Upload
leanh
View
231
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
© 2013 IBM Corporation
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”
Projekt je zaměřen na porozuměníchemických pochodů Li/Air bateriía objasnění limitů jejich nabíjení, vývojnových materiálů a architektur z pohleduskladby elektrického článku a vytvořeníprototypů pro praktické využitív oblasti elektromobility a skladováníenergie.Cílem v oblasti elektromobility je zvýšenídojezdu elektromobilů na hodnotu 500mil (800 km) použitím baterií s vysokouenergetickou hustotou na bázi lithium-vzduchové technologie.
3
Cíl: Výzkum a vývoj technologie lithium-vzduchové baterie.
http://www.youtube.com/watch?v=ZmHZhBqI500
Zdroj: IBM Research Zurich
© 2013 IBM Corporation
SROVNÁNÍ SPECIFICKÉ HUSTOTY ENERGIE RŮZNÝCH SYSTÉMŮ ČLÁNKŮ
4
© 2013 IBM Corporation
ZÁKLADNÍ PARAMETRY A FAKTA OKOLO LITHIUM-VZDUCHOVÉ TECHNOLOGIE I.
Specifická hustota energieSpecifická 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
© 2013 IBM Corporation
ZÁKLADNÍ PARAMETRY A FAKTA OKOLO LITHIUM-VZDUCHOVÉ TECHNOLOGIE II.
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 životnostBezpečnost a životnost použité technologie je jedním ze základních parametrů (reaktivnost lithia, použité elektrolyty)
6
© 2013 IBM Corporation7
Grafit
Iontově‐vodivýelektrolyt
Li‐ion: 100‐200 Wh/kg
Li‐air (cíl): 1000 Wh/kg (na článek)
Současné těžké katody
Lehké katody
Nejlehčí možná anoda
e-e-
Li2O2Porézní uhlík
Elec
trol
yt
O2
Lith
ium
Li+
V
LI-VZDUCHOVÝ ČLÁNEK JAKO ALTERNATIVA K LI-ION
© 2013 IBM Corporation
ZÁKLADNÍ REAKCE PROBÍHAJÍCÍ V APROTICKÉM LI-VZDUCHOVÉM ČLÁNKU
8
2Li + O2+ 2e- Li2O2
Vybíjení
Nabíjení
• 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 → Li2O2případně:2Li + (1/2)O2 → Li2O
• V případě vodného elektrolytu:
2Li + (1/2)O2 + 2H+ → 2Li++H2O (v kyselém prostředí), nebo2Li + (1/2)O2 + H2O → 2LiOH (v zásaditém prostředí)
9
Li
LiLi
O
O
nanostructured carbon cathode
Li+
e- e- e-
e-
e-
e-
O -
O
Li+
Li+
Li+
lithium anode
Vybíjení
Li+
Li+
O -
O -
Li+e-
– +
electrolyte (Li‐salt in organic liquid)
Li ↔ Li++ e‐ Li+ + e‐ + O2*↔ LiO2*
Li+ + e‐ + LiO2*↔Li2O2*
(* = surface site)
PROVOZNÍ MODEL LITHIUM – VZDUCHOVÉHO ČLÁNKUS APROTICKÝM ELEKTROLYTEM (VYBÍJENÍ)
10
Li
LiLi
e-
e- e-e-
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+O -
O -Li+
O -
O -Li+Li+
e-
e-
e-
O
O -Li+
Li2O2 ↔ LiO2 + Li+ + e‐
LiO2 ↔ O2 + Li+ + e‐
2Li+ + 2e‐ ↔ 2Li 0
O
Oe-
e- e-e-e-
e-
Li
e-
PROVOZNÍ MODEL LITHIUM – VZDUCHOVÉHO ČLÁNKU S APROTICKÝM ELEKTROLYTEM (NABÍJENÍ)
nanostructured carbon cathode
lithium anode
electrolyte (Li‐salt in organic liquid)
Nabíjení
11 Zdroj IBM znalostní báze - BATTERY 500 - infografika
© 2013 IBM Corporation
MIKROSKOPICKÝ POHLED NA APROTICKOU VZDUŠNOU KATODU
12
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)
© 2013 IBM Corporation
FOTOGRAFIE Z ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU – STRUKTURA LI2O2 NA UHLÍKOVÉ KATODĚ
13
Hmota Li2O2 zcela překrývá uhlíkovou strukturu, což je pozitivní pro výslednou hustotu energie…
© 2013 IBM Corporation14
IBM ELECTROCHEMICKÝ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR
© 2013 IBM Corporation
ELEKTROLYTY NA BÁZI APROTICKÝCH ROZPOUŠTĚDEL-POUŽITÝCH V LI-ION) – NEFUNGUJÍ
0
5x10‐10
1x10‐9
16O
2
16O
18O
18O
2
Total
0.0 0.5 1.00
5x10‐10
1x10‐9
Gas gen
eration (m
ol/s)
Charge (mAh)
C18O
2
C16O
2
C16O
18O
TotalCO
2
O2
Recharge
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
E vs Li (V)
Charge (mAh)
•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
Discharge: ‐100 μA to 2V under 18O2Recharge: 100 μA under ArCarbon‐based cathode (P50 Avcarb carbon paper only)1N LiTFSI in 1:1 EC‐DMC used as electrolyte
2.45 e‐/O2 consumed
15
© 2013 IBM Corporation
0
2x10‐10
4x10‐10
6x10‐10
Total
36
34 32
Total
0.0
0.2
0.4
3 40
2x10‐10
4x10‐10
6x10‐10
E vs Li (V)
Gas Gen
eration (m
ol/s)
46
44
48 0.0
0.2
0.4 Current (m
A)
CO2
O2
ELEKTROLYTY NA BÁZI DME VYKAZUJÍ SILNÝ VÝVOJ O2 PŘI NABÍJENÍ – FUNKČNÍ ☺
Vybíjení článku bylo provedeno v atmosféře 18O2,
=> očekáván vznik molekul o relativní
molekulové hmotnosti 36u během procesu nabíjení
16
DME = Dimethoxyethane je čirá a bezbarvá oxická a hořlavá kapalina, rozpouštědlo, mísitelná s vodou.
2(Li+ + e-) + O2 = Li2O2ideal 2.000000 e-/O2
• Efektivita vybíjení Li2O2 = 0.95- 0.98
• Chemická reverzibilita (coulombic efficiency) ≈ 0.8
© 2013 IBM Corporation
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
2011
Byly objeveny elektrolyty významně stabilnější než DME
Využití katalyzátorů v Li/Air není potřebnéStabilita uhlíkové katody bude vyžadovat další
studiumPorozumění vodivosti struktury Li2O2 je klíčový
faktor pro porozumění Li/Air systému
2012
Úspěšné pokračování výzkumu vodivosti a elektrolytů
Zapojení dalších partnerů do projektu.
20 Apr 2012: IBM today announced that two industryleaders -- Asahi Kasei and Central Glass -- will join itsBattery 500.
http://www.bloomberg.com/news/2013-02-21/lithium-air-battery-gives-ibm-hope-of-power-without-fires.html
Závěr
Významný pokrok od roku 2009Můžeme 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....17
© 2013 IBM Corporation18
Děkuji
Vám za pozornost …
Otázky?
© 2013 IBM Corporation
Tato prezentace reprezentuje základní stručný souhrn problematikytýkající se lithium – vzduchové technologie z pohledu IBMvýzkumníků z IBM Almaden Research Center, kteří se aktivně účastnína vývoji lithium – vzduchové baterie. Autor (Ing. Libor Kozubík)pouze zprostředkovává tyto poznatky v zastoupení společnosti IBM sautorizací výzkumného týmu IBM Almaden Research Center.
19
© 2013 IBM Corporation20