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I sistemi al litio : la frontiera della ricerca

I sistemi al litio : la frontiera della ricerca. Nerino Penazzi. Politecnico di Torino - Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica Corso Duca degli Abruzzi 24 10129 Torino ITALY. Alcune precisazioni.

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I sistemi al litio : la frontiera della ricerca

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Presentation Transcript

  1. I sistemi al litio: la frontieradellaricerca NerinoPenazzi Politecnico di Torino - Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica Corso Duca degli Abruzzi 24 10129 Torino ITALY

  2. Alcune precisazioni • l’obiettivo è la riduzione al minimo dei consumi di combustibili fossili nel trasporto. • siamo interessati a individuare le direzioni lungo cui si muove la ricerca nell’ambito degli accumulatori elettrochimici al litio per perseguire l’obiettivo proposto.

  3. Cella a ioni di litio per cellulare Cella a ioni di litio per veicolo elettrico

  4. Alte prestazioni • Sicurezza • Affidabilità • Materiali a basso costo • Produzione semplice e poco costosa • Grandi quantità • Ecocompatibilità • Alto valore di energia/potenza specifica • Alto valore di densità di energia/potenza • Testing delle celle via simulazione e modellazione • Condizionamento della temperatura durante il funzionamento • Gestione elettronica intelligente del sistema • Riciclo delle batterie a fine vita Materiali (livello componenti) Assemblaggio e gestione (livello cella)

  5. Materiali (livello componenti) ELETTRODI • Materiali nanostrutturati: • La superficie specifica viene aumentata • Permette alle reazioni di avvenire a livello nanometrico in modo più efficiente. • Alte prestazioni • Sicurezza • Affidabilità • Materiali a basso costo • Produzione semplice e poco costosa • Grandi quantità • Ecocompatibilità • Alto valore di energia/potenza specifica • Alto valore di densità di energia/potenza ELETTROLITA • Materiale polimerico: • conduttore di ioni litio • flessibile • Facilmente formabile • Stabile • Basso costo di produzione

  6. MATERIALE CATODICO ferro-fosfoolivina LiFePO4 • Preparazione in “pentola a pressione” • aggiunta di un additivo insieme ai composti di partenza con funzione “ordinante” • l’additivo “ordinante” raggruppa le particelle di LiFePO4 in modo da : • limitare le dimensioni dei grani (20 – 30 nm) • favorire la loro dispersione • uniformare le dimensioni dei grani

  7. MATERIALE CATODICO ferro-fosfoolivina LiFePO4 • Preparazione in “pentola a pressione” • aggiunta di un additivo insieme ai composti di partenza con funzione “ordinante” L’additivo, decomponendosi, ricopre i grani con uno strato nanometrico di carbone che migliora la conducibilità elettronica LiFePO4 C “carbonnano-painting” M. Armand, M. TarasconNature febbraio 2008

  8. ELETTROLITA Membrana gel-polimerica conduttiva Aggiunta di cellulosa Processo “One-shot” La membrana è pronta in 5 minuti Flessibile, autoreggente, facile damaneggiare, trasparente

  9. LA BATTERIA A IONI DI LITIO Materiali (livello componenti) Composti di LITIO PRODUZIONE Assemblaggio e gestione (livello cella)

  10. CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

  11. CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

  12. CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80 Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

  13. CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A. PER IL TRASPORTO (previsioni DOE) Milioni di barili al giorno VEICOLO ELETTRICO PURO Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80

  14. VEICOLO ELETTRICO PURO Cella litio-ossigeno LI-OX 4Li + O2→ 2Li2O scarica litio elettrolita Elettrodo poroso

  15. Retina di acciaio, Ni ecc. che fa da spingielettrodo, portacorrente e permette il passaggio di ox Catodo: carbonio mesop + cat + binder + ecc. spalmato su GDL elettrolita Lamina di litio Contatto con alluminio In fondo al contenitore

  16. VEICOLO ELETTRICO PURO Cella litio-ossigeno LI-OX • Caratteristiche • è un accumulatore • il potenziale di cella è superiore ai 2.5 V • la reazione di riduzione dell’ossigeno non richiede costosi catalizzatori come la reazione nel caso delle celle a combustibile • ha una energia specifica (8kWh/kg) vicina a quella del motore a combustione interna (12 kWh/kg)

  17. VEICOLO ELETTRICO PURO Cella litio-ossigeno LI-OX • Punti critici • catodo: il composto di litio e ossigeno che si forma durante la scarica tende a riempire e bloccare i condotti attraverso i quali l’ossigeno dell’aria entra nella cella. Questo composto non si riconverte completamente in litio metallico e ossigeno molecolare durante la ricarica. • elettrolita: poiché nell’uso normale la cella è a contatto con l’aria di cui usa l’ossigeno, l’elettrolita deve anche fare da barriera tra l’umidità e le impurezze contenute nell’aria e l’elettrodo di litio che verrebbe contaminato. • anodo: la lamina di litio metallico è molto instabile essendo il metallo molto reattivo.

  18. Se vi ho annoiato, per favore non fate questo

  19. VEICOLO ELETTRICO PURO Cella litio-ossigeno LI-OX MINISTERO DELL'ISTRUZIONE DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIREZIONE GENERALE DELLA RICERCA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 1407 del 4 dicembre 2008) PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A Anno 2008 - prot. 2008PF9TWZ 1 - Titolo del Progetto di Ricerca Testo italiano Sviluppo di accumulatori Li/aria per autotrazione Testo inglese Development of the Li/air cell for automotive applications

  20. Uscita contatti Entrata ox Provettone apribile Uscita ox

  21. (I. Amadei, S. Panero, B. Scrosati, G. Cocco,L. Schiffini, JPS 143(2005)227) Ball milling: stainless steel vial and spheres, Ar atmosphere Grinding of powders of Ni and Sn, followed by addition of 10% grahite Grinding of powders of Ni and Sn with 10% graphite Ni3Sn4

  22. The use of an O2-based cathode can potentially lead to energy densities 5-10 times greater than those of the present batteries. • theoretical energy density for Li-OX battery 8170 Wh/kg • methanol/air fuel cell 5524 Wh/kg • gasoline/air engine 11860 Wh/kg • Cathode: metal lithium • Anode: carbon or catalyst-loaded carbon air electrode • Electrolyte: nonaqueous organic solution, in which the active cathode material is oxygen coming from the environment • the overall reaction of a Li/air battery can be written as: • 2Li + O2→ Li2O2 3.10V • Depending on discharge current and electrolyte composition, part of the resulting Li2O2 can be further discharged to form Li2O: • 2Li + Li2O2→ 2Li2O 2.72V • Combining Eqs: • 4Li + O2→ 2Li2O 2.91V • Therefore, Li2O2 and Li2O coexist in the final discharge products of a Li/air battery. • No matter what the final discharge products are, the reaction gives a theoretical specific capacity of 3862mAhg−1 vs. metal Li

  23. Characteristics of the Li-OX system: • High energy density • (vs. FC) • the O2 red in non aqueous ambient needs no catalyst or low cost catalyst, • the potential is around 2.5 V • (vs. Me/air primary sources) there is not the problem of the reaction secondary products,

  24. Crytical points • cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials. The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD) the recharging potential is lowered. • cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of discharge products, instead by the Li anode. • Crytical points • cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials. The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD) the recharging potential is lowered. • cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of discharge products, instead by the Li anode.

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