Was ist die höchste theoretische Energiedichte für eine chemische Batterie?

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Dies ist eher eine Frage aus den Bereichen Physik / Chemie / Nanotechnologie. Aber wie hoch ist die theoretisch beste Energiedichte, die Sie aus einer chemischen Batterie (oder Brennstoffzelle) herausholen können, wenn Sie Atome auf eine von Ihnen gewünschte Weise anordnen können? Ich denke an die in Diamond Age beschriebenen Nanotech-Batterien . Wie ist es im Vergleich zu aktuellen Technologien?

Hierbei handelt es sich insbesondere um chemische Batterien, die im geladenen Zustand Atom für Atom aufgebaut werden können, nicht um Kern-, Antimaterie-, CAM- oder andere exotischere Technologien.

energy storage battery-chemistry Endolith
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Je nachdem, wie theoretisch Sie sein wollen, ist eine Anti-Mater-Batterie meiner Meinung nach die theoretisch höchste Batterie. Wenn sie mit Materie reagiert, erhalten Sie eine perfekte oder nahezu perfekte Umwandlung von Masse in Energie.
Mark
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Zählen Antimaterie-Materie-Reaktionen als chemische Reaktionen?
Endolith
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@sybreon: Disziplinen
Nick T
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Gibt es ein Limit für die Anzahl der Kilowattstunden, die eine AAA-Batterie (oder AA-Batterie) aufnehmen kann, obwohl sie als Duplikat dieser Frage geschlossen wurde ? hat Antworten (wie diese , die sich eher auf die Energiedichte bezogen auf das Volumen als auf das Gewicht beziehen, auf die sich diese Antworten zu konzentrieren scheinen.
Mark Booth
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So wie ich es verstehe, hat die Vanadium-Borid-Luft-Batterie eine theoretische Energiedichte in der Größenordnung von 27 kWh / Liter. Ich vergesse, dass dies in kWh / kg geklappt hat, aber Benzin ist nur ~ 10 kWh / l. Soweit ich weiß, ist es jedoch nicht wiederaufladbar. 27 kWh / l schlagen die Hosen für maximale Energie auf kleinstem Raum aus. In Bezug auf das Gewicht (kWh / kg) denke ich, dass der Gewinner Lithium-Luft ist.
Sam

Antworten:

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Ich kenne die eigentliche Antwort auf diese Frage nicht, aber ich kenne eine Mindestobergrenze für die Antwort und ein Mittel, um die wirkliche Antwort herauszufinden.

Batteriewissenschaftler haben eine Metrik, die als maximale theoretische spezifische Energie bezeichnet wird. Sie können über die Definition in Advanced Batteries von Robert Huggins lesen . Derzeit können Sie Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiedichte von 100-200 Wh / kg kaufen. Ich weiß nicht, was die beste Batterie ist, aber später im Buch zeigt Huggins Berechnungen, die darauf hinweisen, dass Li / CuCl 2 -Zellen eine MTSE von 1166,4 Wh / kg haben. (5x die Kapazität der aktuellen Batterien!)

Wir wissen, dass die höchste MTSE mindestens 1166,4 Wh / kg beträgt; Sie könnten seine Methode verwenden, um den gleichen Wert für andere Chemikalien zu berechnen, aber der Suchraum ist ziemlich groß.

Ich habe im Internet auch Hinweise auf Li / O 2 - und Al / O 2 -Batterien mit einem MTSE von 2815 bzw. 5200 Wh / kg gesehen. Ich bin mir nicht sicher, wie glaubwürdig diese Referenzen sind. Spätere Referenzen, wie dieser Artikel aus dem Jahr 2008 im Journal of the Electrochemical Society, legen nahe, dass die MTSE für eine Li / O 2 -Zelle bei etwa 1400 Wh / kg liegt.

pingswept
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Scheint, als würden Batterien, die Luft atmen, die Energiedichteberechnung betrügen, indem sie etwas außerhalb der Batterie verwenden, um Energie (O2 in Luft) zu speichern, ohne sie in der Masse zu zählen? Sie werden dem Motor eines Autos ähnlicher als dem Kraftstofftank.
Matt B.
@MattB .: Ja, es ist eine Art Betrug, aber eine Art nicht. Ich bin froh, dass es erwähnt wurde, weil ich nicht daran gedacht hatte.
Endolith
Von den verschiedenen chemischen Metall-Luft-Batterie-Paaren (Tabelle 1) ist die Li-Luft-Batterie die attraktivste, da die Zellentladungsreaktion zwischen Li und Sauerstoff zu Li 2 O gemäß 4Li + O 2 → 2Li 2 O einen offenen Kreislauf aufweist Spannung von 2,91 V und eine theoretische spezifische Energie von 5210 Wh / kg. In der Praxis ist kein Sauerstoff in der Batterie gespeichert, und die theoretische spezifische Energie ohne Sauerstoff beträgt 11140 Wh / kg (40,1 MJ / kg). Vergleichen Sie diese mit der Abbildung von 44 MJ / kg für Benzin (siehe Benzin-Energieinhalt). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery
Endolith
Die obere Bindung ist erreichbar, wenn Sie eine kleine Zelle, aber viel Kraftstoff haben.
user3528438
Denken Sie auch daran, was die erste Brennstoffzelle läuft, der bis heute einfachste und dichteste Brennstoff für Brennstoffzellen.
user3528438
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Wenn wir "Batterie" erweitern wollen, um eine Art Gerät zu bezeichnen, das auf der Grundlage einer chemischen Reaktion (auf magische Weise) Elektrizität erzeugt , wäre die obere 100% -Effizienzgrenze die chemische Enthalpie der Reaktion.

Berechnungen für eine theoretische "Zucker + Luft" -Batterie:

  • Standard-Verbrennungsenthalpie von Glukose: −2805 kJ / mol (Ich denke, dies ist eine Abkürzung, die über die Zersetzung in Standardelemente hinausgeht?)
  • 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 Wh / kg

Ich bin nicht sicher, was die chemisch dichteste Verbindung ist, aber Sie könnten es einfach anschließen.

Nuklear angetriebene Zellen könnten noch magischer sein, E = mc²:

  • 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h
Nick T
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Diese anderen Chemikalien müssten magisch sein, weil sie Elektronen nicht direkt durch Metall drücken.
Endolith
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Meistens, weil es sich nicht um elektrochemische Zellen handelt, müsste die Umwandlung von Energie in Elektrizität auf eine andere Weise erfolgen (z. B. Kraftwerke oder Kraftwerke ).
Nick T
Zucker + Luft? Warum nicht etwa C4 + Luft?
Kevin Vermeer
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C4 (oder TNT) ist weniger energiedicht als Zucker. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
Matt B.
oder Kohlenstoff-Luft mit weniger Wasserstoff. Diamant als Kohlenstoff verwenden? Reiner C12-Diamant für geringes Gewicht? :)
wbeaty
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Gegenwärtig sind Lithium / Schwefel-Batterien nach dem Stand der Technik etwa 350 Wh / kg. Und deshalb nicht unobtainium wie viele der gelisteten Chemien.

Hier einige detaillierte Informationen: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

Glenn
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Keine Mathe? Kein Zitat?
Bort
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@Glenn Das Markup-System scheint Ihren Link verpfuscht zu haben. Würdest du es gerne nochmal versuchen? Bearbeiten Sie es vorzugsweise in Ihre Antwort.
AaronD
Getan. Bitte verzeih mir. Ich bin neu in diesem Board.
Glenn
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Brennstoffzellen haben höhere theoretische Energiedichten als Batterien, aber niedrigere Leistungsdichten. Auf der anderen Seite haben Kondensatoren höhere Leistungsdichten, aber niedrigere Energiedichten.

Betrachten Sie diese theoretischen Werte

Energiedichte = Spannung x Kapazität

Leistungsdichte = Spannung x Strom

Kapazität = Faradaysche Konstante x # übertragene Elektronen (Beispiel: 1 für Li-Ionen-Batterien) x 1 / MW

Strom ist abhängig von der Kapazität und der Entladerate. Bei einer C / 2-Rate entladen Sie sich beispielsweise in 2 Stunden vollständig. Wenn also die Gesamtkapazität 100 mAh / g beträgt, beträgt der Strom 50 mA für 1 g. Nehmen wir an, wir haben eine 2-V-Batterie, dann beträgt die Leistung 100 mW für 1 g. (auch die Energiedichte dieser Batterie würde 200 mWh / g betragen)

Spannung = E0Kathode - E0Anode, E0 = - Delta G (wie bei Free Gibbs Energy) / (# Gebühren x Faradaysche Konstante)

Im häufigsten Fall, in dem Sie eine Reduktion eines Metallions an der Anode haben (einschließlich Li-Ion), ist E0anode das Reduktionspotential des Metalls, siehe hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

Zum Beispiel: Li + + e− ist im Gleichgewicht mit Li (s) E0 = -3,0401 V

guywithaquestion
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