Pengumuman baru - baru ini oleh Tesla dari Powerwall, sistem penyimpanan baterai residensial lithium-ion (Li-ion) yang baru, telah menyebabkan cukup aduk. Bahkan menimbulkan kemungkinan akan off-the-grid, mengandalkan panel surya untuk menghasilkan listrik, dan menyimpannya dengan baterai mereka sendiri dan menggunakannya sesuai permintaan.

Namun teknologi lithium-ion yang digunakan oleh Tesla bukanlah satu-satunya yang ditawarkan. Sebenarnya, masing-masing dari berbagai teknologi baterai memiliki kekuatan dan kelemahan tersendiri, dan beberapa bahkan mungkin lebih unggul dari lithium-ion untuk instalasi rumah. Berikut adalah survei cepat teknologi baterai saat ini, dan beberapa di antaranya sedang dalam pengembangan.

Daya baterai

Semua baterai isi ulang terdiri dari dua elektroda dipisahkan oleh a elektrolit (lihat diagram di bawah). Dua reaksi kimia reversibel yang berbeda terjadi pada dua elektroda. Saat pengisian, "spesies aktif" - yaitu molekul bermuatan, seperti ion lithium untuk baterai Li-ion - disimpan di anoda. Selama debit ini bermigrasi ke katoda. Reaksi kimia terjadi pada a potensi yang bisa digunakan untuk menyalakan sirkuit eksternal.

Setiap jenis teknologi baterai dapat dinilai berdasarkan sejumlah kriteria, seperti:

• Recyclability, yang berapa kali bisa diisi dan diberhentikan

  ---

  

  ---

• Kepadatan energi, yang merupakan ukuran energi yang tersimpan per satuan massa, diukur dalam Watt-jam (ukuran yang mewakili Watt output daya lebih dari satu jam) per kilogram (Wh / kg)

• Kepadatan khusus, yaitu energi yang tersimpan per satuan volume, diukur dalam Watt-jam per liter (Wh / l).

teknologi yang paling cocok untuk aplikasi tertentu tergantung pada tuntutan peran itu.

Timbal-asam

Baterai asli yang dapat diisi ulang terdiri dari asam sulfat pekat sebagai elektrolit (H?SO?), dan timbal (Pb) serta timbal dioksida (PbO?) pada anoda dan katoda, yang keduanya diubah menjadi timbal sulfat selama pengisian dan pengosongan.

Baterai timbal-asam masih digunakan di mobil, karavan dan di beberapa jaringan relay listrik. Mereka memiliki daur ulang yang sangat tinggi, sehingga seumur hidup panjang. Hal ini dibantu oleh penggunaan jangka pendek dan pengisian konstan - yaitu selalu menjaga baterai hampir di biaya 100% - seperti yang terjadi pada mobil. Sebaliknya, slow charge dan discharge secara signifikan mengurangi masa pakai baterai timbal-asam.

Meskipun memimpin beracun dan asam sulfat bersifat korosif, baterai sangat kuat dan jarang menimbulkan bahaya kepada pengguna. Namun, jika digunakan pada pemasangan di rumah, ukuran yang lebih besar dan volume bahan yang dibutuhkan juga akan meningkatkan bahaya.

Powerwall Tesla Li-ion hadir dalam versi 7 kilowatt-hours (kWh) atau 10kWh. Demi perbandingan, kita akan melihat berapa ukuran baterai yang dibutuhkan untuk menyalakan rumah empat orang yang mengkonsumsi 20kWh per hari, yang kira-kira sama dengan rata-rata nasional untuk rumah semacam itu

Baterai timbal-asam memiliki densitas energi 30 sampai 40Wh / kg dan 60 ke 70Wh / l. Ini berarti sistem 20kWh akan menimbang 450 ke 600kg dan mengambil 0.28 ke 0.33 meter kubik ruang (tidak termasuk ukuran atau berat sel casing dan peralatan lainnya). Volume ini dapat dikelola untuk sebagian besar rumah tangga - kira-kira cocok dengan kotak 1 x 1 x 0.3 meter - namun beratnya berarti baterai itu harus tidak bergerak.

Lithium-ion

Baterai isi ulang utama saat ini didasarkan pada pergerakan ion litium (Li) antara anoda karbon berpori dan katoda oksida Li-logam. Komposisi katoda memiliki efek yang besar terhadap performa dan kestabilan baterai.

Sekarang lithium-kobalt-oksida menunjukkan kapasitas muatan yang superior. Namun, lebih rentan terhadap kerusakan daripada alternatif, seperti lithium-titante atau lithium-iron-phosphate, meskipun ini memiliki kapasitas muatan lebih rendah.

Salah satu penyebab umum kesalahan adalah pembengkakan katoda karena ion Li dimasukkan ke dalam strukturnya bersamaan dengan pelapisan anoda dengan logam litium, yang bisa menjadi eksplosif. Kesempatan kerusakan dapat dikurangi dengan membatasi tingkat biaya / debit, tetapi contoh laptop atau telepon baterai meledak / terbakar yang tidak jarang.

Masa pakai baterai juga sangat bergantung pada komposisi anoda, katoda dan elektrolit. Umumnya, daya tahan Li-ion lebih unggul dari baterai timbal-asam, dengan Tesla melaporkan masa pakai 15 bertahun-tahun (5,000 siklus, pada satu siklus per hari) untuk 10 kWh Powerwall, berdasarkan elektroda lithium-manganese-kobalt.

The 10kWh Tesla Powerwall berat 100kg dan memiliki dimensi 1.3 x 0.86 x 0.18 meter. Jadi untuk empat orang rumah tangga rata-rata akan membutuhkan dua unit dihubungkan secara seri, datang ke berat total 200kg dan 1.3 x 1.72 x 0.18 meter atau 0.4 meter kubik, yang lebih ringan dari timbal-asam, tetapi membutuhkan lebih banyak ruang.

Nilai-nilai ini sama dengan 100Wh / kg dan 50Wh / l, yang lebih rendah dari yang dilaporkan untuk baterai oksida Li-kobalt (150-250Wh / kg dan 250-360Wh / l), namun dalam kisaran yang terkait dengan masa pakai baterai yang lebih aman dan lebih lama Li -titanat (90Wh / kg) dan fosfat Li-besi (80 sampai 120Wh / kg).

Perbaikan Masa Depan Untuk Baterai Lithium

Teknologi baterai masa depan bisa memperbaiki angka ini lebih jauh. Lab penelitian di seluruh dunia sedang bekerja untuk meningkatkan energi, lifetime, dan keselamatan baterai berbasis lithium yang spesifik.

Bidang penelitian utama meliputi perubahan komposisi katoda, seperti pekerjaan dengan lithium-iron-phosphate or lithium-mangan-kobalt, di mana rasio yang berbeda atau struktur kimia bahan dapat secara drastis mempengaruhi kinerja.

Mengubah elektrolit, seperti menggunakan cairan organik atau ionik, dapat memperbaiki energi spesifik, walaupun harganya terjangkau dan memerlukan fabrikasi yang lebih terkontrol, seperti di lingkungan yang bebas debu atau kelembaban yang terkontrol / terbatas.

Penggunaan Nanomaterials, dalam bentuk analog nanosized carbonues (graphene dan nanotube karbon) atau nanopartikel, bisa memperbaiki katoda dan anoda. Pada anoda, graphene atau carbon nano yang sangat konduktif dan kuat dapat menggantikan material saat ini, yaitu grafit atau campuran karbon berpori aktif dan grafit.

Graphene dan karbon nanotube menunjukkan luas permukaan yang lebih tinggi, konduktivitas yang lebih tinggi dan stabilitas mekanik lebih tinggi dari karbon aktif dan grafit. Komposisi yang tepat dari yang paling anoda dan katoda saat ini rahasia dagang, namun tingkat produksi komersial dari nanotube karbon mengisyaratkan bahwa sebagian besar ponsel dan laptop baterai saat ini memiliki nanotube karbon sebagai bagian dari elektroda mereka.

Baterai berbasis laboratorium telah menunjukkan kapasitas penyimpanan yang luar biasa, terutama untuk energi spesifik (Wh / kg). Tapi seringkali bahannya mahal atau prosesnya sulit untuk skala ke tingkat industri. Dengan pengurangan lebih lanjut biaya material dan penyederhanaan sintesis lebih lanjut, tidak ada keraguan bahwa penerapan Nanomaterials akan terus meningkatkan kapasitas, masa pakai dan keamanan baterai berbasis litium.

Lithium-air dan Lithium-sulfur

Lithium-sulfur dan lithium-air Baterai adalah desain alternatif dengan prinsip dasar gerakan Li-ion yang serupa antara dua elektroda, dengan kapasitas teoritis yang jauh lebih tinggi.

Dalam kedua kasus tersebut, anodanya adalah sepotong tipis litium sedangkan katodanya adalah Li?O? bersentuhan dengan udara di Li-air, dan sulfur aktif di baterai Li-S. Prediksi kapasitas maksimal adalah 320Wh / kg untuk Li-ion, 500Wh / kg untuk Li-S dan 1,000Wh / kg untuk Li-udara.

Energi spesifik terkait dengan berat ringan litium pada anoda dan katoda (menggantikan grafit / karbon dan oksida logam transisi) dan tinggi redoks potensial antara elektroda.

Dengan anoda baterai ini adalah logam lithium, sejumlah besar lithium yang dibutuhkan untuk baterai xNUMXkWh skala hunian (20kg untuk Li-air dan 18kg untuk Li-S) dapat membatasi penggunaannya pada perangkat yang lebih kecil dalam media pendek-ke-medium. istilah.

Sodium-ion dan magnesium-ion

Lithium memiliki nomor atom 3 dan duduk di baris 1 dari tabel periodik. Langsung di bawah adalah Sodium (Na, nomor atom 11).

Baterai Na-ion dianggap sebagai alternatif yang layak untuk Li-ion, terutama karena kelimpahan relatif natrium. Katoda terdiri dari oksida Na-logam, seperti natrium-besi-fosfat, sedangkan anoda adalah karbon berpori. Karena ukuran ion Na, grafit tidak dapat digunakan dalam anoda dan karbon Nanomaterials sedang diteliti sebagai bahan anoda. Selain itu massa Sodium lebih besar dari Li, jadi kapasitas muatan per satuan massa dan volume umumnya lebih rendah.

Magnesium berada di sebelah kanan natrium pada tabel periodik (Mg, nomor atom 12) di baris 2, yang berarti ia dapat berada dalam larutan sebagai Mg²? (dibandingkan dengan Li¹? dan Na¹?). Dengan muatan Na dua kali lipat, Mg mampu menghasilkan energi listrik dua kali lipat untuk volume yang sama.

Baterai Mg-ion terdiri dari anoda Mg-sliver dan katoda oksida Mg-metal, dan memiliki diprediksi maksimal energi spesifik 400Wh/kg. Hambatan penelitian saat ini adalah muatan ganda pada Mg²? membuatnya lebih lamban dalam bergerak melalui elektrolit, sehingga memperlambat laju pengisian.

Arus Baterai

Baterai aliran terdiri dari dua tangki penyimpanan diisi dengan elektrolit dipisahkan oleh membran pertukaran proton, yang memungkinkan aliran elektron dan ion hidrogen, namun membatasi pencampuran elektrolit di tangki penyimpanan. Contohnya termasuk vanadium-vanadium dengan sulfat atau bromida, seng-bromin dan bromin-hidrogen.

Baterai aliran vanadium memiliki daya tahan yang sangat lama dengan sistem menjadi sangat stabil. Mereka dapat ditingkatkan hampir tanpa batas tapi memerlukan pompa untuk mengolah elektrolit di sekitar tangki penyimpanan. Hal ini membuat mereka tidak bergerak.

Baterai aliran vanadium memiliki energi khusus pada kisaran 10-20Wh / kg dan densitas energi 15-25Wh / l. Itu berarti untuk menyalakan rumah 20kWh, Anda memerlukan baterai dengan massa 900-1800Kg, yang akan mengambil 0.8-1.33m³.

Dengan daya tahan tinggi tapi tinggi, baterai sel vanadium lebih cocok untuk aplikasi besar seperti pembangkit listrik kecil daripada pemakaian hunian.

Dalam jangka pendek kemungkinan baterai Li-ion akan terus ditingkatkan, dan bahkan bisa mencapai 320Wh / kg. Teknologi masa depan memiliki kemampuan untuk menghasilkan energi spesifik dan / atau kepadatan energi yang lebih tinggi, namun diperkirakan akan memasuki pasar terlebih dahulu pada perangkat yang lebih kecil sebelum beralih ke penyimpanan energi hunian.

Tentang Penulis

Cameron Shearer adalah Research Associate in Physical Sciences di Flinders University. Dia saat ini meneliti aplikasi Nanomaterials di sel surya dan baterai.

Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Membaca Artikel asli.