¿Física teórica para mejores baterías?

Question

Es el día de la Tierra, así que empecé a pensar en la física teórica de los problemas que podrían ayudar a reducir las emisiones de gases invernadero y combatir el cambio climático.

En realidad, tenemos un rango razonable de las formas de generar energía sin combustibles fósiles. El problema es, sin embargo, que la energía es generada por los grandes inmuebles, plantas y que estas plantas no puede ser sólo de encendido y apagado de nuestra conveniencia. Esto es muy a diferencia de los combustibles fósiles, que se puede prender y apagar muy rápidamente, y que también tiene una muy alta densidad de energía, por lo que puede ser transportado por varios vehículos como fuente de energía.

Por ejemplo, esto significa que las fuentes de energía renovables como la solar o eólica, que la salida de manera desigual a lo largo del año o incluso el día, a menudo tienen que ser respaldados y fuertemente asistida por los combustibles fósiles, de cualquier manera. Por otro lado, los reactores de fisión nuclear realmente no se puede desactivar para las pocas horas de consumo de electricidad cae durante el día y la noche. Cosas tales como el bombeo de agua de seguridad de presas en algún pérdida, tiene que ser hecho con el excedente de energía. Este llamado de almacenamiento por bombeo de la hidroelectricidad parece ser una solución razonable para igualar la demanda de electricidad, pero su disponibilidad puede depender de la geografía y un número de otros factores. De cualquier manera, todavía necesitamos una fuente de energía para los vehículos.

Parece que la opción más realista es la de sustituir a los combustibles fósiles en los vehículos con baterías que se cargan a través de una red eléctrica. Estos deben, entonces el poder de nuestros vehículos y también, posiblemente, ayudar con las fluctuaciones de las necesidades de electricidad durante el día. Sin embargo, hay una serie de desafíos. Las baterías que actualmente no tienen la misma densidad de energía como los combustibles fósiles y tienden a ser relativamente corta. Por ejemplo, los aviones comerciales nunca va eléctrica con la tecnología actual, ya que las baterías son simplemente demasiado pesado. Las baterías también requieren de materiales raros y elementos a ser construido.

Creo que la mayoría del desarrollo de nuevas baterías está en el lado de la ingeniería o la física experimental. Sin embargo, ¿hay algún teórico de la física de los problemas que se interponen en el camino? Hay un problema en la física teórica, cuya solución permitirá que las baterías tengan más ligero, más fácil de preparar, y/o de larga duración? Hay líneas prometedoras de la investigación teórica en esta dirección?

Answer 1

Se sugirió que, correctamente, que la producción de baterías mejores (en términos de su capacidad y ciclo de vida) es más de un problema de ingeniería de la una de la física teórica. Aún así, es útil para entender en donde las fallas de baterías existentes provienen.

Las fuentes de mal funcionamiento por baterías existentes son:

• los defectos en la composición de los electrodos

• la pérdida de contacto eléctrico entre el electrodo de piezas

• reacciones secundarias en la interfaz entre el electrodo y el electrolito

Básicamente, se reduce a un simple hecho de que no podemos controlar con precisión donde los átomos de los materiales de baterías se encuentran. Si pudiéramos, de la batería de los científicos vienen con un óptimo de los electrodos y el electrolito material, la distribución óptima de los defectos y dopantes en ellos, óptima estructura y la forma de su asamblea, y la interfaz óptima entre el electrodo y el electrolito.

El plazo para que la idea es atómicamente fabricación precisa, y los investigadores han estado trabajando hacia ella, mirando a la auto-montaje de sistemas o por el mejoramiento de los microscopios de sonda de barrido para mover átomos individuales. Hay un buen número de obras de la batería de auto-ensamblaje (1, 2), que pueden ser los precursores de una tecnología del futuro.

Answer 2

La resistencia interna de la batería puede tener un enorme impacto en su eficiencia.

Usted puede saber ya que la resistencia es la restricción de los cargos que fluye en un circuito. Dependiendo de la corriente de una batería puede suministrar y el valor de la resistencia interna, puede convertirse en caliente y, por tanto, la energía se transfiere el calor. Para las pilas, este es el problema que quiere ser mitigado tanto como sea posible.

Si una batería tiene una tendencia a conseguir caliente cuando alguien la está utilizando a la alimentación de su circuito, algunos de los químicos que la energía se transfiere el calor en lugar de la energía eléctrica y por tanto se pierde la reducción de la energía útil.

También dependiendo de la tensión nominal de la batería, ya que la Corriente = Voltaje / Resistencia, mayor es la resistencia interna de la batería, menor es la corriente que puede suministrar al circuito que puede ser problemático para algunos diseños.

Por ejemplo: Si una batería AA (1.5 V) tiene una resistencia interna de 30 ohmios (resistencia), sólo sería capaz de suministro de 0,05 a que técnicamente es más que suficiente para un pequeño circuito, pero si tuviéramos que cambiar la resistencia a un valor mucho más alto, el actual sería mucho menos. Esto es sin tener en cuenta la resistencia del circuito.

Hay varias maneras en que este problema puede ser reducido, lo que aumentaría en gran medida la eficiencia de la batería, que también hacen que sea mucho más amigable para el medio ambiente como muchas personas disponer de cientos de pilas alcalinas de un año.

Me gustaría suponer que algunas de estas baterías han construido en la obsolescencia tristemente como, por supuesto, la compañía que hace que estas baterías se necesitará un ingreso constante de dinero.

Tengo la esperanza de que las baterías, tanto como usted dijo va a mejorar lo que nos permite confiar en la más verde de las maneras de producir electricidad, que sería, por supuesto, mucho mejor para el mundo.