Nuevos tipos de baterías están reemplazando a las baterías de iones de litio. Baterías de supercapacidad en miniatura desarrolladas

Cada año, la cantidad de dispositivos en el mundo que funcionan con baterías aumenta constantemente. No es ningún secreto que las baterías son el eslabón más débil de los dispositivos modernos. Hay que recargarlos regularmente, no tienen una capacidad tan grande. Las baterías recargables existentes son difíciles de lograr el funcionamiento autónomo de una tableta o computadora móvil durante varios días.

Por lo tanto, los fabricantes de vehículos eléctricos, tabletas y teléfonos inteligentes ahora buscan formas de almacenar cantidades significativas de energía en volúmenes más compactos de la propia batería. A pesar de los diferentes requisitos impuestos a las baterías para vehículos eléctricos y dispositivos móviles, es fácil establecer paralelismos entre ellos. En particular, el famoso automóvil eléctrico Tesla Roadster funciona con una batería de iones de litio diseñada específicamente para computadoras portátiles. Es cierto que para proporcionar electricidad a un automóvil deportivo, los ingenieros tuvieron que usar más de seis mil de estas baterías al mismo tiempo.

Ya se trate de un automóvil eléctrico o de dispositivos móviles, los requisitos universales para la batería del futuro son claros: debe ser más pequeña, más liviana y almacenar mucha más energía. ¿Qué desarrollos prometedores en esta área pueden cumplir con estos requisitos?

Baterías de iones de litio y polímero de litio

Batería de cámara de iones de litio

Hasta la fecha, las baterías de iones de litio y de polímero de litio son las más utilizadas en dispositivos móviles. En cuanto a las baterías de iones de litio (Li-Ion), se producen desde principios de los 90. Su principal ventaja es una densidad de energía bastante alta, es decir, la capacidad de almacenar una cierta cantidad de energía por unidad de masa. Además, tales baterías no tienen el notorio "efecto memoria" y tienen una autodescarga relativamente baja.

El uso de litio es bastante razonable, porque este elemento tiene un alto potencial electroquímico. La desventaja de todas las baterías de iones de litio, de las que actualmente hay una gran cantidad de tipos, es el envejecimiento bastante rápido de la batería, es decir, una fuerte disminución del rendimiento durante el almacenamiento o el uso prolongado de la batería. Además, el potencial de capacidad de las modernas baterías de iones de litio, aparentemente, casi se ha agotado.

Otro desarrollo de la tecnología de iones de litio son las fuentes de alimentación de polímero de litio (Li-Pol). Utilizan un material sólido en lugar de un electrolito líquido. En comparación con su predecesor, las baterías de polímero de litio tienen una mayor densidad de energía. Además, ahora era posible fabricar baterías en casi cualquier forma (la tecnología de iones de litio solo requería una caja cilíndrica o rectangular). Tales baterías tienen dimensiones pequeñas, lo que les permite usarse con éxito en varios dispositivos móviles.

Sin embargo, la aparición de las baterías de polímero de litio no cambió radicalmente la situación, en particular porque tales baterías no son capaces de entregar corrientes de descarga altas y su capacidad específica aún es insuficiente para salvar a la humanidad de la necesidad de recargar constantemente los dispositivos móviles. Además, las baterías de polímero de litio tienen un funcionamiento bastante "caprichoso", tienen una fuerza insuficiente y tienden a encenderse.

Tecnologías prometedoras

En los últimos años, científicos e investigadores de varios países han estado trabajando activamente para crear tecnologías de baterías más avanzadas que puedan reemplazar a las existentes en un futuro próximo. En este sentido, hay varias áreas más prometedoras:

— Baterías de litio-azufre (Li-S)

La batería de litio-azufre es una tecnología prometedora, la capacidad de energía de dicha batería es el doble que la de iones de litio. Pero en teoría podría ser aún mayor. Tal fuente de energía utiliza un cátodo líquido que contiene azufre, mientras que está separado del electrolito por una membrana especial. Es debido a la interacción del ánodo de litio y el cátodo que contiene azufre que la capacitancia específica aumentó significativamente. La primera muestra de una batería de este tipo apareció en 2004. Desde entonces, se han logrado algunos avances, gracias a los cuales la avanzada batería de litio-azufre es capaz de soportar mil quinientos ciclos completos de carga y descarga sin una pérdida importante de capacidad.

Las ventajas de esta batería también incluyen la posibilidad de usarla en un amplio rango de temperatura, la ausencia de la necesidad de usar componentes de protección reforzados y un costo relativamente bajo. Un dato interesante es que fue gracias al uso de una batería de este tipo que en 2008 se estableció un récord de duración de un vuelo en un avión alimentado por energía solar. Pero para la producción en masa de una batería de litio-azufre, los científicos todavía tienen que resolver dos problemas principales. Se requiere encontrar una forma eficaz de utilizar azufre, así como garantizar un funcionamiento estable de la fuente de energía en condiciones de temperatura o humedad cambiantes.

— Baterías de magnesio-azufre (Mg/S)

Las baterías basadas en un compuesto de magnesio y azufre también pueden pasar por alto las baterías de litio tradicionales. Es cierto que hasta hace poco nadie podía asegurar la interacción de estos elementos en una célula. La batería de magnesio-azufre en sí se ve muy interesante, porque su densidad de energía puede llegar a más de 4000 Wh/l. No hace mucho tiempo, aparentemente gracias a investigadores estadounidenses, lograron resolver el principal problema que se interponía en el desarrollo de baterías de magnesio y azufre. El hecho es que para un par de magnesio y azufre no había un electrolito adecuado compatible con estos elementos químicos.

Sin embargo, los científicos lograron crear un electrolito tan aceptable debido a la formación de partículas cristalinas especiales que aseguran la estabilización del electrolito. Una muestra de batería de magnesio y azufre incluye un ánodo de magnesio, un separador, un cátodo de azufre y un electrolito nuevo. Sin embargo, este es solo el primer paso. Una muestra prometedora, desafortunadamente, aún no es duradera.

— Baterías de iones de fluoruro

Otra fuente de energía interesante que ha aparecido en los últimos años. Aquí, los aniones de flúor son los responsables de la transferencia de cargas entre los electrodos. En este caso, el ánodo y el cátodo contienen metales que se convierten (de acuerdo con la dirección de la corriente) en fluoruros o se restauran. Esto proporciona una capacidad de batería significativa. Los científicos dicen que tales fuentes de energía tienen una densidad de energía diez veces mayor que las capacidades de las baterías de iones de litio. Además de una capacidad significativa, las nuevas baterías también cuentan con un riesgo de incendio significativamente menor.

Para el papel de la base del electrolito sólido, se probaron muchas opciones, pero la elección finalmente se decidió por el lantano de bario. Si bien la tecnología de iones de fluoruro parece ser una solución muy prometedora, no está exenta de inconvenientes. Después de todo, un electrolito sólido puede funcionar de manera estable solo a altas temperaturas. Por lo tanto, los investigadores se enfrentan a la tarea de encontrar un electrolito líquido capaz de operar con éxito a temperatura ambiente normal.

— Baterías de litio-aire (Li-O2)

Hoy en día, la humanidad se esfuerza por utilizar más fuentes de energía "limpias" asociadas a la generación de energía a partir del sol, el viento o el agua. En este sentido, las baterías de litio-aire son muy interesantes. En primer lugar, son considerados por muchos expertos como el futuro de los vehículos eléctricos, pero con el tiempo pueden encontrar aplicación en los dispositivos móviles. Tales fuentes de alimentación tienen una capacidad muy alta y, al mismo tiempo, son de tamaño relativamente pequeño. El principio de su funcionamiento es el siguiente: en lugar de óxidos metálicos, se usa carbono en el electrodo positivo, que entra en una reacción química con el aire, como resultado de lo cual se crea una corriente. Es decir, el oxígeno se usa parcialmente aquí para generar energía.

El uso de oxígeno como material de cátodo activo tiene sus propias ventajas significativas, porque es un elemento casi inagotable y, lo que es más importante, se extrae del medio ambiente de forma totalmente gratuita. Se cree que la densidad de energía de las baterías de litio-aire puede alcanzar un nivel impresionante de 10 000 Wh/kg. Tal vez en un futuro cercano, tales baterías puedan poner a los autos eléctricos a la par de los autos que funcionan con gasolina. Por cierto, las baterías de este tipo, lanzadas para dispositivos móviles, ya se pueden encontrar a la venta con el nombre de PolyPlus.

— Baterías de nanofosfato de litio

Las fuentes de alimentación de nanofosfato de litio son la próxima generación de baterías de iones de litio, con salida de alta corriente y carga ultrarrápida. Solo se necesitan quince minutos para cargar completamente una batería de este tipo. También permiten diez veces más ciclos de carga que las celdas estándar de iones de litio. Estas características se lograron mediante el uso de nanopartículas especiales que pueden proporcionar un flujo de iones más intenso.

Las ventajas de las baterías de nanofosfato de litio incluyen también una autodescarga débil, la ausencia de un "efecto memoria" y la capacidad de operar en un amplio rango de temperatura. Las baterías de nanofosfato de litio ya están disponibles comercialmente y se utilizan en algunos tipos de dispositivos, pero su distribución se ve obstaculizada por la necesidad de un cargador especial y un mayor peso en comparación con las baterías modernas de iones de litio o polímero de litio.

De hecho, existen muchas más tecnologías prometedoras en el campo de la creación de baterías recargables. Los científicos e investigadores están trabajando no solo para crear soluciones fundamentalmente nuevas, sino también para mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio existentes. Por ejemplo, mediante el uso de nanocables de silicio o el desarrollo de un nuevo electrodo con una capacidad única de "autocuración". En cualquier caso, no está lejano el día en que nuestros teléfonos y otros dispositivos móviles vivirán durante semanas sin recargar.

En la nota anterior, se enumeraron brevemente varios métodos de acumulación, es decir, la acumulación y conservación de energía. Debido al volumen limitado de un artículo separado, la revisión resultó ser bastante superficial. Y, quizás, la pregunta principal que quedó fuera del alcance de ese artículo puede formularse de la siguiente manera: “¿Cuál es la forma preferida de almacenar energía en tal o cual situación?”. Por ejemplo, ¿qué método de almacenamiento de energía se debe elegir para una casa privada o una casa de campo equipada con una instalación solar o eólica? Obviamente, nadie construirá una gran estación de almacenamiento por bombeo en este caso, sin embargo, es posible instalar una gran capacidad elevándola a una altura de 10 metros. Pero, ¿sería suficiente tal instalación para mantener un suministro constante de electricidad en ausencia del sol?

Para responder a las preguntas que surgen, es necesario desarrollar algunos criterios para evaluar baterías, que le permitan obtener estimaciones objetivas. Y para esto, debe considerar los diversos parámetros de las unidades, lo que le permite obtener estimaciones numéricas.

¿Capacidad o carga almacenada?

Cuando hablan o escriben sobre baterías de automóviles, a menudo mencionan un valor que se denomina capacidad de la batería y se expresa en amperios-hora (para baterías pequeñas, en miliamperios-hora). Pero, estrictamente hablando, el amperio-hora no es una unidad de capacidad. La capacitancia en la teoría de la electricidad se mide en faradios. Un amperio hora es una unidad de medida. cobrar! Es decir, se debe considerar la característica de la batería (y así se llama) carga acumulada.

En física, la carga se mide en culombios. Un colgante es la cantidad de carga que pasa a través de un conductor a una corriente de 1 amperio en un segundo. Dado que 1 C / s es igual a 1 A, entonces, al convertir horas a segundos, obtenemos que un amperio-hora será igual a 3600 C.

Cabe señalar que, incluso a partir de la definición del colgante, está claro que la carga caracteriza un determinado proceso, a saber, el proceso de corriente que pasa a través del conductor. Lo mismo se sigue incluso del nombre de otra cantidad: un amperio-hora es cuando una corriente de un amperio fluye a través del conductor durante una hora.

A primera vista, puede parecer que hay alguna inconsistencia aquí. Después de todo, si estamos hablando de la conservación de la energía, entonces la energía acumulada en cualquier batería debe medirse en julios, ya que es el julio en física el que sirve como unidad de energía. Pero recordemos que la corriente en el conductor ocurre solo cuando hay una diferencia de potencial en los extremos del conductor, es decir, se aplica voltaje al conductor. Si el voltaje en los terminales de la batería es de 1 voltio y por el conductor fluye una carga de un amperio-hora, obtenemos que la batería cedió 1 V 1 Ah = 1 Wh de energía.

Así, en relación a las baterías, es más correcto hablar de energía almacenada (energía almacenada) o sobre cargo acumulado (reservado). Sin embargo, dado que el término "capacidad de la batería" está muy extendido y de alguna manera es más familiar, lo usaremos, pero con algunas aclaraciones, es decir, hablaremos de capacidad energética.

Capacidad de energía- la energía emitida por una batería completamente cargada cuando se descarga al valor más bajo permitido.

Usando este concepto, intentaremos calcular y comparar aproximadamente la capacidad de energía de varios tipos de dispositivos de almacenamiento de energía.

Capacidad energética de las baterías químicas

Una batería eléctrica completamente cargada con una capacidad declarada (carga) de 1 Ah es teóricamente capaz de proporcionar una corriente de 1 amperio durante una hora (o, por ejemplo, 10 A durante 0,1 horas, o 0,1 A durante 10 horas). Pero demasiada corriente de descarga de la batería conduce a una salida de energía menos eficiente, lo que reduce de forma no lineal el tiempo que funciona con dicha corriente y puede provocar un sobrecalentamiento. En la práctica, la capacidad de las baterías se da en base a un ciclo de descarga de 20 horas hasta el voltaje final. Para baterías de automóviles, es de 10,8 V. Por ejemplo, la inscripción en la etiqueta de la batería "55 Ah" significa que es capaz de entregar una corriente de 2,75 amperios durante 20 horas y, al mismo tiempo, el voltaje en los terminales no cae por debajo de 10.8 AT.

Los fabricantes de baterías a menudo enumeran la energía almacenada en Wh (Wh) en las especificaciones de sus productos en lugar de la carga almacenada en mAh (mAh), lo que generalmente no es correcto. En el caso general, no es fácil calcular la energía almacenada a partir de la carga almacenada: se requiere la integración de la potencia instantánea cedida por la batería durante todo el tiempo de su descarga. Si no se necesita mayor precisión, en lugar de integrar, puede usar los valores promedio del voltaje y la corriente consumida y usar la fórmula:

1 Wh = 1 V 1 Ah. Es decir, la energía almacenada (en ¿Qué?) es aproximadamente igual al producto de la carga almacenada (en Ah) a media tensión (en voltios): mi = q · tu. Por ejemplo, si la capacidad (en el sentido habitual) de una batería de 12 voltios es de 60 Ah, entonces la energía almacenada, es decir, su capacidad energética, será de 720 Wh.

Capacidad energética de los acumuladores de energía gravitatoria

En cualquier libro de texto de física, puedes leer que el trabajo A realizado por alguna fuerza F al levantar un cuerpo de masa m a una altura h se calcula mediante la fórmula A = m g h, donde g es la aceleración de caída libre. Esta fórmula tiene lugar en el caso en que el movimiento del cuerpo es lento y las fuerzas de fricción pueden despreciarse. El trabajo contra la gravedad no depende de cómo levantemos el cuerpo: verticalmente (como un peso en un reloj), a lo largo de un plano inclinado (como cuando tiramos de un trineo cuesta arriba), o de cualquier otra forma. En todos los casos, el trabajo A = m · g · h. Cuando se baja el cuerpo al nivel inicial, la fuerza de gravedad producirá el mismo trabajo que la fuerza F gastó al levantar el cuerpo. Esto significa que al levantar el cuerpo, hemos almacenado un trabajo igual a m · g · h, es decir, el cuerpo levantado tiene una energía igual al producto de la fuerza de gravedad que actúa sobre este cuerpo y la altura a la que se eleva. Esta energía no depende de la forma en que se haya realizado el ascenso, sino que está determinada únicamente por la posición del cuerpo (la altura a la que se eleva o la diferencia de alturas entre la posición inicial y final del cuerpo) y se denomina potencial energía.

Usando esta fórmula, estimemos la capacidad energética de una masa de agua bombeada a un tanque de 1000 litros de capacidad, elevado 10 metros sobre el nivel del suelo (o el nivel de una turbina hidrogeneradora). Supondremos que el tanque tiene la forma de un cubo con una longitud de borde de 1 m Entonces, de acuerdo con la fórmula en el libro de texto de Landsberg, A \u003d 1000 kg (9.8 m / s 2) 10.5 m \u003d 102900 kg m 2 / s 2 . Pero 1 kg m 2 / s 2 es igual a 1 julio, y al convertirlo en vatios-hora, obtenemos solo 28,583 vatios-hora. Es decir, para obtener una capacidad energética igual a la capacidad de un acumulador eléctrico convencional de 720 vatios-hora, es necesario aumentar el volumen de agua en el tanque en 25,2 veces. El tanque deberá tener una longitud de costilla de aproximadamente 3 metros. Al mismo tiempo, su capacidad energética será igual a 845 vatios-hora. Esto es más que la capacidad de una sola batería, pero el volumen de instalación es significativamente mayor que el tamaño de una batería de automóvil de plomo-zinc convencional. Esta comparación sugiere que tiene sentido considerar no la energía almacenada en algún sistema como energía en sí misma, sino en relación con la masa o volumen del sistema bajo consideración.

Capacidad de energía específica

Por lo que hemos llegado a la conclusión de que es recomendable correlacionar la capacidad energética con la masa o volumen del acumulador, o del propio portador, por ejemplo, agua vertida en un depósito. Se pueden considerar dos indicadores de este tipo.

Consumo de energía específico de masa llamaremos a la capacidad de energía del dispositivo de almacenamiento en relación con la masa de este dispositivo de almacenamiento.

Volumen de consumo de energía específico la llamaremos capacidad energética del almacenamiento, referida al volumen de este almacenamiento.

Ejemplo. Batería de plomo-ácido Panasonic LC-X1265P, diseñada para un voltaje de 12 voltios, tiene una carga de 65 amperios-hora, peso - 20 kg. y dimensiones (LxAnxAl) 350 166 175 mm. Su vida útil a t = 20 C es de 10 años. Por lo tanto, su consumo de energía específico de masa será 65 12 / 20 = 39 vatios-hora por kilogramo, y el consumo de energía específico volumétrico - 65 12 / (3,5 1,66 1,75) = 76,7 vatios-hora por kilogramo decimetro cúbico o 0,0767 kWh por cúbico metro.

Para el dispositivo de almacenamiento de energía gravitacional considerado en el apartado anterior, basado en un tanque de agua de 1000 litros, el consumo de energía másico específico será de solo 28.583 watt-horas/1000 kg = 0.0286 W-h/kg, que es 1363 veces menor que la masa consumo de energía de la batería de plomo-zinc. Y aunque la vida útil de un tanque de almacenamiento gravitacional puede resultar significativamente más larga, desde un punto de vista práctico, un carro tanque parece menos atractivo que una batería de almacenamiento.

Consideremos algunos ejemplos más de dispositivos de almacenamiento de energía y calculemos su consumo de energía específico.

Intensidad energética del acumulador de calor

La capacidad calorífica es la cantidad de calor absorbido por un cuerpo cuando se calienta 1 °C. Dependiendo de la unidad cuantitativa a la que pertenezca la capacidad calorífica, hay capacidad calorífica másica, volumétrica y molar.

La capacidad calorífica específica de masa, también llamada simplemente capacidad calorífica específica, es la cantidad de calor que debe suministrarse a una unidad de masa de una sustancia para calentarla en una unidad de temperatura. En el SI, se mide en julios por kilogramo por kelvin (J·kg −1 ·K −1).

La capacidad calorífica volumétrica es la cantidad de calor que debe suministrarse a una unidad de volumen de una sustancia para calentarla en una unidad de temperatura. En SI, se mide en julios por metro cúbico por kelvin (J m −3 K −1).

La capacidad calorífica molar es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 mol de una sustancia para calentarla por unidad de temperatura. En SI, se mide en julios por mol por kelvin (J/(mol K)).

Un mol es una unidad de medida para la cantidad de una sustancia en el Sistema Internacional de Unidades. Un mol es la cantidad de sustancia en un sistema que contiene tantos elementos estructurales como átomos hay en el carbono-12 con una masa de 0,012 kg.

El valor del calor específico se ve afectado por la temperatura de la sustancia y otros parámetros termodinámicos. Por ejemplo, medir la capacidad calorífica específica del agua dará resultados diferentes a 20°C y 60°C. Además, la capacidad calorífica específica depende de cómo se permite que cambien los parámetros termodinámicos de la sustancia (presión, volumen, etc.); por ejemplo, el calor específico a presión constante (CP) y volumen constante (CV) son generalmente diferentes.

La transición de una sustancia de un estado de agregación a otro va acompañada de un cambio abrupto en la capacidad calorífica a una temperatura específica del punto de transformación de cada sustancia: el punto de fusión (transición de un sólido a líquido), el punto de ebullición (transición de un líquido en un gas) y, en consecuencia, las temperaturas de las transformaciones inversas: congelación y condensación.

Las capacidades caloríficas específicas de muchas sustancias se dan en libros de referencia, por lo general para un proceso a presión constante. Por ejemplo, la capacidad calorífica específica del agua líquida en condiciones normales es de 4200 J/(kg K); hielo - 2100 J/(kg·K).

Con base en los datos anteriores, se puede intentar estimar la capacidad calorífica de un acumulador de calor de agua (resumen). Suponga que la masa de agua en él es de 1000 kg (litros). Lo calentamos a 80°C y dejamos que suelte calor hasta que se enfríe a 30°C. Si no se preocupa por el hecho de que la capacidad calorífica es diferente a diferentes temperaturas, podemos suponer que el acumulador de calor emitirá 4200 * 1000 * 50 J de calor. Es decir, la capacidad energética de dicho acumulador de calor es de 210 megajulios o 58,333 kilovatios-hora de energía.

Si comparamos este valor con la carga energética de una batería de coche convencional (720 vatios-hora), vemos que para el acumulador de calor considerado la capacidad energética es igual a la capacidad energética de unas 810 baterías eléctricas.

El consumo específico de energía de masa de dicho acumulador de calor (incluso sin tener en cuenta la masa del recipiente en el que se almacenará el agua calentada y la masa del aislamiento térmico) será de 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. Esto ya resulta ser más que el consumo de energía en masa de una batería de plomo-zinc, igual, como se calculó anteriormente, a 39 Wh/kg.

Según estimaciones aproximadas, un acumulador de calor es comparable a una batería de automóvil convencional en términos de capacidad de energía específica volumétrica, ya que un kilogramo de agua es un decímetro de volumen, por lo que su consumo de energía específica volumétrica es también de 76,7 Wh/kg., que exactamente coincide con la capacidad calorífica específica volumétrica de la batería de plomo-ácido. Es cierto que en el cálculo del acumulador de calor, solo tomamos en cuenta el volumen de agua, aunque sería necesario tener en cuenta el volumen del tanque y el aislamiento térmico. Pero en cualquier caso, la pérdida no será tan grande como para un dispositivo de almacenamiento gravitatorio.

Otros tipos de almacenamiento de energía

En el artículo " Resumen del almacenamiento de energía (baterías)» Se proporcionan cálculos de capacidades de energía específicas de algunos dispositivos de almacenamiento de energía más. Tomemos prestados algunos ejemplos de allí.

Almacenamiento de condensadores

Con una capacitancia del capacitor de 1 F y un voltaje de 250 V, la energía almacenada será: E = CU 2 /2 = 1 ∙ 250 2 /2 = 31.25 kJ ~ 8.69 W h. Si usa condensadores electrolíticos, entonces su masa puede ser de 120 kg. La energía específica del almacenamiento es de 0,26 kJ/kg o 0,072 W/kg. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 9 vatios durante una hora. La vida útil de los condensadores electrolíticos puede alcanzar los 20 años. Los ionistas en términos de densidad de energía almacenada están cerca de las baterías químicas. Ventajas: la energía almacenada se puede utilizar durante un corto período de tiempo.

Acumuladores de gravedad de tipo pilote

Primero, elevamos un cuerpo con una masa de 2000 kg a una altura de 5 m, luego el cuerpo desciende bajo la acción de la gravedad, haciendo girar el generador eléctrico. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Capacidad energética específica 0,0138 W hora/kg. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 28 vatios durante una hora. La vida útil de la unidad puede ser de 20 años o más.

Ventajas: la energía almacenada se puede utilizar durante un corto período de tiempo.

Volante

La energía almacenada en el volante se puede encontrar mediante la fórmula E = 0,5 J w 2 , donde J es el momento de inercia del cuerpo giratorio. Para un cilindro de radio R y altura H:

J = 0.5 p r R 4 H

donde r es la densidad del material del que está hecho el cilindro.

Limitación de la velocidad lineal en la periferia del volante V máx (aproximadamente 200 m/s para acero).

Vmax = wmax R o wmax = Vmax /R

Entonces E max = 0.5 J w 2 max = 0.25 p r R 2 H V 2 max = 0.25 M V 2 max

La energía específica será: E max / M = 0,25 V 2 max

Para un volante cilíndrico de acero, el contenido máximo de energía específica es de aproximadamente 10 kJ/kg. Para un volante con una masa de 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m), la energía máxima almacenada puede ser 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,2 2 ∙ 0,1 ∙ 200 2 ~ 1 MJ ~ 0,278 kWh. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 280 vatios durante una hora. La vida del volante puede ser de 20 años o más. Ventajas: la energía almacenada se puede utilizar durante un corto período de tiempo, el rendimiento se puede mejorar considerablemente.

supervolante

Un súper volante, a diferencia de los volantes convencionales, teóricamente es capaz de almacenar hasta 500 Wh por kilogramo de peso debido a las características de diseño. Sin embargo, el desarrollo de súper volantes por alguna razón se detuvo.

Acumulador neumático

Se bombea aire a un tanque de acero con una capacidad de 1 m 3 a una presión de 50 atmósferas. Para soportar esta presión, las paredes del tanque deben tener un espesor de aproximadamente 5 mm. Se utiliza aire comprimido para hacer el trabajo. En un proceso isotérmico, el trabajo A realizado por un gas ideal al expandirse a la atmósfera está determinado por la fórmula:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ log (V 2 / V 1)

donde M es la masa del gas, m es la masa molar del gas, R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta, V 1 es el volumen inicial del gas, V 2 es el volumen final del gas . Teniendo en cuenta la ecuación de estado para un gas ideal (P 1 ∙ V 1 = P 2 ∙ V 2), para esta implementación del acumulador V 2 / V 1 = 50, R = 8.31 J/(mol deg), T = 293 0 K, M/m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, trabajo de expansión de gas 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kWh por ciclo. La masa del accionamiento es aproximadamente igual a 250 kg. La energía específica será de 80 kJ/kg. Durante el funcionamiento, el acumulador neumático puede proporcionar una carga de no más de 5,5 kW durante una hora. La vida útil de un acumulador neumático puede ser de 20 años o más.

Ventajas: el tanque de almacenamiento se puede ubicar bajo tierra, los cilindros de gas estándar en la cantidad requerida con el equipo apropiado se pueden usar como tanque, cuando se usa una turbina eólica, esta última puede impulsar directamente la bomba del compresor, hay una cantidad bastante grande de dispositivos que utilizan directamente la energía del aire comprimido.

Tabla comparativa de algunos dispositivos de almacenamiento de energía

Resumimos todos los valores anteriores de los parámetros de almacenamiento de energía en una tabla general. Pero primero, notamos que el consumo de energía específico permite comparar los acumuladores con el combustible convencional.

La principal característica del combustible es su poder calorífico, es decir la cantidad de calor liberado durante su combustión completa. Distinguir el calor de combustión específico (MJ/kg) y volumétrico (MJ/m3). Convirtiendo MJ a kWh obtenemos.

Las baterías son una regla de todo o nada. Sin almacenamiento de energía de próxima generación, no habrá un punto de inflexión en la política energética ni en el mercado de vehículos eléctricos.

La ley de Moore, postulada en la industria de TI, promete un aumento en el rendimiento del procesador cada dos años. El desarrollo de las baterías va a la zaga: su eficiencia aumenta una media del 7 % anual. Y aunque las baterías de iones de litio de los teléfonos inteligentes modernos duran cada vez más, esto se debe en gran parte al rendimiento optimizado de los chips.

Las baterías de iones de litio dominan el mercado debido a su peso ligero y alta densidad de energía.

Cada año, se instalan miles de millones de baterías en dispositivos móviles, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable. Sin embargo, la tecnología moderna ha llegado a su límite.

La buena noticia es que la próxima generación de baterías de iones de litio ya casi cumple con los requisitos del mercado. Utilizan litio como material de almacenamiento, lo que teóricamente permite multiplicar por diez la densidad de almacenamiento de energía.

Junto a esto, se dan estudios de otros materiales. Aunque el litio proporciona una densidad de energía aceptable, sin embargo, estamos hablando de diseños que son varios órdenes de magnitud más óptimos y económicos. Después de todo, la naturaleza podría brindarnos mejores circuitos para baterías de alta calidad.

Laboratorios universitarios de investigación desarrollan primeros prototipos baterías orgánicas. Sin embargo, puede pasar más de una década antes de que tales biobaterías ingresen al mercado. Un puente hacia el futuro ayuda a estirar las baterías de pequeño tamaño que se cargan al capturar energía.

Fuentes de alimentación móviles

Según Gartner, este año se venderán más de 2 mil millones de dispositivos móviles, cada uno con una batería de iones de litio. Estas baterías se consideran el estándar hoy en día, en parte porque son muy livianas. Sin embargo, solo tienen una densidad energética máxima de 150-200 Wh/kg.

Las baterías de iones de litio se cargan y liberan energía al mover los iones de litio. Durante la carga, los iones cargados positivamente se mueven desde el cátodo a través de la solución electrolítica entre las capas de grafito del ánodo, se acumulan allí y unen los electrones de la corriente de carga.

Al descargar, ceden electrones al circuito de corriente, los iones de litio regresan al cátodo, en el que nuevamente se unen al metal (en la mayoría de los casos, el cobalto) y al oxígeno que se encuentra en él.

La capacidad de las baterías de iones de litio depende de cuántos iones de litio se pueden ubicar entre las capas de grafito. Sin embargo, gracias al silicio hoy en día es posible lograr un funcionamiento más eficiente de las baterías.

En comparación, se necesitan seis átomos de carbono para unir un ion de litio. Un átomo de silicio, por otro lado, puede contener cuatro iones de litio.

Una batería de iones de litio almacena su electricidad en litio. Cuando se carga el ánodo, los átomos de litio se almacenan entre las capas de grafito. Al descargarse, donan electrones y se mueven en forma de iones de litio hacia la estructura en capas del cátodo (cobaltita de litio).

El silicio aumenta la capacitancia

La capacidad de las baterías aumenta cuando se incluye silicio entre las capas de grafito. Aumenta de tres a cuatro veces cuando se combina silicio con litio, pero después de varios ciclos de carga, la capa de grafito se rompe.

La solución a este problema se encuentra en proyecto de puesta en marcha Amprius creado por científicos de la Universidad de Stanford. El proyecto Amprius recibió el apoyo de personas como Eric Schmidt (Presidente de la Junta Directiva de Google) y el premio Nobel Steven Chu (hasta 2013 - Secretario de Energía de EE. UU.).

El silicio poroso en el ánodo aumenta la eficiencia de las baterías de iones de litio hasta en un 50 %. Durante la implementación del proyecto de puesta en marcha de Amprius, se produjeron las primeras baterías de silicio.

Dentro de este proyecto, hay tres métodos disponibles para resolver el "problema del grafito". El primero es aplicación de silicio poroso, que se puede considerar como una "esponja". Cuando el litio se almacena, aumenta muy poco de volumen, por lo tanto, las capas de grafito permanecen intactas. Amprius puede crear baterías que almacenan hasta un 50 % más de energía que las baterías convencionales.

Más eficiente que el silicio poroso en el almacenamiento de energía capa de nanotubos de silicio. En los prototipos se logró casi duplicar la capacidad de carga (hasta 350 Wh/kg).

La "esponja" y los tubos aún deben estar cubiertos con grafito, ya que el silicio reacciona con la solución de electrolito y, por lo tanto, reduce la vida útil de la batería.

Pero también hay un tercer método. Investigadores del proyecto Ampirus inyectados en una capa de carbono grupos de partículas de silicio, que no están directamente en contacto, pero proporcionan espacio libre para que las partículas aumenten de volumen. El litio puede acumularse en estas partículas y la cubierta permanece intacta. Incluso después de mil ciclos de carga, la capacidad del prototipo se redujo solo en un 3%.

El silicio se combina con varios átomos de litio, pero se expande en el proceso. Para evitar la destrucción del grafito, los investigadores utilizan la estructura de la planta de granada: introducen silicio en las cubiertas de grafito, que son lo suficientemente grandes como para incorporar litio adicional.

¿Te gustaría tener un smartphone con batería, desde el que poder “iluminar” un coche? ¿Y a la vez, para que se cargue en cuestión de segundos? Fantástico, dices. Sin embargo, científicos de la Universidad de Illinois han publicado su trabajo, lo que nos da la esperanza de ver este tipo de superbaterías en el futuro.

Esto cambia la idea de las baterías. Puede producir mucha más potencia de la que nadie puede imaginar. En las últimas décadas, la electrónica se ha vuelto más compacta. Las partes "pensantes" de las computadoras también se han vuelto más pequeñas. Y las pilas se quedan muy atrás. Nuestra microtecnología puede cambiar todo eso. Ahora la fuente de alimentación tiene un rendimiento tan alto como cualquier otra cosa.

Con las fuentes de alimentación modernas, el usuario tiene que elegir entre potencia y capacidad. Algunas aplicaciones requieren una gran cantidad de energía (por ejemplo, al transmitir una señal de radio a largas distancias). Los condensadores pueden liberarlo rápidamente, pero al mismo tiempo almacenarlo solo en pequeñas cantidades. Para otras tareas, como escuchar la radio durante mucho tiempo, se necesita una fuente de gran capacidad, como la que tienen, por ejemplo, las pilas de combustible y las baterías. Pero emiten electricidad con bastante lentitud.

Las baterías, desarrolladas por un equipo dirigido por William P. King, permiten la creación de baterías intransigentes que brindan alta potencia sin dejar de tener una gran capacidad. Además, con la ayuda de un simple ajuste del proceso de producción, es posible variar la relación de estos parámetros.

Como sabes, la eficiencia de una batería depende directamente de la superficie de sus electrodos. El equipo logró aumentarlo significativamente con el siguiente proceso tecnológico. Primero, se aplica una capa de poliestireno al sustrato de vidrio. Luego, en esta estructura se “introduce” níquel electrolítico, que sirve de base para futuros cátodos, y se graban bolas de poliestireno. El níquel-estaño se electrochapa en la superficie esponjosa resultante, en el ánodo y el dióxido de manganeso, en el cátodo. Toda la esencia del proceso se presenta claramente en la siguiente ilustración:

El resultado final es una estructura con una gran superficie, liberando más espacio libre para que se produzcan las reacciones químicas.

Los científicos han logrado crear una batería de "microbatería". El siguiente gráfico muestra su comparación con una batería Sony CR1620 convencional:

Con tales baterías, es posible, por ejemplo, transmitir una señal de radio a una distancia 30 veces mayor que con fuentes de energía convencionales o reducir el tamaño de la batería en 30 veces. Además, las baterías pueden cargarse 1000 veces más rápido que las modernas. Impresionante, ¿no?

En estos momentos, los científicos están trabajando en la integración de sus baterías con otros componentes electrónicos, así como en el desarrollo de un proceso de fabricación que permita producirlas en masa a un precio asequible.