Využití lithia v pokročilých technologiích ukládání energie Ladislav Kavan

Transkript

1 Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd České republiky Využití lithia v pokročilých technologiích ukládání energie Ladislav Kavan kavan@jh-inst.cas.cz J. Heyrovský Strategie AV, prog. 2.7 Dolejškova 3, Praha 8

2 (Elektrochemická) akumulace (elektrické) energie: baterie, superkondenzátory, palivové články

3 Proč Li-baterie?...: Využití lithia (2015) LiOH (ponorky, družice) antidepresiva LiBr (místo freonu) ztužování maziv Li-stearát sklo, keramika Li 2 CO 3 Zdroj: Global Lithium LLC 2016

4 Humanity s top ten problems for next 50 years 1. Energy 2. Water 3. Food 4. Environment 5. Poverty 6. Terrorism & War 7. Disease 8. Education 9. Democracy 10. Population (Source: WTO)

5 Světové zdroje energie do r Other renewable Annual energy production [EJ/yr J/yr] Solar (heat only) Solar (PV and Solar-thermal) wind biomass water nuclear gas coal Source: solarwirtschaft.de oil

6 AM1.5 (Sun) P = 1 kw/m 2 Wp = P φ A ; (φ 10%) 1.6 kwh/wp/yr Source: Photovoltaic energy barometer EurObserv ER1 0.8 kwh/wp/yr Prům spotřeba (CZ): 1400 kwh/capita/rok 1750 Wp (pouze domácnosti) Zdroj/Spotřeba se nekryjí (časově, geograficky). Fluktuace! Solární baterie No. Country Wp/capita (2015) 1 Germany Italy Belgium Greece Luxembourg Czech Republic Malta Bulgaria Denmark Unied Kingdom Slovenia Slovakia Austria Spain France Netherlands Cyprus Romania Portugal Lithiuania Sweeden Croatia Estonia Finland Poland Latvia Ireland 0.5

7 Kolik energie lze uložit v 1 kg hmoty..? 25 TWh/kg (T ) H/He jaderná fúze (slunce) TWh/kg (D 2 + T 3 = He 4 + n MeV (Li 6,7 + n -> T 3 + He 4 ) 235 U (jaderné štěpení)...25 GWh/kg (G 10 9 ) Světová spotřeba PWh/yr (P ) ( 10 6 kg 235 U/yr) ( 10 6 toe/yr; toe = ton of oil equivalent) 1 toe= MWh = tce

8 Energetická kapacita materiálů Nosič energie kwh/kg kwh/l Vodík (kap. 23 K) Vodík (plyn 20 MPa) Benzín 13 9 Pb-baterie Li-baterie Superkondenzátor

9 Gaston Planté ( ) Objevitel olověného akumulátoru (1859) Gastornis: (pták, paleoncen) 12V, 40 Ah autobaterie: 40 C/24 rychlost nabíjení

10 BATERIE (sekundární; akumulátory) Vodný elektrolyt Olověný akum. Ni-Cd Ni-MH Nevodný elektrolyt Lithium-Ion Lithium-Polymer Napětí Hustota energie (Wh/kg) (Wh/l)

11 Li + Grafit interkalace: C + 1/6 (e - + Li + ) 1/6 LiC 6 E form 0.2 V vs. Li/Li + Q spec = 1340 C/g = 372 mah/g (001) TiO 2 (anatas) inserce: TiO 2 + 1/2 (e - + Li + ) Li 0.5 TiO 2 (101) E form 1.85 V vs. Li/Li + Q spec = 168 mah/g Li Ti O IUPAC definice: Intercalation = non covalent inclusion into laminar hosts G. P. Moss, P. A. S. Smith, D. Tavernier, Pure Appl. Chem. 1995, 67, Lat.: mensis intercalarius (Julianská/Gregoriánská reforma kalendáře, 46 BC)

12 Baterie Li-ion: SONY 1991 (první komerční) e - nabíjení vybíjení (-) e - (+) Li + Li + Li + Li + elektrolyt Li x TiO 2 Li 1-x NiO 2 [grafit, Li, Li 4 Ti 5 O 12...] [LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiFePO 4,...]

13 Mld. US $ Světový trh komponent pro Li-baterie ( ) Li katoda (aktivní materiál) Anoda (grafit, Li, LTO) Hliník (katodový terminál) Měď (anodový terminíl) Li- elektrolyt (LiPF 6, LiTFSI...) Separátor Ostatní Zdroj: Navigat research

14 Trh Li-baterií podle aplikací: střednědobý trend Trh, celkově (GWh) Podíl podle aplikací Stabilizace sítí Elektromobily Spotř. elektronika ) Spotřební elektronika trhu dominuje a pozice se uchová i ve střednědobém výhledu 1) Nejrychlejší nárůst trhu baterií pro stabilizaci sítí, avšak celkově minoritní segment 2) Nárůst trhu baterií pro elektromobily, v dynamice i objemu Zdroj: CEMAC: Clean Energy Manufacturing Center

15 1) Nanotechnologie & Li-ion bat. 135m 2 /g 100 LTO: Li 4 Ti 5 O 12 HIGH ENERGY 3D ACCUMULATOR 107m 2 /g Charge capacity, % m 2 /g 100 m 2 /g Charge 50C Surface area, m2/g 50 m 2 /g 33 m 2 /g 4 m 2 /g 13 m 2 /g 27m 2 /g 20 m 2 /g Spitler, Procházka, Kavan et al.: US 7,547,490 (2009) Kavan, Procházka et al.: J.Electrochem.Soc. 150, A1000 (2003)

16 2) Nanotechnologie & Li-ion bat. Si-nanodráty: anoda pro Li-ion >3000 mah/g (srov. grafit 372 mah/g) Nature Nanotechnology, 3, 31, 2008

17 3) Nanotechnologie & Li-ion bat. Anoda z čistého Li (3850 mah/g) Další antikorozní vrstvy : grafen, BN Zdroj: Nature Nanotech. 9, 618, 2014

18 Další nové technologie Baterie Li-vzduch Anoda: Li Li + + e -.. [3850 mah/g] Katoda: ½O 2 + 2e - O 2-.. [LiOH; Li 2 O, Li 2 O 2,Li 2 O 2.] Nevodný elektrolyt Smíšený (kapalný) elektrolyt Pevný elektrolyt

19 paliv. články Li ion Ni MH Ni Cd Pb 10 hod baterie SWNT David V. Ragone rektor CWR Uni, hod 6 min Aktivní uhlí 6 sec superkond. Hustota energie: U.I.t/m 0.6 sec Hustota výkonu: U.I/m ,000 10,000 Hustota výkonu (W/kg) konvenční kondenzátor Užitečné schema pro libovolné zařízení: Vertikální osa: Kolik energie lze uložit Horizontální osa: Jak rychle lze uloženou energii uvolnit

20 Honda elektromobil: paliv. článek + superkondenzátor Energie je krátkodobě ukládána v superkondenzátoru Během brždění: nabíjení Akcelerace: vybíjení

21 1) CZ firmy na trhu Li-baterií supercapacitor Li-ion battery (LiFePO 4 ) Zdroj:

22 Bezpečnost Li-ion baterií 3.5 Ah Sony batterie: Dell-notebook Samsung Galaxy Note 7

23 2) CZ firmy na trhu Li-baterií HIGH ENERGY 3D ACCUMULATOR LCMS (LiCo 0.1 Mn 1.9 O 4 ) 4.1 V; 90 Ah/kg 1 kwh; 12 V 90 Ah, HE3DA battery mm 2 mm LTO (Li 4 Ti 5 O 12 ) 1.5 V; 170 Ah/kg

24 Nové výzvy: Na-ion Katoda: uhlík, grafen Anoda: Na 2 FePO 4 F, Li 2 FePO 4 F, NaVPO 4 F, LTO slitinové anode: Na 3 Sb, Na 3 Sn and Na 3 P Na/S baterie, ZEBRA: Na/NiCl 2 Zeolite battery research Africa, Pretoria Další možnosti (teoreticky): Mg 2+, Al 3+ ALE: Potřebujeme opravdu nahradit Li? Světové zásoby Li Mio tun (bez oceánů) Zásoby pod Cínovcem.. 1 Mio tuny? 240 TWh 1 % světové spotř. elektřiny Tesla S Model: Nissan Leaf: 85 kwh; 14 kg Li => 3 mld vozů 24 kwh; 4 kg Li => 10 mld vozů (celkově na světě ca. 1 mld. automobilů)

25 Děkuji za pozornost

26 SMR: standard mortality rate, % Velikost bodu velikost populace The British Journal of Psychiatry 2009, 194 (5)

27 1) Nanotechnologie & Li-ion bat. Li 4 Ti 5 O 12 (spinel): nabíjení/vybíjení Rychlost (proud): 2C, 50C, 100C, 150C, 200C, 250C Li 4 Ti 5 O 12 + (3e - + 3Li + ) Li 7 Ti 5 O Potential, V vs. Li/Li Potential, V vs. Li/Li C 2C C 2C i t, mc i t, mc 300 Komerční materiál ( 1 m) nanomateriál ( 10 nm)