Niets rustgevend - Lithium geeft spanning

1. Niets rustgevend - Lithium geeft spanning Erik Kelder RST-FAME (ChemE-OMI) Een relaas over de ins en outs van een Lithiumbatterij

2. Wat wordt er getoond • Een relaas over de ins en outs van een Lithiumbatterij • wat zit er in • hoe werkt die • wat kunnen we ervan verwachten

3. Wat is lithium • ontdekt in 1817 door Johan Arfwedson. • het lichtste metaal met een zilvergrijze glans • reactief als metaal (demonstratie) • de naam komt van van λιθος (lithos) – steen • het zit in de zee (pekel) en mineralen • lepidoliet • spodumeen • petaliet • amblygoniet

4. Wat is lithium • lithium-ionbatterijen • medicijnen • smeermiddelen voor hoge temperaturen • specifieke glazen • glazuur of emaille • aluminiumlegeringen • organische synthese • nucleaire industrie

5. Wat is lithium Wat doet lithium en waarbij wordt het gebruikt? Lithium is als medicijn op de markt in de vorm van lithiumcarbonaat en lithiumcitraat. Deze lithiumproducten verminderen hevige stemmings-schommelingen zoals bij depressie. Lithium in drinkwater helpt het tegengaan van zelfmoordneigingen. news.bbc.co.uk

6. Wat is lithium

7. Lithium wingebieden

8. Li voorraad Wordt Bolivia het Saudi-Arabië van het lithium? Niets rustgevend – Lithium geeft spanning

9. Tijdseenheden, laadcapaciteit 1C*, 50 Ah/kg • Aantal laadcycli + laadvermogen tot 3000 bij 20%DoD** • Vermogen 1C ontladen • Opslagcapaciteit 200 Wh/kg • Levenscyclus, - duur 10 jaar • Fysieke omvang (volume, gewicht) 30-60 L, 60-120 kg per huis/auto • Veiligheid Battery Management System Chemistry • Kostprijs150 €/kWh ~400 €/ kWh 10km / kWh 1kWh / 5kg **DoD: depth of discharge (diepte van de ontlading) *1C: betekent (ont)laden in een uur 2C: betekent (ont)ladenn in 0,5 uur 10C: betekent (ont)ladenin 6 miniuten 0,5C of C/2: betekent (ont)laden in twee uur C/10: betekent (ont)laden in 10 uur.

10. Li-iontechnologie Energiedichtheid

11. Li-iontechnologie Veiligheid • Kortsluittesten • Mechanische testen • Overlaadtesten • Overontlaadtesten • Nail penetration test (puncture test) • 150 oC pulstest • 65 oC duurtest • Battery Management System (BMS) • op celniveau • op systeemniveau

12. Li-iontechnologie Constructie/samenstelling Li-ionbatterij

13. Li-ionbatterij principe Hoe ziet een Li-ionbatterij er uit en wat zit er in? minpool pluspool Lithium met lage energie Lithium met hoge energie

14. Li-ionbatterij principe hoog energetisch water laag energetisch water motor pomp Verminderen van het percentage inactief materiaal Maar hoe krijgen we nog meer energie in een Li-ionbatterij Een analogon hoog energetisch water laag energetisch water

15. hoog energetisch water hoog energetisch kwik laag energetisch water laag energetisch kwik motor motor pomp pomp Li-ionbatterij principe hoog energetisch water Verhogen van de “valhoogte” laag energetisch water motor pomp Verhogen van de energie-inhoud van het materiaal

16. Li-ionbatterij principe Hoe ziet een Li-ionbatterij er uit en wat zit er in? minpool pluspool Lithium met lage energie Lithium met hoge energie

17. Li-ionbatterij principe pluspool minpool - + laden Li+ Lithium met hoge energie Lithium met lage energie koolstof LiMn2O4 ontladen 

18. Li-ionbatterij: energiedichtheid Li+ koolstof LiMn2O4 Verminderen van het percentage inactief materiaal Geldt tevens voor een Li-ionbatterij Verhogen van de “valhoogte” Verhogen van de werkspanning - potentiaal Verhogen van de energie-inhoud van het materiaal Geldt tevens voor een Li-ionbatterij

19. Li-ion batterijende uitdaging Kapaciteit, energiedichtheid in Wh/kg : AVh/kg 1-toename in elektronopslag  Ah/kg (Si vs C) 2-toename in voltage  V (LNMO vs LCO, LFP) 3-reductie van inactief materiaal NCA 175 mAh/g LNMnO 125 mAh/g LFP 150 mAh/g NCA 175 mAh/g LNMnO 125 mAh/g LFP 150 mAh/g Canode = 250 mAh/g Canode = 2000 mAh/g

20. Onze nieuwe batterijmaterialen nanostructuren • Gedoteerde en gecoate kathodes: LiNi0.5Mn1.5O4 • Gestabiliseerde anodes: Silicium

21. Kathodematerialen 5.0 4.0 3.0 LNMO LCO NCM LMO Voltage, V vs Li/Li+ LFS-F NCA LFP 50 100 150 200 Capacity, mAh/g LiFePO4 LFP Li(NiCoMn)O2 NCM Li(NiCoAl)O2 NCA LiCoO2 LCO LiMn2O4 LMO LiNi0.5Mn1.5O4 LNMO LiFeSO4F LFS-F Li2MnO3-LiMO2LNCMM LNCMM

22. Spinelen: LiNi0.5Mn1.5O4 - Doel LiMg0.05Ni0.45Mn1.5O4: auto-ignition process • Doteren vanLiNiMnO wordt doorgaans gedaan om: • het materiaal te stabilisteren • de ion/elektrongeleidingthe verhogen. • Coatings worden doorgaans gebruikt voor stabilisatie

23. Coating via co-precipitatie Dispergeren van de deeltjes in een watermengsel met een Cr-zout Filteren van de suspensie Spoelen met ethanol Uitstoken bij 600 oC voor 10h Coating van de deeltjes Cr blijft 3+ en vormt een spinel-type Cr-O (XANES, EXAFS)

24. Spinels: LiNi0.5Mn1.5O4 - Stabilisatie laden/ontladen cyclische voltammetry CV

25. Kathode materialenLNMO-spinel • Micron deeltjes zijn te prefereren. • Doteren is niet echt nodig om de geleiding te verhogen, maar speelt mogelijk een rol bij stabilisatie van het materiaal. • Coatings zijn belangrijk om de ion/elektron overdracht te bevorderen, zoals b.v. met Cr

26. Anode materialenproductie van nano siliciumpoedersLaser-assisted Chemical Vapour Pyrolysis

27. Anode materialenproductie van nano siliciumpoedersLaser-assisted Chemical Vapour Pyrolysis LA-CVP SiH4 Si + 2H2 Synthesis Parameters • SiH4: 0.24 l/min • N2 (in-nozzle): 2.16 l/min • N2 (out-nozzle): 11.34 l/min • N2 (flushing windows): 10 l/min • Pressure: 800 mbar

28. Anode materialenproductie van nano siliciumpoedersLaser-assisted Chemical Vapour Pyrolysis Wanneer Si deeltjes vrijwel zuurstofvrij zijn, zijn ze enorm pyrofoor Indien er een zuurstoflaag op zit worden ze stabiel tov lucht en water

29. Anode materialenproductie van nano siliciumpoedersLaser-assisted Chemical Vapour Pyrolysis • Breuk in de elektrode • Verlies van contact • Verlaagde cyclelife Carbons ~ 250 – 400 mAh/g

30. Anode materialenSilicium

31. Anode materialenSilicium • Nanodeeltjes zijn te prefereren. • “Oxide” coatings zijn belangrijk om de binding te bewerkstelligen tussen het Si en de polymere binder. • Cellulose type binders, b.v. CMC, lijken stabiel te zijn

32. Toekomstig Batterijonderzoek Natriumbatterij zelfde concept als Li-ion Li-zwavelbatterij zelfde concept als Li-ion Li-luchtbatterij zelfde concept als Li-ion

33. Nieuwe Batterijmaterialen nanostructuren • immobilisation via ionic liquids for Li-S • ionothermal synthesis • polymer coated Si-anodes for Li-air • hückel-”ions” that store electricity • polymer catalyst as alternative in Li-air • multiple coatings • electrospraying, ALD etc.

34. Aan de minister Bedenk We moeten geen schone ideëen MISSen 2.bp.blogspot.com/-sGZ8-I6C7Ao/TaboWXjgxqI/

35. Conclusie Niets rustgevend – Lithium geeft spanning • elektrische spanning • economische spanning • veiligheidspanning