¿Cuál es la mayor densidad de energía teórica para una pila química?

Question

Esto es más una pregunta de física/química/nanotecnología, pero ¿cuál es la mejor densidad de energía teórica que se podría obtener de una batería química (o pila de combustible), si se pudieran disponer los átomos de la forma que se quisiera? Me refiero a las baterías nanotecnológicas descritas en Edad de Diamante . ¿Cómo se compara con las tecnologías actuales?

Se trata concretamente de química baterías, que podrían construirse átomo a átomo en estado cargado, no nuclear, de antimateria, CAM u otras tecnologías más exóticas.

Answer 1

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

Los científicos especializados en baterías tienen una métrica llamada energía específica teórica máxima; puede consultar la definición en Baterías avanzadas por Robert Huggins . Ahora mismo, las baterías más densas en energía que se pueden comprar son las 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 el 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 de al menos 1166,4 Wh/kg; se podría utilizar su método para calcular el mismo valor para otras químicas, pero el espacio de búsqueda es bastante amplio.

También he visto referencias en internet a Li/O ₂ y Al/O ₂ con MTSE de 2815 y 5200 Wh/kg, respectivamente. No estoy seguro de la credibilidad de esas referencias. Referencias posteriores, como este artículo de 2008 en el Journal of the Electrochemical Society, sugieren que el MTSE para un Li/O ₂ es de unos 1400 Wh/kg.

Answer 2

Si queremos ampliar el término "pila" para referirnos a algún tipo de dispositivo que genere electricidad a partir de una reacción química (mediante mágico significa), el límite superior de eficiencia del 100% sería la entalpía química de la reacción.

Cálculos para una batería teórica "azúcar+aire":

• Entalpía estándar de combustión de la glucosa: -2805 kJ/mol (¿creo que 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 podrías introducirlo ahí.

Las pilas nucleares podrían ser aún más mágicas, E=mc²:

• 1 kg × c² = 2,5 × 10**13 W-h

Answer 3

El estado actual de las baterías de litio/azufre es de unos 350 Wh/kg. Y, por tanto, no son inalcanzables como muchas de las químicas enumeradas.

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

Answer 4

Las pilas de combustible tendrán densidades de energía teórica más altas que las baterías, pero densidades de potencia más bajas. por otro lado, los condensadores tendrán densidades de potencia más altas pero densidades de energía más bajas.

Considere estos valores teóricos

densidad energética = tensión x capacidad

densidad de potencia= tensión x corriente

capacidad= const Faraday x #electrones transferidos (ej: 1 para baterías Li-ion) x 1/MW

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

tensión = E0cátodo - E0ánodo, E0= - delta G (como en la energía libre de Gibbs) / (#cargas x const de Faraday)

en el caso más frecuente de reducción de un ion metálico en el ánodo (incluido el Li-ion) E0anode es el potencial de reducción del metal, ver 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