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 CO 2, CO, Oxidy N Skleníkový efekt Emisie SO 2 Kyslé dažde 4
Alternatívne druhy pohonu Li batérie 1. Li primárne články 2. Li-iónové batérie sekundárne články 3. Li-air 4. 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: LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anóda: xli + + xe - + 6C Li X C 6 9
Li-iónové batérie - akumulátory Neobsahujú kovové lítium Anóda grafit Katódu tvoria zlúčeniny ťažkých kovov najpoužívanejší je LiCoO 2 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 Li 2 FePO 4 F Li 2 FeSiO 4 Li 2 CoSiO 4 Li 2 (Mn,Co,Fe)P 2 O 7 Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 /C Li 3.1 Mn 0.91 Cr 1.09 O 4 Li 2 Ga 2 GeS 6 13
Anódové materiály LiCoO 2 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
LiFePO 4 Výhody: Netoxický Lacný Vysoká stabilita (kovalentná väzba P-O) Bezpečný v porovnaní s Li x CoO 2 Teoretická kapacita okolo 170 mah/g Nevýhoda: Nízka elektronická vodivosť: 10-9 S/cm Nevyhnutné použitie vodivého prídavku! 19
Zvýšenie vodivosti LiFePO 4 Pokrytie LiFePO 4 častíc: vrstvou UHLÍKA alebo stiebra Vrstvou vodivého polyméru (PPy, PANI) Dopovanie prechodnými prvkami Optimalizácia veľkosti častíc Metóda prípravy LiFePO 4 častíc (sol-gel, solid state, solvothermal, co-precipitation) 20
Zvýšenie vodivosti LiFePO 4 Zvýšenie vodivosti vodivým polymérom Polypyrol Elektrochemickou polymerizáciou pyrolu Li x FePO 4 + C (carbon black) Chemickou oxidačnou polymerizáciou Nízka objemová energetická hustota 21
Polypyrol (PPy) n PPy je možné použiť aj ako katódový materiál - Teoretická kapacita 80 mah/g Výhody PPy : 1. Ľahká príprava 2. Dobrá elektronická vodivosť 3. Chemická stabilita pri vyšších potenciáloch 4. Ľahká inkorporácia iónov Li+ 22
FePO 4 FePO 4 + PPy 23
Výsledky LiFePO 4 PPy-LiFePO 4 24
Výsledky Povrch katódového materiálu naneseného na Al fólii. LiFePO 4 + PPy/PEG LiFePO 4 25
Cyklický voltammogram (rýchlosť scanu 0,05 mv/s): PPy/PEG-LiFePO 4 LiFePO 4 26
Li-iónové batérie - akumulátory 27
28
29
30
Strata kapacity - starnutie Oxidačné procesy: LiCoO 2 + Li + Li 2 O + CO LiCoO 2 Li + + CoO 2 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 (LiFePO 4 ) dojazd 160-250 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