Jaka jest najwyższa teoretyczna gęstość energii dla baterii chemicznej?

To jest bardziej pytanie fizyki / chemii / nanotechnologii, ale jaka jest teoretycznie najlepsza gęstość energii, jaką można uzyskać z baterii chemicznej (lub ogniwa paliwowego), jeśli możesz rozmieścić atomy w dowolny sposób? Myślę o bateriach nanotechnologicznych opisanych w epoce diamentów . Jak wypada w porównaniu z obecnymi technologiami?

Dotyczy to w szczególności baterii chemicznych , które mogą być budowane atom po atomie w stanie naładowanym, a nie jądrowym, antymaterii, CAM lub innych bardziej egzotycznych technologii.

Nie znam rzeczywistej odpowiedzi na to pytanie, ale znam przynajmniej górną granicę odpowiedzi i sposób na znalezienie prawdziwej odpowiedzi.

Naukowcy zajmujący się bateriami mają metrykę zwaną maksymalną teoretyczną energią właściwą; o definicji możesz przeczytać w Zaawansowanych bateriach Roberta Hugginsa . W tej chwili najbardziej gęstymi energetycznie bateriami, jakie można kupić, są jony litowe, które są w zakresie 100-200 Wh / kg. Nie wiem, jaka jest najlepsza bateria, ale w dalszej części książki Huggins pokazuje obliczenia wskazujące, że ogniwa Li / CuCl ₂ mają MTSE wynoszące 1166,4 Wh / kg. (5-krotna pojemność obecnych akumulatorów!)

Wiemy, że najwyższy MTSE wynosi co najmniej 1166,4 Wh / kg; możesz użyć jego metody do obliczenia tej samej wartości dla innych chemikaliów, ale przestrzeń wyszukiwania jest dość duża.

Widziałem także w Internecie odniesienia do akumulatorów Li / O ₂ i Al / O ₂ o MTSE odpowiednio 2815 i 5200 Wh / kg. Nie jestem pewien, jak wiarygodne są te odniesienia. Późniejsze odniesienia, takie jak ten artykuł z 2008 roku w Journal of the Electrochemical Society, sugerują, że MTSE dla ogniwa Li / O ₂ wynosi około 1400 Wh / kg.

Jeśli chcemy rozszerzyć „baterię” na jakieś urządzenie, które wytwarza energię elektryczną w oparciu o reakcję chemiczną (za pomocą magicznych środków), górną granicą 100% skuteczności byłaby entalpia chemiczna reakcji.

Obliczenia dla teoretycznej baterii „cukier + powietrze”:

• Standardowa entalpia spalania glukozy: -2805 kJ / mol (myślę, że jest to skrót poza rozkładem na standardowe elementy?)
• 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Nie jestem pewien, jaki jest najgęstszy chemicznie związek, ale możesz go po prostu podłączyć.

Ogniwa zasilane energią jądrową mogą być jeszcze bardziej magiczne, E = mc²:

• 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h

Obecny stan techniki akumulatorów litowo-siarkowych wynosi około 350 Wh / kg. I dlatego nie jest unobtainium jak wiele z wymienionych substancji chemicznych.

Oto kilka szczegółowych informacji: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

ogniwa paliwowe będą miały wyższe teoretyczne gęstości energii niż akumulatory, ale niższe gęstości mocy. z drugiej strony kondensatory będą miały wyższą gęstość mocy, ale niższą gęstość energii.

Rozważ te teoretyczne wartości

gęstość energii = napięcie x pojemność

gęstość mocy = napięcie x prąd

pojemność = stała Faradaya x przeniesione elektrony (np. 1 dla akumulatorów litowo-jonowych) x 1 / MW

prąd zależy od pojemności i szybkości rozładowania. Na przykład przy współczynniku C / 2 rozładujesz się całkowicie w ciągu 2 godzin, więc jeśli całkowita pojemność wynosi 100 mAh / g, wówczas prąd będzie wynosił 50 mA dla 1 g. Powiedzmy, że mamy akumulator 2 V, a następnie Moc będzie wynosić 100 mW na 1 g. (również gęstość energii tego akumulatora wynosiłaby 200 mWh / g)

napięcie = katoda E0 - anoda E0, E0 = - delta G (jak w darmowej energii Gibbsa) / (# ładunki x stała Faradaya)

w najbardziej rozpowszechnionym przypadku, w którym występuje redukcja jonu metalu na anodzie (w tym Li-ion) E0anoda to potencjał redukcji metalu, patrz tutaj: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

na przykład: Li + + e− jest w równowadze z Li (s) E0 = -3,0401 V