Zachránia elektromobily svet? RNDr. Andrea Fedorková, PhD. 1
Prečo práve alternatívne druhy pohonu??? Vývoj za posledných 10 rokov: 500 miliónov 900 miliónov 1% iný ako spaľovací motor Rok 2050
2,9 miliardy automobilov!!!!!! 2
3
Smog, prach Hluk Emisie CO2, CO, Oxidy N
Skleníkový efekt Emisie SO2 Kyslé dažde 4
Alternatívne druhy pohonu 1. 2. 3. 4.
Li batérie Li primárne články Li-iónové batérie – sekundárne články Li-air Li-polymér Superkapacitory Palivové články 5
Lítium Lítium – najľahší kov na svete Pri reakcii s vodou dochádza k uvoľneniu plynného vodíka Pláva na vode aj liehu Uchováva sa v inertnej atmosfére Má silné redukčné účinky 6
Lítiové batérie Lítiové batérie – primárne články Nedajú sa dobíjať – jednorazové použitie Anódu tvorí kovové Li Neobsahujú ťažké kovy ako Co a Ni
7
Primárny Li článok Lítium
-
Separátor
Katóda Vodivá sieťka
+
8
Li-iónové batérie - akumulátory
Katóda: LiCoO2 ↔ Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
Anóda: xLi+ + xe- + 6C ↔ LiXC6 9
Li-iónové batérie - akumulátory Neobsahujú kovové lítium Anóda – grafit Katódu tvoria zlúčeniny ťažkých kovov najpoužívanejší je LiCoO2 Elektrolytom je organické rozpúšťadlo – toxické a horľavé + ióny Li + Životnosť približne 500-2000 cyklov Pokles kapacity o 20% za rok pri pracovnej teplote 25°C 10
Li-iónové batérie - akumulátory Životnosť akumulátora závisí hlavne od teploty Pri 0°C strata 6% kapacity za rok
Pri 40°C strata 35% za rok Uskladnenie v chlade pri nabití 40%-60%
11
Katódové materiály
12
Katódové materiály 2D a 3D Li2FePO4F Li2FeSiO4 Li2CoSiO4 Li2(Mn,Co,Fe)P2O7 Li3V2(PO4)3 Li3V2(PO4)3/C Li3.1Mn0.91Cr1.09O4
Li2Ga2GeS6
13
Anódové materiály
LiCoO2
Uhlík grafén
14
Anódové materiály
Si nanovlákna
Si nanovlákna s Li 15
Duté častice uhlíka obsahujúce Sn
Kremíkové nanovlákna
16
Nanoplatne kremíka alebo kremičitanov (Ni, Cu)
SILX® nanoštrukturovaná zlúčenina Si a Cu
17
Základný výskum Syntéza – suchá, mokrá cesta Spekanie Röntgenová analýza Analýza veľkosti častíc Polymerizácia vodivého polyméru Termogravimetria Elektrochémia Iné 18
LiFePO4 Výhody: Netoxický Lacný Vysoká stabilita (kovalentná väzba P-O) Bezpečný v porovnaní s LixCoO2 Teoretická kapacita okolo 170 mAh/g Nevýhoda: Nízka elektronická vodivosť: ≤ 10-9 S/cm
Nevyhnutné použitie vodivého prídavku!
19
Zvýšenie vodivosti LiFePO4 Pokrytie LiFePO4 častíc: vrstvou UHLÍKA alebo stiebra Vrstvou vodivého polyméru (PPy, PANI) Dopovanie prechodnými prvkami
Optimalizácia veľkosti častíc Metóda prípravy LiFePO4 častíc (sol-gel, solid state, solvothermal, co-precipitation) 20
Zvýšenie vodivosti LiFePO4 Zvýšenie vodivosti vodivým polymérom – Polypyrol
Elektrochemickou polymerizáciou pyrolu → LixFePO4 + C (carbon black) Nízka objemová energetická hustota
Chemickou oxidačnou polymerizáciou
21
Polypyrol (PPy)
n
PPy je možné použiť aj ako katódový materiál - Teoretická kapacita 80 mAh/g
1. 2. 3.
4.
Výhody PPy : Ľahká príprava Dobrá elektronická vodivosť Chemická stabilita pri vyšších potenciáloch Ľahká inkorporácia iónov Li+ 22
FePO4
FePO4 + PPy
23
Výsledky
LiFePO4
PPy-LiFePO4
24
Výsledky Povrch katódového materiálu naneseného na Al fólii.
LiFePO4 + PPy/PEG
LiFePO4 25
Cyklický voltammogram (rýchlosť scanu 0,05 mV/s): PPy/PEG-LiFePO4 LiFePO4
26
Li-iónové batérie - akumulátory
27
28
29
30
Strata kapacity - starnutie Oxidačné procesy: LiCoO2 + Li+ → Li2O + CO LiCoO2 → Li+ + CoO2 Nevratné deje Upchatie pórov separátora Samovybíjanie: Nabitie
0°C
25°C
60°C
100%
6%
20%
35%
40%-60%
2%
4%
15% 31
Li-air batérie Dýchajúce batérie Založené na princípe Zn-air Zn-air – nedajú sa dobiť Oxidáciou Zn vzniká elektrický prúd Li-air – 10x vyššia kapacita Nižšia hmotnosť Dojazd až 600 km na jedno nabitie 32
33
Li-polymér batérie Rovnaké zapojenie ako Li-ion Rovnaké katódy a anódy ako Li-ion Separátor je nahradený polymérom Suchý polymér je vodivý pri 50°C-60°C Li-pol batérie obsahujú malé množstvo tekutého elektrolytu Sú tvárnejšie – flexibilné – foil-type Sú o 10-30 % drahšie 34
35
Batérie v elektromobiloch 80-90 Li-ion článkov (LiFePO4) – dojazd 160250 km Každý článok je vybavený vlastným teplotným čidlom Mikroprocesorom a výkonovým tranzistorom, ktorý zabezpečuje jeho balancovanie, chrání ho proti prebíjaniu a podbíjaniu a zaisťuje optimálnu prevádzku. 36
Dobíjanie Internou nabíjačkou: Z jednej fázy 230V 16A – 10 hodín Z troch fáz 400V 32A – 1 hodinu na 90 % kapacity Z troch fáz 400V 64A – 30 minút
37
38
Plug-in hybridy
PLUG-IN 39
40
Superkapacitory Dokážu v krátkom čase uvoľniť veľké množstvo energie a v krátkom čase ju aj dobiť Životnosť 100 tisíc až milión cyklov Nízka energetická hustota – 10 krát nižšia ako u Li-ion batériách
41
Palivové články Elektrická energia sa vytvára chemickou reakciou Palivo je privádzane k anóde Okysličovadlo ku katóde Nepretržitá prevádzka Žiadne opotrebovanie elektród Problematická infraštruktúra 42
Kyslíkovo-vodíkový palivový článok
43
44
Problém uskladnenia vodíka V stlačenej forme V kvapalnom stave, teplota skvapalnenia nesmie byť vyššia ako -253°C Chemicky viazaný vodík v metanole Naviazaný v tuhom skupenstve Interakcia vodík-uhlík – veľmi slabá Interakcia vodík-hydrid prechodného kovu – veľmi silná 45
46
Uhlíkové nanotrubice
Grafén
47
Ďakujem za pozornosť
48
