Technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

Technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

Ing. Libor Kozubík

Vedoucí sektoru energetiky IBM Global Business Services © 2013 IBM Corporation

Laboratoře IBM, Almaden, San Jose, CA

2

© 2013 IBM Corporation

PROJEKT “BATTERY 500”

Cíl: Výzkum a vývoj technologie lithium-vzduchové baterie. Projekt je zaměřen na porozumění chemických pochodů Li/Air baterií a objasnění limitů jejich nabíjení, vývoj nových materiálů a architektur z pohledu skladby elektrického článku a vytvoření prototypů pro praktické využití v oblasti elektromobility a skladování energie. Cílem v oblasti elektromobility je zvýšení dojezdu elektromobilů na hodnotu 500 mil (800 km) použitím baterií s vysokou energetickou hustotou na bázi lithiumvzduchové technologie. 3

Zdroj: IBM Research Zurich

http://www.youtube.com/watch?v= ZmHZhBqI500 © 2013 IBM Corporation

SROVNÁNÍ SPECIFICKÉ HUSTOTY ENERGIE RŮZNÝCH SYSTÉMŮ ČLÁNKŮ

4


ZÁKLADNÍ PARAMETRY A FAKTA OKOLO LITHIUMVZDUCHOVÉ TECHNOLOGIE I. Specifická hustota energie Specifická hustota chemické energie benzínu je zhruba 13000 Wh/kg. Současná hodnota specifické hustoty energie Li-ion baterií se typicky pohybuje v rozmezí 100 až 200 Wh/kg (na článek). Li-ion technologie je limitována chemickými omezeními, není tedy v zásadě možno zvyšovat jejich kapacitu tak, aby bylo dosaženo cílové hustoty 1700 Wh/kg. Oxidace 1kg kovu lithia uvolní okolo 11680 Wh chemické energie. (Teoretická hustota energie chemického systému Li-O2) • (Praktická hustota energie bude významně nižší…) Specifická hustota energie plně nabité lithium-vzduchové baterie bude ekvivalentem k zhruba ~15% teoretické specifické hustoty energie kovu lithia, čili zhruba 1700 Wh/kg.

5


ZÁKLADNÍ PARAMETRY A FAKTA OKOLO LITHIUMVZDUCHOVÉ TECHNOLOGIE II.

6

Objemová hustota energie baterie (měřená ve Wh/litr) Parametr definující kolik místa baterie zabere na místě aplikace. Jízda na vzdálenost 500 mil (800 km) vyžaduje baterii o kapacitě 125 kWh (při kalkulaci 250 Wh/míle), při předpokládaném objemu 300 l, pak celková specifická hmotnost baterie, se zahrnutím prostoru baterie, přívodů vzduchu a podpůrných vzduchových systémů, musí být nejméně 0,5 kg/l. Měrný výkon Systémy na bázi lithium – vzduch nabízejí poměrně vysoké energetické hustoty. Jejich měrný výkon (jednotka W/kg) je ovšem poměrně nízký. Baterie o výstupním výkonu 100kW, napětí článku 2,5V a proudové hustotě 25mA/cm2 bude vyžadovat vnitřní reakční plochu cca 160 m2, což je de-facto srovnatelné s vnitřní plochou lidských plic. Bezpečnost a životnost Bezpečnost a životnost použité technologie je jedním ze základních parametrů (reaktivnost lithia, použité elektrolyty) © 2013 IBM Corporation

LI-VZDUCHOVÝ ČLÁNEK JAKO ALTERNATIVA K LI-ION e-

e-

Lithium

Iontově‐vodivý elektrolyt

Electrolyt

V

O2

Li+ Grafit

Li‐ion: 100‐200 Wh/kg

7

Nejlehčí možná anoda

Porézní uhlík Současné těžké katody

Li2O2

Lehké katody

Li‐air (cíl): 1000 Wh/kg (na článek)


ZÁKLADNÍ REAKCE PROBÍHAJÍCÍ V APROTICKÉM LI-VZDUCHOVÉM ČLÁNKU

2Li + O2+

Vybíjení

2e

Nabíjení

Li2O2

• Základní princip lithium – vzduchového článku je elektrochemická oxidace kovu lithia na anodě a redukce kyslíku obsaženého ve vzduchu na katodě. • Reakce je podporována vhodným elektrolytem. •

Základní reakce na straně katody při vybíjení článku se předpokládá tato:

2Li + O2 → Li2O2 případně: 2Li + (1/2)O2 → Li2O

•

V případě vodného elektrolytu:

2Li + (1/2)O2 + 2H+ → 2Li++H2O (v kyselém prostředí), nebo 2Li + (1/2)O2 + H2O → 2LiOH (v zásaditém prostředí)

8


PROVOZNÍ MODEL LITHIUM – VZDUCHOVÉHO ČLÁNKU S APROTICKÝM ELEKTROLYTEM (VYBÍJENÍ)

Vybíjení e-

e-

e-

e-

+

– Li

Li

Li+

eLi+

Li+ e-Li Li ↔ Li++ e‐

eLi+

Li+

Li+ Li+

9

lithium anode

electrolyte (Li‐salt in organic liquid)

O-

O

OO

O Li+ + e‐ + O2* ↔ LiO2* Li+ + e‐ + LiO2* ↔ Li2O2* (* = surface site)

nanostructured carbon cathode

PROVOZNÍ MODEL LITHIUM – VZDUCHOVÉHO ČLÁNKU S APROTICKÝM ELEKTROLYTEM (NABÍJENÍ)

Nabíjení e-

e-

Li

Li+

e-

e-

eLi

Li+

O OOO

eLi+

e-

Li+ Li Li

Li+

Li+ Li+

Li+

OO-

Li+

Li2O2 ↔ LiO2 + Li+ + e‐ LiO2 ↔ O2 + Li+ + e‐ 2Li+ + 2e‐ ↔ 2Li 0

10

lithium anode

electrolyte (Li‐salt in organic liquid)

nanostructured carbon cathode

11

Zdroj IBM znalostní báze - BATTERY 500 - infografika

MIKROSKOPICKÝ POHLED NA APROTICKOU VZDUŠNOU KATODU

Zdroj: G. GirishKumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, and W. Wilcke, J. Phys. Chem. Lett., 2010, 1 (14), pp 2193–2203, July, 2010 (Perspective)

12


FOTOGRAFIE Z ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU – STRUKTURA LI2O2 NA UHLÍKOVÉ KATODĚ

Hmota Li2O2 zcela překrývá uhlíkovou strukturu, což je pozitivní pro výslednou hustotu energie…

13


IBM ELECTROCHEMICKÝ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR

14


ELEKTROLYTY NA BÁZI APROTICKÝCH ROZPOUŠTĚDELPOUŽITÝCH V LI-ION) – NEFUNGUJÍ •Rozpouštědla na bázi etylen karbonátu a dimethyl karbonátu (využívající 18O2 ) •Přítomnost O2 v systému Li/Air mění charakter chemických reakcí ve srovnání s Li‐ion

5.0

1x10

‐9

16

O2

O2

4.5

16

E vs Li (V)

3.5 3.0 2.5

2.45 e‐/O2 consumed

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Charge (mAh) Discharge: ‐100 μA to 2V under 18O2 Recharge: 100 μA under Ar Carbon‐based cathode (P50 Avcarb carbon paper only) 1N LiTFSI in 1:1 EC‐DMC used as electrolyte 15

Gas generation (mol/s)

18

4.0

2.0

18

O O

5x10

O2

‐10

Total

Recharge 0

1x10

5x10

‐9

CO2

‐10

Total 16

18

C O O 16

C O2 18

0 0.0

C O2 0.5

1.0

Charge (mAh) © 2013 IBM Corporation

ELEKTROLYTY NA BÁZI DME VYKAZUJÍ SILNÝ VÝVOJ O2 PŘI NABÍJENÍ – FUNKČNÍ ☺ DME = Dimethoxyethane je čirá a bezbarvá oxická a hořlavá kapalina, rozpouštědlo, mísitelná s vodou.

‐10

6x10

O2

‐10

4x10

36

Vybíjení článku bylo provedeno v atmosféře 18O2,

2(Li+ + e-) + O2 = Li2O2 ideal 2.000000 e-/O2

‐10

2x10

0.0

34 32

0

‐10

6x10

CO2

0.4

Current (mA)

molekulové hmotnosti 36u během procesu nabíjení

0.2

Gas Generation (mol/s)

=> očekáván vznik molekul o relativní

0.4

Total

‐10

4x10

Total

0.2

‐10

• •

Efektivita vybíjení Li2O2 = 0.95- 0.98 Chemická reverzibilita (coulombic efficiency) ≈ 0.8

2x10

44 48 46 0 3

16

0.0

4

E vs Li (V)


Závěr 2010 Lithium - vzduchový (kyslíkový) článek může být dobíjen (a to jak pro aprotické, tak vodné systémy) Elektrolyty hrají kritickou roli v aprotických systémech IBM tým zkoumal několik elektrolytů umožňujících nabíjení v opakovaných cyklech. Byly naměřeny významné kapacity článků 2012 Úspěšné pokračování výzkumu vodivosti a elektrolytů Zapojení dalších partnerů do projektu. 20 Apr 2012: IBM today announced that two industry leaders -- Asahi Kasei and Central Glass -- will join its Battery 500. http://www.bloomberg.com/news/2013-02-21/lithiumair-battery-gives-ibm-hope-of-power-without-fires.html 17

2011 Byly objeveny elektrolyty významně stabilnější než DME Využití katalyzátorů v Li/Air není potřebné Stabilita uhlíkové katody bude vyžadovat další studium Porozumění vodivosti struktury Li2O2 je klíčový faktor pro porozumění Li/Air systému Závěr Významný pokrok od roku 2009 Můžeme tvrdit, že reakce Lithium+Kyslík → Peroxid Lithný je vhodná elektrochemická reakce.

…Lithium/Air technologie je riskantní a dlouhodobý projekt, bude-li ovšem fungovat může změnit svět.... © 2013 IBM Corporation

Děkuji Otázky? Vám za pozornost …

18


Tato prezentace reprezentuje základní stručný souhrn problematiky týkající se lithium – vzduchové technologie z pohledu IBM výzkumníků z IBM Almaden Research Center, kteří se aktivně účastní na vývoji lithium – vzduchové baterie. Autor (Ing. Libor Kozubík) pouze zprostředkovává tyto poznatky v zastoupení společnosti IBM s autorizací výzkumného týmu IBM Almaden Research Center. 19


20


Technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

Recommend Documents