Kimyasal bir batarya için en yüksek teorik enerji yoğunluğu nedir?

Bu daha fazla fizik / kimya / nanoteknoloji sorusudur, ancak atomları istediğiniz şekilde düzenleyebiliyorsanız, kimyasal bir bataryadan (veya yakıt hücresinden) alabileceğiniz en iyi teorik enerji yoğunluğu nedir? Diamond Age'de açıklanan nanoteknoloji pillerini düşünüyorum . Mevcut teknolojilerle nasıl karşılaştırılır?

Bu özellikle , nükleer, antimadde, CAM veya diğer daha egzotik teknolojiler yerine, atomları atom tarafından yüklü halde kurulabilecek kimyasal pillerle ilgilidir .

Bu sorunun asıl cevabını bilmiyorum, ama cevabın en az üstünde olduğunu ve asıl cevabı bulmanın bir yolunu biliyorum.

Pil bilimcilerinin maksimum teorik özgül enerji denilen bir metriği vardır; Gelişmiş Pillerde tanımları Robert Huggins tarafından okuyabilirsiniz . Şu anda, satın alabileceğiniz en fazla enerji harcayan piller, 100-200 Wh / kg aralığında olan lityum iyondur. En iyi pil ne olduğunu bilmiyorum, ama daha sonra kitapta , Huggins gösterileri hesaplamalar Li / CuCl belirtmek o ₂ hücreleri 1166,4 Wh / kg mtse var. (Mevcut akülerin kapasitesinin 5 katı!)

En yüksek MTSE'nin en az 1166.4 Wh / kg olduğunu biliyoruz; Bu yöntemi diğer kimyalar için aynı değeri hesaplamak için kullanabilirsiniz, ancak arama alanı oldukça geniştir.

Ayrıca internette sırasıyla 2815 ve 5200 Wh / kg MTSE'li Li / O ₂ ve Al / O ₂ bataryalarına referanslar gördüm . Bu referansların ne kadar güvenilir olduğundan emin değilim. Daha sonra yapılan referanslar, Elektrokimyasal Derneği Dergisi'ndeki bu 2008 makalesinde olduğu gibi , Li / ₀₂ hücresi için MTSE'nin yaklaşık 1400 Wh / kg olduğunu göstermektedir.

Eğer "bataryayı" kimyasal bir reaksiyona dayanarak ( büyülü araçlarla) elektrik üreten bir tür cihaz olarak genişletmek istiyorsak ,% 100 en yüksek sınır, reaksiyonun kimyasal entalpisi olacaktır.

Teorik bir "şeker + hava" batarya için hesaplamalar:

• Glikozun standart yanma entalpisi: −2805 kJ / mol (Bunun standart elementlere ayrışmanın ötesinde bir kısayol olduğunu düşünüyorum?)
• 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · s / kg

Kimyasal olarak en yoğun bileşiğin ne olduğundan emin değilsiniz, fakat onu buna bağlayabilirsiniz.

Nükleer enerjili hücreler daha da büyülü olabilir, E = mc²:

• 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · s

Tekniğin bilinen durumu lityum / kükürt bataryaları yaklaşık 350 Wh / kg'dır. Ve bu nedenle listelenen kimyaların çoğu gibi unobtainium değil.

İşte bazı ayrıntılı bilgi: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

Yakıt pilleri, pillere göre daha yüksek enerji enerji yoğunluğuna sahip olacak, ancak daha düşük güç yoğunluklarına sahip olacaktır. Öte yandan, kapasitörler daha yüksek güç yoğunluğuna, ancak daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olacaktır.

Bu teorik değerleri göz önünde bulundurun

enerji yoğunluğu = voltaj x kapasite

güç yoğunluğu = voltaj x akım

kapasite = Faraday const x # elektron aktarıldı (örneğin: Li-ion piller için 1) x 1 / MW

akım, kapasiteye ve boşalma hızına bağlıdır. Örneğin, bir C / 2 oranında, 2 saat içinde tamamen boşalırsınız, böylece toplam kapasite 100 mAh / g ise, akım 1 g için 50 mA olacaktır. Diyelim ki 2V'luk bir pilimiz var, sonra Güç 1g için 100 mW olacaktır. (ayrıca bu bataryanın enerji yoğunluğu 200 mWh / g olacaktır)

gerilim = E0 katot - E0 anodu, E0 = - delta G (Serbest Gibbs Enerjisinde olduğu gibi) / (#charges x Faraday const)

anotta metal iyonunun azaldığı en yaygın durumda (Li-iyon dahil) E0anode metalin indirgenme potansiyelidir, buraya bakınız: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

örneğin: Li + + e−, Li (ler) ile dengede. E0 = −3.0401 V