¿Cuál es la densidad de energía teórica más alta para una batería química?

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Esta es más una pregunta de física / química / nanotecnología, pero ¿cuál es la mejor densidad de energía teórica que podría obtener de una batería química (o celda de combustible), si pudiera organizar los átomos de la manera que quisiera? Estoy pensando en las baterías de nanotecnología descritas en Diamond Age . ¿Cómo se compara con las tecnologías actuales?

Esto se trata específicamente de baterías químicas , que podrían construirse átomo por átomo en el estado cargado, no nuclear, antimateria, CAM u otras tecnologías más exóticas.

energy storage battery-chemistry endolito
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dependiendo de cuán teórico quieras ser, una batería antimaterial sería la más alta teórica, creo, ya que cuando reacciona con la materia obtienes una conversión perfecta o casi perfecta de masa a energía.
Mark
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¿Las reacciones antimateria-materia cuentan como reacciones químicas?
Endolith
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@sybreon: Disciplinas ordenadas por pureza.
Nick T
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Aunque está cerrado como un duplicado de esta pregunta, ¿hay un límite para la cantidad de kilovatios-hora que puede soportar una batería AAA (o AA)? tiene respuestas (como esta que habla de la densidad de energía relacionada con el volumen en lugar del peso, en el que estas respuestas parecen concentrarse.
Mark Booth
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Según tengo entendido, la batería Vanadium-Boride-Air tiene una densidad de energía teórica del orden de 27kwh / litro, olvido lo que funcionó en kwh / kg, pero la gasolina es solo ~ 10kwh / L. Sin embargo, no es recargable hasta donde yo sé. 27kwh / L supera a todos los pantalones para obtener la máxima energía en el mínimo espacio. En cuanto al peso (kwh / kg), creo que el ganador es Lithium-Air.
Sam

Respuestas:

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No sé la respuesta real a esta pregunta, pero sé un límite mínimo superior a la respuesta, y un medio para descubrir la respuesta real.

Los científicos de baterías tienen una métrica llamada energía específica teórica máxima; Puedes leer sobre la definición en Advanced Batteries de Robert Huggins . En este momento, las baterías más densas en energía que puede comprar son de iones de litio, que están en el rango de 100-200 Wh / kg. No sé cuál es la mejor batería, pero más adelante en el libro , Huggins muestra cálculos que indican que las celdas de Li / CuCl 2 tienen un MTSE de 1166.4 Wh / kg. (¡5 veces la capacidad de las baterías actuales!)

Sabemos que el MTSE más alto es al menos 1166.4 Wh / kg; podría usar su método para calcular el mismo valor para otras químicas, pero el espacio de búsqueda es bastante grande.

También he visto referencias en Internet a baterías Li / O 2 y Al / O 2 con MTSE de 2815 y 5200 Wh / kg, respectivamente. No estoy seguro de cuán creíbles son esas referencias. Referencias posteriores, como este artículo de 2008 en el Journal of the Electrochemical Society, sugieren que el MTSE para una celda de Li / O 2 es de alrededor de 1400 Wh / kg.

pingswept
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¿Parece que las baterías que respiran aire están haciendo trampa en el cálculo de la densidad de energía al usar algo fuera de la batería para ayudar a almacenar energía (O2 en el aire) sin contarla en la masa? Se vuelven más análogos al motor de un automóvil que a su tanque de combustible.
Matt B.
@MattB .: Sí, es una especie de trampa, pero no. Me alegro de que se haya mencionado ya que no lo había pensado.
endolito
"De las diversas parejas químicas de baterías de metal-aire (Tabla 1), la batería de Li-aire es la más atractiva, ya que la reacción de descarga celular entre Li y oxígeno para producir Li2O, de acuerdo con 4Li + O2 → 2Li2O, tiene un circuito abierto voltaje de 2.91 V y una energía específica teórica de 5210 Wh / kg. En la práctica, el oxígeno no se almacena en la batería, y la energía específica teórica que excluye el oxígeno es 11140 Wh / kg (40.1 MJ / kg). Compare esto con la figura de 44 MJ / kg para gasolina (ver contenido de energía de gasolina) ". en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery
endolith
El enlace superior se puede lograr si tiene una celda pequeña pero mucho combustible.
user3528438
Recuerde también qué funciona la primera celda de combustible, el combustible más fácil y de mayor densidad para la celda de combustible hasta el día de hoy.
user3528438
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Si queremos ampliar "batería" para que signifique algún tipo de dispositivo que genere electricidad en base a una reacción química (por medios mágicos ), el límite superior del 100% eficiente sería la entalpía química de la reacción.

Cálculos para una batería teórica "azúcar + aire":

  • Entalpía estándar de combustión de glucosa: −2805 kJ / mol (¿Creo que este es un atajo más allá de la descomposición en elementos estándar?)
  • 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

No estoy seguro de cuál es el compuesto químicamente más denso, pero podría enchufarlo.

Las células con energía nuclear podrían ser aún más mágicas, E = mc²:

  • 1 kg × c² = 2.5 × 10 ** 13 W · h
Nick T
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¿Estas otras químicas tendrían que ser mágicas porque no empujan directamente los electrones a través del metal?
endolito el
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Principalmente porque no son células electroquímicas, por lo que la conversión de energía a electricidad tendría que ocurrir de otra manera (por ejemplo, plantas de energía o plantas de plantas .)
Nick T
Azúcar + Aire? ¿Por qué no, por ejemplo, C4 + aire?
Kevin Vermeer
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C4 (o TNT de todos modos) es menos denso en energía que el azúcar. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
Matt B.
o carbono-aire, con menos hidrógeno involucrado. ¿Usar el diamante como carbono? Diamante puro C12, para bajo peso? :)
wbeaty
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Las baterías actuales de litio / azufre de última generación son de aproximadamente 350 Wh / kg. Y, por lo tanto, no unobtainium como muchas de las químicas enumeradas.

Aquí hay información detallada: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

Glenn
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¿Sin matemáticas? ¿Ninguna cita?
Bort
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@Glenn El sistema de marcado parece haber estropeado su enlace. ¿Le gustaría volver a intentarlo? Preferiblemente edítelo en su respuesta.
AaronD
Hecho. Por favor perdoname. Soy nuevo en este foro.
Glenn
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las celdas de combustible tendrán densidades de energía heréticas más altas que las baterías, pero densidades de energía más bajas. Por otro lado, los condensadores tendrán densidades de potencia más altas pero densidades de energía más bajas.

Considere estos valores teóricos

densidad de energía = voltaje x capacidad

densidad de potencia = voltaje x corriente

capacidad = Faraday const x #electrones transferidos (ej: 1 para baterías de iones de litio) x 1 / MW

la corriente depende de la capacidad y la velocidad de descarga. Por ejemplo, a una velocidad de C / 2, descargará completamente en 2 horas, por lo que si la capacidad total es de 100 mAh / g, la corriente será de 50 mA por 1 g. Digamos que tenemos una batería de 2V, entonces la potencia será de 100 mW por 1g. (también la densidad de energía de esta batería sería de 200 mWh / g)

voltaje = E0 cátodo - E0anode, E0 = - delta G (como en Energía libre de Gibbs) / (#charges x Faraday const)

En el caso más frecuente en el que tiene una reducción de un ion metálico en el ánodo (iones de litio incluidos) E0anode es el potencial de reducción del metal, consulte aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

por ejemplo: Li + + e− está en equilibrio con Li (s) E0 = −3.0401 V

pregunta de chico
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