Mật độ năng lượng lý thuyết cao nhất cho pin hóa học là gì?

Đây không chỉ là câu hỏi vật lý / hóa học / công nghệ nano, nhưng mật độ năng lượng tốt nhất về mặt lý thuyết mà bạn có thể lấy ra từ pin hóa học (hay pin nhiên liệu), nếu bạn có thể sắp xếp các nguyên tử theo bất kỳ cách nào bạn muốn? Tôi đang nghĩ về pin nano được mô tả trong Thời đại kim cương . Làm thế nào để nó so sánh với các công nghệ hiện tại?

Đây là đặc biệt về pin hóa học , có thể được chế tạo từng nguyên tử ở trạng thái tích điện, không phải hạt nhân, phản vật chất, CAM hoặc các công nghệ kỳ lạ khác.

Tôi không biết câu trả lời thực sự cho câu hỏi này, nhưng tôi biết ít nhất là giới hạn trên của câu trả lời, và một phương tiện để tìm ra câu trả lời thực sự.

Các nhà khoa học pin có một số liệu gọi là năng lượng cụ thể tối đa theo lý thuyết; bạn có thể đọc về định nghĩa trong Pin tiên tiến của Robert Huggins . Ngay bây giờ, pin đậm đặc năng lượng nhất bạn có thể mua là lithium ion, nằm trong phạm vi 100-200 Wh / kg. Tôi không biết pin tốt nhất là gì, nhưng sau đó trong cuốn sách , Huggins cho thấy các tính toán chỉ ra rằng các tế bào Li / CuCl ₂ có MTSE là 1166,4 Wh / kg. (5x dung lượng của pin hiện tại!)

Chúng tôi biết rằng MTSE cao nhất ít nhất là 1166,4 Wh / kg; bạn có thể sử dụng phương pháp của mình để tính giá trị tương tự cho các hóa chất khác, nhưng không gian tìm kiếm khá lớn.

Tôi cũng đã thấy các tài liệu tham khảo trên internet về pin Li / O ₂ và Al / O ₂ với MTSE lần lượt là 2815 và 5200 Wh / kg. Không chắc chắn làm thế nào đáng tin cậy những tài liệu tham khảo là. Các tài liệu tham khảo sau này, như bài báo năm 2008 này trên Tạp chí của Hiệp hội điện hóa, đề xuất rằng MTSE cho một tế bào Li / O ₂ là khoảng 1400 Wh / kg.

Nếu chúng ta muốn mở rộng "pin" có nghĩa là một loại thiết bị tạo ra điện dựa trên phản ứng hóa học (thông qua các phương tiện ma thuật ), giới hạn hiệu suất 100% trên sẽ là entanpy hóa học của phản ứng.

Tính toán cho pin "đường + không khí" lý thuyết:

• Entanpi tiêu chuẩn của quá trình đốt cháy glucose: 8052805 kJ / mol (Tôi nghĩ rằng đây là một lối tắt ngoài sự phân hủy thành các yếu tố tiêu chuẩn?)
• 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Không chắc chắn hợp chất đậm đặc hóa học nhất là gì, nhưng bạn chỉ có thể cắm nó vào đó.

Các tế bào hạt nhân có thể còn kỳ diệu hơn nữa, E = mc²:

• 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h

Hiện tại của pin lithium / lưu huỳnh hiện đại là khoảng 350 Wh / kg. Và do đó, không unobtainium như nhiều hóa chất được liệt kê.

Dưới đây là một số thông tin chi tiết: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

pin nhiên liệu sẽ có mật độ năng lượng trị liệu cao hơn pin, nhưng mật độ năng lượng thấp hơn. mặt khác, tụ điện sẽ có mật độ năng lượng cao hơn nhưng mật độ năng lượng thấp hơn.

Hãy xem xét các giá trị lý thuyết này

mật độ năng lượng = điện áp x công suất

mật độ năng lượng = điện áp x hiện tại

công suất = Faraday const x #electrons được chuyển (ví dụ: 1 cho pin Li-ion) x 1 / MW

hiện tại phụ thuộc vào công suất và tốc độ xả. Ví dụ ở tốc độ C / 2, bạn sẽ xả hoàn toàn trong 2 giờ, vì vậy nếu tổng dung lượng là 100 mAh / g, thì hiện tại sẽ là 50 mA trong 1g. Hãy nói rằng chúng ta có pin 2V, sau đó Power sẽ là 100 mW trong 1g. (cũng là mật độ năng lượng của pin này sẽ là 200 mWh / g)

điện áp = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (như trong Năng lượng Gibbs miễn phí) / (#chargees x Faraday const)

trong trường hợp phổ biến nhất khi bạn khử ion kim loại ở cực dương (bao gồm Li-ion) E0anode là khả năng khử của kim loại, xem tại đây: http://en.wikipedia.org/wiki/Stiteria_electrode_potential_%28data_page% 29

ví dụ: Li + + e− ở trạng thái cân bằng với Li (s) E0 = −3.0401 V