Qual é a maior densidade teórica de energia para uma bateria química?

Esta é mais uma questão de física / química / nanotecnologia, mas qual é a melhor densidade de energia teórica que você poderia obter de uma bateria química (ou célula de combustível), se pudesse arranjar átomos da maneira que desejasse? Estou pensando nas baterias nanotecnológicas descritas em Diamond Age . Como ele se compara às tecnologias atuais?

Trata-se especificamente de baterias químicas , que podem ser construídas átomo a átomo no estado carregado, não nuclear, antimatéria, CAM ou outras tecnologias mais exóticas.

Não sei a resposta real a esta pergunta, mas conheço um limite mínimo superior à resposta e um meio de descobrir a resposta real.

Os cientistas da bateria têm uma métrica chamada energia teórica específica máxima; você pode ler sobre a definição em Baterias avançadas de Robert Huggins . No momento, as baterias com maior densidade de energia que você pode comprar são íons de lítio, que estão na faixa de 100-200 Wh / kg. Não sei qual é a melhor bateria, mas mais adiante neste livro , Huggins mostra cálculos que indicam que as células Li / CuCl ₂ têm um MTSE de 1166,4 Wh / kg. (5x a capacidade das baterias atuais!)

Sabemos que o MTSE mais alto é pelo menos 1166,4 Wh / kg; você pode usar o método dele para calcular o mesmo valor para outras químicas, mas o espaço de pesquisa é bastante grande.

Também vi referências na Internet a baterias de Li / O ₂ e Al / O ₂ com MTSE de 2815 e 5200 Wh / kg, respectivamente. Não tenho certeza de quão credíveis são essas referências. Referências posteriores, como este artigo de 2008 no Journal of the Electrochemical Society, sugerem que o MTSE para uma célula de Li / O ₂ é de cerca de 1400 Wh / kg.

Se queremos ampliar a "bateria" para significar algum tipo de dispositivo que gera eletricidade com base em uma reação química (por meios mágicos ), o limite superior de 100% de eficiência seria a entalpia química da reação.

Cálculos para uma bateria teórica "açúcar + ar":

• Entalpia padrão de combustão de glicose: -2805 kJ / mol (acho que esse é um atalho além da decomposição em elementos padrão?)
• 2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Não sabe ao certo qual é o composto mais denso quimicamente, mas você pode conectá-lo a isso.

As células nucleares podem ser ainda mais mágicas, E = mc²:

• 1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h

As baterias de lítio / enxofre de última geração são de cerca de 350 Wh / kg. E, portanto, não unobtainium como muitas das químicas listadas.

Aqui estão algumas informações detalhadas: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

as células de combustível terão densidades de energia térmica mais altas que as baterias, mas densidades de energia mais baixas. por outro lado, os capacitores terão densidades de energia mais altas, mas densidades de energia mais baixas.

Considere esses valores teóricos

densidade de energia = tensão x capacidade

densidade de potência = tensão x corrente

capacidade = faraday const x # elétrons transferidos (ex: 1 para baterias de íon de lítio) x 1 / MW

corrente depende da capacidade e da taxa de descarga. Por exemplo, a uma taxa C / 2, você descarregará totalmente em 2 horas; portanto, se a capacidade total for 100 mAh / g, a corrente será de 50 mA por 1g. Vamos dizer que temos uma bateria de 2V, então a potência será de 100 mW por 1g. (também a densidade de energia desta bateria seria 200 mWh / g)

tensão = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (como na energia de Gibbs livre) / (#charges x Faraday const)

no caso mais prevalente em que há redução de um íon metálico no ânodo (íon de lítio incluído) E0anodo é o potencial de redução do metal, veja aqui: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

por exemplo: Li + + e− está em equilíbrio com Li (s) E0 = -3,0401 V