volta. Se você pode insistir em ler cada linha foi lida aqui, parabéns, sua compreensão da bateria esteve em um nível. Agora revise o conteúdo da seção anterior. O que? O Tudo esquecido? O Nem uma palavra? A densidade de energia das células é diluída devido à ausência de trabalho, mas eletrólitos essenciais e à presença de outros materiais auxiliares. Quanto desses pesos extras existem no final? O peso do eletrólito normalmente responde por 15% do peso total da bateria (o link não pode ser encontrado). Estima-se que a casca, eletrodos externos e outros materiais auxiliares sejam contados, o peso total não deve exceder 50% do peso total da bateria.Não ah, embora a bateria misturada com 'água', mas também não tanta água ah . A densidade de energia da bateria de íons de lítio do mercado também é de cerca de 1% de lítio. O que aconteceu com aquilo? Por que esta frase é tão familiar?Beba mais laranja fresca, vejamos a reação eletroquímica de óxido de cobalto de lítio (Tesla Roadster) mais comum. Na verdade, apenas uma parte da transferência de lítio e cobalto, outros elementos não estão envolvidos na transfer.Em seguida, fazemos um pequeno cálculo: Peso atômico de lítio elementar de 6,9, pode contribuir para uma participação eletrônica na transferência eletrônica. O oxidante vem do ar e não precisa ser considerado. O peso molecular total dos reagentes reagidos com a bateria de óxido de lítio cobalto foi de 98 + 72 = 170, mas apenas metade dos elétrons estava envolvida na transferência de elétrons. Porque apenas parte dos átomos de lítio irá reagir.Se pensarmos que o trabalho dos dois elétrons é o mesmo, então você pode estimar a densidade de energia desses dois transportadores de energia.Densidade de energia da bateria: Densidade de energia do combustível = (0,5 /170 )/(1/6.9) = 2.03% A bateria está completa. Considerando que a bateria tem metade do peso do material auxiliar, não a contei. Então tem que fazer um desconto. Os restantes 1%.Assim, a densidade de energia tornou-se assim: lítio 43,1 MJ / Kg bateria de iões de lítio 0,36 ~ 0,875 MJ / KgHa ha ha ha ha ha ha … … também acompanhá-lo? As quatro operações mais simples ah. Agora sabe o que aconteceu, certo? Agora você entende por que eu disse: A química por trás da bateria limita a densidade de energia da bateria. Em seguida, nossa pergunta é: por que a reação química da bateria é tão complicada, reduzindo diretamente a densidade de energia da bateria. ser mais complexo, estima-se que a maioria das pessoas não tem paciência para ler. Então dê uma resposta simples: Para ordeiro. Bem, sem paciência, você pode ir. O seguinte é muito longo, não pode ler a pessoa média. Comece antes do lançamento da imagem: O resto dos alunos, não é que o mapa está muito familiarizado? Na verdade, o diagrama da bateria de lítio, mas desta vez por causa da estrutura da superfície do ânodo catódico são exibidos. Você acha que eles são regras muito elegantes ah? As regras puras mudam a ordem, ordenadamente. Por que o pólo positivo da estrutura da superfície precisa ser ordenado? Porque é necessário garantir que a reação redox ocorra apenas na superfície dos eletrodos positivos e negativos durante a carga/descarga, para que haja corrente. Olhamos para o grafite (C6) onde o negativo. A tarefa do pólo negativo é muito simples, para garantir que a descarga de átomos de lítio (não íons) seja perdida na superfície negativa dos elétrons, carregando-os e depois pegando-os de volta. Devido à baixa voltagem do ânodo no momento do carregamento, os íons de lítio carregados positivamente se movem espontaneamente em direção ao eletrodo negativo, e os elétrons são devolvidos aos átomos de lítio. Parece que não há nada de grafite ah? OSe for uma bateria de uso único, não precisa de grafite. Mas se for carregar e descarregar a bateria, o material da superfície do ânodo não é grafite, serão outras substâncias. Não venda a criança, e logo no final Nota do Editor TheHills É muita reflexão. Ao carregar, os íons de lítio na superfície negativa dos elétrons se tornam átomos de lítio. e depois? Todos nós sabemos que todos os metais são bons condutores de elétrons, o lítio é metal, então o lítio é um bom condutor eletrônico. Assim, os primeiros átomos de lítio negativos tornam-se parte do negativo, depois voltam aos íons de lítio negativos adicionados às fileiras do antigo lítio. O The The Assim que o cristal consistindo inteiramente de átomos de lítio apareceu. Este processo, também conhecido como cristal. O resultado é que o cristal de lítio perfurará o diafragma até o polo positivo, de modo que o curto-circuito da bateria se desfaça. Para a cristalização desse fenômeno, podemos entender isso. . Podemos apenas garantir que os íons de lítio se movam para a superfície negativa, mas não podemos garantir que os íons de lítio sejam distribuídos uniformemente na superfície negativa. Portanto, na ausência de restrições externas, o cristal de lítio será carregado na superfície negativa do crescimento indefinido, a formação de dendritos (cristal dendrítico). Portanto, deve haver uma restrição. Para cavar um poço para deixar os íons de lítio dentro saltarem. O desempenho específico deste poço é a superfície do cátodo do material de grafite. Conforme mostrado na figura acima, o espaço entre as camadas de grafite é grande o suficiente para acomodar um único átomo de lítio, mas apenas um único átomo de lítio; e, em seguida, a adsorção física entre a camada de grafite e o átomo de lítio pode conter os átomos de lítio, na ausência de tensão externa também pode ficar à vontade quando a superfície negativa. Assim, os átomos de lítio não serão um crescimento brutal. Mas a densidade de energia não está em alta. Quatro: o grande problema da bateria três, o material de superfície positivaPara permitir que os átomos de lítio sejam distribuídos uniforme e uniformemente na superfície do eletrodo negativo em cada carga, a superfície do eletrodo negativo requer uma estrutura solidificada para restringir (ordenadamente, reduzir a entropia) a distribuição de átomos de lítio. Este design dilui a densidade de energia da bateria em grande medida. O eletrodo positivo na verdade tem o mesmo problema. Para permitir que os íons de lítio sejam distribuídos uniforme e uniformemente na superfície do eletrodo positivo em cada descarga, a superfície do eletrodo positivo precisa de uma camada de estrutura solidificada para restringir (ordenadamente, reduzir a entropia) a distribuição de íons de lítio. Este design dilui a densidade de energia da bateria em grande medida. Mas mais do que isso Esta é a carga do material do cátodo da bateria e as mudanças na estrutura de descarga no diagrama. Onde M representa um átomo de metal e X representa um átomo de oxigênio. O tamanho dos vários átomos desta figura não leva a sério. Os íons de lítio são muito menores que os outros dois. Podemos ver que MX2 no substrato positivo na formação de várias camadas de estrutura muito estruturada (muito ordenada), a descarga, os elétrons na agregação positiva (positiva), os íons de lítio se movem para o positivo, intercalado na estrutura MX2 da lacuna, assim distribuição ordenada na superfície positiva. Os íons metálicos no MX2 são reduzidos eletronicamente, agindo assim como um agente oxidante. Uma vez que essa estrutura desmoronou, é impossível responder a ela. Como fazer? É o suficiente para parar no cátodo da bateria em função disso, ou seja, a superfície positiva deve manter uma certa quantidade de íons de lítio para manter a integridade da estrutura. Essa quantidade, geralmente 50%. É por isso que a reação anterior terá uma quantidade desconhecida de x. Mesmo no estado totalmente carregado, há quase metade do íon de lítio para permanecer na superfície positiva. Portanto, a densidade de energia é menor. Off-topic: É por isso que a bateria de lítio tem medo de carga excessiva, uma vez sobrecarregada, o cátodo do íon de lítio funciona e essa pilha de madeira entrará em colapso. Cinco: o grande problema da bateria quatro, a escolha de materiais no esticado, e outros, suponho que as pessoas aqui estão plenamente conscientes das restrições sobre o design da bateria recarregável. Para a transferência ordenada de elétrons, a fim de distribuir ordenadamente os íons de lítio e os átomos de lítio, as baterias precisam de eletrólitos e vários materiais auxiliares, a necessidade de uma estrutura regular na superfície do ânodo do cátodo, que é à custa da densidade de energia. Agora, voltando ao meu argumento: 1) a tecnologia da bateria é muito fraca: como esses projetos são inteligentes, obviamente o culminar da sabedoria humana. 2) a tecnologia da bateria promissora: para as perspectivas futuras, devemos ter uma atitude realista. A tecnologia da bateria foi desenvolvida há mais de 100 anos, tem sido o período de surto; apoiar o desenvolvimento da tecnologia de bateria para a teoria da física e da química, seu grande desenvolvimento do grande avanço na Segunda Guerra Mundial acabou. A tecnologia de bateria futura previsível deve ser baseada no desenvolvimento atual da bateria. No campo de uso civil, a densidade de energia da bateria é um dos problemas mais problemáticos, mas é o problema mais difícil de resolver. A densidade de energia das baterias passadas foi capaz de continuar a melhorar, porque os cientistas têm procurado elementos com menor peso atômico que atuem como oxidante, agente redutor e estrutura de suporte. Então nós testemunhamos do chumbo-ácido ao níquel-cádmio, do níquel-cádmio ao níquel-hidrogênio, do níquel-hidrogênio ao atual processo de desenvolvimento da bateria recarregável de íon-lítio, mas depois? Agente redutor: Eu disse no início. Alta proporção de transferência de elétrons nos elementos de alguns: hidrogênio, carbono, boro, berílio, lítio. Que é adequado como um agente redutor de bateria recarregável apenas lítio. Hidrogênio, carbono só aparece na célula de combustível. Boro, berílio não é a principal direção de pesquisa, não sei porque é.Oxidante: Se você não usa metal de transição, então a escolha é a segunda linha da terceira linha dos elementos do grupo principal. O halogênio não é suficiente, então o oxigênio e o enxofre restantes. A realidade é que as baterias de lítio-ar (óxido de lítio) e as baterias de lítio-enxofre têm muita gente para estudar, mas o progresso não é otimista. Por quê? Porque a estrutura da superfície da bateria é um grande problema. A nanotecnologia está fazendo muito progresso? Os cientistas certamente serão capazes de usar uma variedade de nanofios nanotubos nanoesferas nano-tigela de grafeno projetado uma estrutura de superfície fina e ordenada. Esses laboratórios serão separados uns dos outros vai liberar algumas grandes novidades ah. Mas há duas questões, pode querer pensar. 1) grafite sempre foi a escolha do material do ânodo da bateria de lítio, na verdade, se considerar apenas a energia densidade, então o estanho metálico é mais adequado como material negativo. Mas até agora também a sony lançou a bateria de eletrodo de estanho (Sony nexelion 14430W1) Por que isso acontece? ) No entanto, devido a razões de densidade de compactação, o uso desses materiais, a capacidade da bateria não é como a bateria de lítio-cobalto. Por que as pessoas estudam muito? o
Fonte: Meeyou Carbide