technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

© 2013 IBM Corporation

Technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

Ing. Libor Kozubík Vedoucí sektoru energetiky

IBM Global Business Services


Laboratoře IBM, Almaden, San Jose, CA

2


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


SROVNÁNÍ SPECIFICKÉ HUSTOTY ENERGIE RŮZNÝCH SYSTÉMŮ ČLÁNKŮ

4


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


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


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


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)


FOTOGRAFIE Z ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU – STRUKTURA LI2O2 NA UHLÍKOVÉ KATODĚ

13

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


IBM ELECTROCHEMICKÝ HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR


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


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


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


Děkuji

Vám za pozornost …

Otázky?


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

technický pokrok v oblasti akumulátorových baterií

Documents