Qual è la più alta densità di energia teorica per una batteria chimica?

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Questa è più una domanda di fisica / chimica / nanotecnologia, ma qual è la migliore densità di energia teorica che potresti ottenere da una batteria chimica (o cella a combustibile), se potessi disporre gli atomi nel modo che preferisci? Sto pensando alle batterie nanotecnologiche descritte in Diamond Age . Come si confronta con le tecnologie attuali?

Si tratta in particolare di batterie chimiche , che potrebbero essere costruite atomo per atomo nello stato caricato, non nucleare, antimateria, CAM o altre tecnologie più esotiche.

energy storage battery-chemistry

— endolith
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a seconda di quanto teoricamente tu voglia essere, una batteria anti-mater sarebbe la più alta teoricamente credo che quando reagisce con mater ottieni una conversione perfetta o quasi perfetta dalla massa all'energia.

— Segna il

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Le reazioni della materia antimateria contano come reazioni chimiche?

— endolith,

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@sybreon: Discipline organizzate per purezza.

— Nick T

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Sebbene chiuso come duplicato di questa domanda, esiste un limite al numero di chilo-wattora che una batteria AAA (o AA) può contenere? ha risposte (come questa che parla della densità di energia correlata al volume piuttosto che al peso, su cui queste risposte sembrano concentrarsi.

— Mark Booth,

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A quanto ho capito, la batteria al vanadio-boruro-aria ha una densità di energia teorica dell'ordine di 27kwh / litro, dimentico quello che ha funzionato in kwh / kg, ma la benzina è solo ~ 10kwh / L. Per quanto ne so, non è ricaricabile. 27kwh / L batte i pantaloni per tutto per la massima energia nel minimo spazio. Per quanto riguarda il peso (kwh / kg), penso che il vincitore sia Lithium-Air.

— Sam,

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Non conosco la risposta effettiva a questa domanda, ma conosco un limite minimo alla risposta e un modo per capire la vera risposta.

Gli scienziati delle batterie hanno una metrica chiamata massima energia teorica specifica; puoi leggere la definizione in Advanced Batteries di Robert Huggins . In questo momento, le batterie più dense di energia che puoi acquistare sono gli ioni di litio, che sono nella gamma 100-200 Wh / kg. Non so quale sia la migliore batteria, ma più avanti nel libro , Huggins mostra calcoli che indicano che le celle Li / CuCl ₂ hanno un MTSE di 1166,4 Wh / kg. (5 volte la capacità delle batterie attuali!)

Sappiamo che il MTSE più alto è almeno 1166,4 Wh / kg; potresti usare il suo metodo per calcolare lo stesso valore per altri prodotti chimici, ma lo spazio di ricerca è piuttosto grande.

Ho anche visto riferimenti su Internet alle batterie Li / O ₂ e Al / O ₂ con MTSE da 2815 e 5200 Wh / kg, rispettivamente. Non sono sicuro di quanto siano credibili quei riferimenti. Riferimenti successivi, come questo articolo del 2008 del Journal of Electrochemical Society, suggeriscono che l'MTSE per una cella Li / O ₂ è di circa 1400 Wh / kg.

— pingswept
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Sembra che le batterie che respirano aria stiano truffando il calcolo della densità di energia usando qualcosa al di fuori della batteria per aiutare a immagazzinare energia (O2 in aria) senza contarla nella massa? Diventano più analoghi al motore di un'auto che al suo serbatoio di carburante.

— Matt B.

@MattB .: Sì, è una specie di imbroglio, ma in un certo senso no. Sono contento che sia stato menzionato perché non ci avevo pensato.

— endolith

"Delle varie coppie chimiche della batteria metallo-aria (Tabella 1), la batteria Li-air è la più interessante in quanto la reazione di scarica cellulare tra Li e ossigeno per produrre Li2O, secondo 4Li + O2 → 2Li2O, ha un circuito aperto tensione di 2,91 V e un'energia specifica teorica di 5210 Wh / kg. In pratica, l'ossigeno non viene immagazzinato nella batteria e l'energia specifica teorica escluso l'ossigeno è 11140 Wh / kg (40,1 MJ / kg). Confrontare questo con la figura di 44 MJ / kg per benzina (vedi contenuto di energia della benzina). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery

— endolith

Il legame superiore è realizzabile se hai una piccola cella ma un sacco di carburante.

— user3528438

Ricorda anche che cosa funziona la prima cella a combustibile, il carburante più semplice e ad alta densità per cella a combustibile fino ad oggi.

— user3528438

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Se vogliamo ampliare "batteria" per indicare una sorta di dispositivo che genera elettricità basata su una reazione chimica (tramite mezzi magici ), il limite superiore del 100% sarebbe l'entalpia chimica della reazione.

Calcoli per una batteria "zucchero + aria" teorica:

Entalpia standard di combustione del glucosio: −2805 kJ / mol (penso che questa sia una scorciatoia oltre la decomposizione in elementi standard?)
2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Non sei sicuro di quale sia il composto chimicamente più denso, ma potresti semplicemente collegarlo a quello.

Le celle nucleari potrebbero essere ancora più magiche, E = mc²:

1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h

— Nick T
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Questi altri prodotti chimici dovrebbero essere magici perché non spingono direttamente gli elettroni attraverso il metallo?

— endolith,

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Soprattutto perché non sono celle elettrochimiche, quindi la conversione dell'energia in elettricità dovrebbe avvenire in un altro modo (ad es. Centrali elettriche o impianti ).

— Nick T

Sugar + Air? Perché no, diciamo, C4 + air?

— Kevin Vermeer,

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C4 (o TNT comunque) è meno denso di energia dello zucchero. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

— Matt B.

o carbonio-aria, con meno idrogeno coinvolto. Usa il diamante come carbonio? Diamante C12 puro, per un peso ridotto? :)

— wbeaty

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Le batterie al litio / zolfo attuali sono circa 350 Wh / kg. E quindi non discreto come molti dei chimici elencati.

Ecco alcune informazioni dettagliate: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

— Glenn
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Niente matematica? Nessuna citazione?

— Bort,

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@Glenn Il sistema di markup sembra aver rovinato il tuo link. Vuoi riprovare? Preferibilmente modificalo nella tua risposta.

— AaronD

Fatto. Ti prego, perdonami. Sono nuovo di questo consiglio.

— Glenn,

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le celle a combustibile avranno densità di energia termica più elevate rispetto alle batterie, ma densità di potenza inferiori. d'altra parte, i condensatori avranno densità di potenza più elevate ma densità di energia più basse.

Considera questi valori teorici

densità di energia = tensione x capacità

densità di potenza = tensione x corrente

capacità = const di Faraday x #elettroni trasferiti (es: 1 per batterie agli ioni di litio) x 1 / MW

la corrente dipende dalla capacità e dalla velocità di scarica. Ad esempio a una velocità C / 2, si scaricherà completamente in 2 ore, quindi se la capacità totale è di 100 mAh / g, la corrente sarà di 50 mA per 1 g. Diciamo che abbiamo una batteria da 2 V, quindi la potenza sarà di 100 mW per 1 g. (anche la densità di energia di questa batteria sarebbe di 200 mWh / g)

voltage = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (come in Free Gibbs Energy) / (#charges x Faraday const)

nel caso più prevalente in cui si ha la riduzione di uno ione metallico nell'anodo (Li-ion incluso) E0anode è il potenziale di riduzione del metallo, vedere qui: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

per esempio: Li + + e− è in equilibrio con Li (s) E0 = −3.0401 V

— guywithaquestion
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