Acumulator Litiu Aer
10
Acumulator Litiu-Aer Ozarenschi Ion
description
Bateria litiu-aer, este o baterie 〈anodmetal|electrolit|catodoxygen 〉 , care utilizează oxidarea litiu la anod și reducerea oxigenului la catod pentru a induce un flux de curent. Pentru prima oara bacteria Li-air a fost propusa inca in ani 70’ ca o posibila sursa de energie pentru vehiculele electrice, insa un interes stiintific a capatat abea la sfirsitul anilor 2000, ca urmare a unei cereri in crestere de energie regenerabila si verde. Oportunitatile une baterii Li-air sunt: - Capacitate foarte mare de stocare a energiei ce se datoreaza materialului catodic activ (oxigen), nu fiind stocată în bateria, dar poate fi accesat din mediu.- Greutatea scazuta- Costuri scazutePrincipalul sector de utilizare a bateriei Li-air este sectorul auto. O baterie Li-air are o densitate de energie (per kilogram) comparabilă cu benzină. Densitatea de energie a benzinei este de aproximativ 13 kW · h / kg, din care doar 1.7 kW · h / kg de energie este furnizată la roti, după pierderi. Teoretic bacteria Li-air poate realiza 12 kW · h / kg (43.2 MJ / kg) și să livreze aceiași 1.7 kW · h / kg la roți după pierderi, având în vedere eficiența mult mai mare a motoarelor electrice. Pentru prima data bacteria Li-air a fost demonstrate la mijlocul anilor 90’de catre Kuzhikalail M. Abraham și colaboratorii sai. Bacteria era formata dintr-un anod de Litiu, un catod din carbon poros si un gel polimer electrolit ce a servit ca separator si ca mediu de transport a ionilor.Operatiunea bateriei Li-air Desi detaliile baterie variaza in functie de design si proiectare a baterie, la general ionii de litiu se deplaseaza de pe peretii anodului si a catodului prin electrolit. In urma descarcarii electronii urmeaza circuitul extern pentru a efectua lucrul, iar ionii de litiu migreaza prin electrolit la catod absorbind in acelas timp oxygen, iar in timpul incarcarii, atunci cind un potential extern devine mai mare decit potentialul standart a reactiei de descarcare, procesul capata un sens opus. AnodulDatorita capacitatii de stocare a energiei a bateriilor cu anod de litiu, litiul a devenit o alegere tipica in calitate de materie pentru anod. In anod darorita potentialului electrochimic litiul este fortat sa cedeze electroni fara a implica oxigenul catodic. Timpul injumatatit de reactive este Li ↔ Li+ + e- Avind o capacitate specifica de 3840 mAh/g, comprativ cu alte metale 820 mAh/g pentru zinc, 2965 mAh/g pentru aluminiu . In cazul bateriei Li-air putem vedea bine superioritatea bateriei cu anod de litiu fata de restu. Pe linga asta sunt si multe problem ce afecteaza astfel de cellule. La incarcare si descarcare pea nod se depun straturi de saruri de litiu, in cele din urma formind o bariera intre anod si electrolit, in cele din urma inhiband cinetica de reactie dintre anod si electrolit. Aceasta schimbare chimica la interfata slid-lichid duce la variatia compozitiei chimice de-a lungul suprafetei, determined curentul sa varieze de la punct la punct. Aceasta distributie neuniforma a curentului de obicei duce la un scurt-circuit intre anod si catod.Pentru a combate problemele de la interfata solid-lichid au fost luate asa abordari ca:- Formarea unui strat protector folosind electroliti copolimeri dibloc si tribloc - Efectuarea unei membrane Li-ion din sticla-ceramica sau polimer ceramic cu o conductivitate foarte ridicata Catodul In cazul celulelor Li-air catodul este alcatuit dintrun material mezomoros, un material a cruia pori atingand un diametru intre 50 - 2 nm, de obicei cel mai frecvent folosit este carbonul. Formare reversibila si desompunerea Li2O2 are loc in catod. Carbonul folosit la catod se discompune in urma reactiei de oxidare, tot odata si electrolitul duce la discompunera lui. O combatere a problemei date este inlocuirea catodului de carbon cu cu un catod de aur nanoporos. Aurul intrind in contact cu dimetilsulfoxid din electrolit demonstreaza o stabilitate mai buna. Cu toate acestea a
Transcript of Acumulator Litiu Aer
Acumulator Litiu-Aer
Ozarenschi IonGrupa 2103 A
Bateria litiu-aer, este o baterie 〈anodmetal|electrolit|catodoxygen 〉 , care utilizează oxidarea litiu la anod și reducerea oxigenului la catod pentru a induce un flux de curent. Pentru prima oara bacteria Li-air a fost propusa inca in ani 70’ ca o posibila sursa de energie pentru vehiculele electrice, insa un interes stiintific a capatat abea la sfirsitul anilor 2000, ca urmare a unei cereri in crestere de energie regenerabila si verde. Oportunitatile une baterii Li-air sunt: - Capacitate foarte mare de stocare a energiei ce se datoreaza materialului catodic activ (oxigen), nu fiind stocată în bateria, dar poate fi accesat din mediu.
- Greutatea scazuta- Costuri scazute
Principalul sector de utilizare a bateriei Li-air este sectorul auto. O baterie Li-air are o densitate de energie (per kilogram) comparabilă cu benzină. Densitatea de energie a benzinei este de aproximativ 13 kW · h / kg, din care doar 1.7 kW · h / kg de energie este furnizată la roti, după pierderi. Teoretic bacteria Li-air poate realiza 12 kW · h / kg (43.2 MJ / kg) și să livreze aceiași 1.7 kW · h / kg la roți după pierderi, având în vedere eficiența mult mai mare a motoarelor electrice. Pentru prima data bacteria Li-air a fost demonstrate la mijlocul anilor 90’de catre Kuzhikalail M. Abraham și colaboratorii sai. Bacteria era formata dintr-un anod de Litiu, un catod din carbon poros si un gel polimer electrolit ce a servit ca separator si ca mediu de transport a ionilor.
Operatiunea bateriei Li-air Desi detaliile baterie variaza in functie de design si proiectare a baterie, la general ionii de litiu se deplaseaza de pe peretii anodului si a catodului prin electrolit. In urma descarcarii electronii urmeaza circuitul extern pentru a efectua lucrul, iar ionii de litiu migreaza prin electrolit la catod absorbind in acelas timp oxygen, iar in timpul incarcarii, atunci cind un potential extern devine mai mare decit potentialul standart a reactiei de descarcare, procesul capata un sens opus.
AnodulDatorita capacitatii de stocare a energiei a bateriilor cu anod de litiu, litiul a devenit o alegere tipica in calitate de materie pentru anod. In anod darorita potentialului electrochimic litiul este fortat sa cedeze electroni fara a implica oxigenul catodic. Timpul injumatatit de reactive este Li ↔ Li+ + e- Avind o capacitate specifica de 3840 mAh/g, comprativ cu alte metale 820 mAh/g pentru zinc, 2965 mAh/g pentru aluminiu . In cazul bateriei Li-air putem vedea bine superioritatea bateriei cu anod de litiu fata de restu.
Pe linga asta sunt si multe problem ce afecteaza astfel de cellule. La incarcare si descarcare pea nod se depun straturi de saruri de litiu, in cele din urma formind o bariera intre anod si electrolit, in cele din urma inhiband cinetica de reactie dintre anod si electrolit. Aceasta schimbare chimica la interfata slid-lichid duce la variatia compozitiei chimice de-a lungul suprafetei, determined curentul sa varieze de la punct la punct. Aceasta distributie neuniforma a curentului de obicei duce la un scurt-circuit intre anod si catod.Pentru a combate problemele de la interfata solid-lichid au fost luate asa abordari ca:
- Formarea unui strat protector folosind electroliti copolimeri dibloc si tribloc - Efectuarea unei membrane Li-ion din sticla-ceramica sau polimer ceramic cu o
conductivitate foarte ridicata
Catodul In cazul celulelor Li-air catodul este alcatuit dintrun material mezomoros, un material a cruia pori atingand un diametru intre 50 - 2 nm, de obicei cel mai frecvent folosit este
carbonul. Formare reversibila si desompunerea Li2O2 are loc in catod. Carbonul folosit la catod se discompune in urma reactiei de oxidare, tot odata si electrolitul duce la discompunera lui. O combatere a problemei date este inlocuirea catodului de carbon cu cu un catod de aur nanoporos. Aurul intrind in contact cu dimetilsulfoxid din electrolit demonstreaza o stabilitate mai buna. Cu toate acestea aurul mezoporos nu este o alegere buna, ducand la cresterea masei, ceea ce distruge avantajul cheie a bateriei Li-air fata de bacteria Li-ion ,cresterea costurilor si fabricarea devine mai complicata. Identificarea materialului potrivit pentru catodul bateriei Li-air este este una dintre cele mai mari provocari in present. De exemplu catodul pe baza de TiC reduce semnificativ reactile secundare comparative cu carbonul, iar formare reversibila si desompunerea Li2O2 decurge mai bine, chiar decat aurul mezoporos (capacitatea reactiei dupa 100 de cicluri >98%, comparative cu 95% a aurului), de asemenea este de patru ori mai usor , mai usor in fabricare si costurile sunt mai mici. Reactiile ce se decurg la catod pot fi:
ElectrolitElectrolitii ce se folosesc sunt aprotici si aposi.Intr-o celula cu un acid aprotic oxizii de litiu sint produsi prin reducere in catod
Li + + e - + O2 + * → LiO2*Li + + e - + LiO2 * → Li2O2*
Oxizii sunt insolubili in electrolit aprotic, cee ace duce la infundarea catodului.In celulele cu electrolit apos reducerea la catod de asemenea produce hidroxid de litiu:
Electrolit acid
2Li +1/2 O2+ 2H+ → 2Li+ + H2OEnergia specifica teoretca a bateriei Li-air si densitatea de energie a celulei este 1400 W·h/kg si respective 1680 W·h/l.
Electrolit alcalin apos 2Li +1/2 O2+H2O → 2LiOHMoleculele de apă sunt implicate în reacțiile redox a aerului din catod. Energia specifica teoretca a bateriei Li-air si densitatea de energie a celulei este 1300 W·h/kg si respectiv 1520 W·h/l.
Dezvoltarea noilori materiale pentru catod duc la sporirea cantitatii de LiO2, Li2O2 si Li OH fara provoca infundarea porilor si folosirea unuor catalizatoare favorabil pentru a face reactia chimica energetic practica. Tipuri Tipurile acestor baterii in mare parte variaza datorita electrolitului folosit. Eforturile în baterii Li-aer s-au concentrat pe patru modele chimice diferite. Toate proiectele au avantaje distincte și provocări tehnice semnificative.
Baerie Li-Air de tip aprotic
Baerie Li-Air de tip apos
Baerie Li-Air de tip apos-aprotic
Baerie Li-Air de tip solid-state
La momentul actual, cele mai multe problem ce impiedica dezvoltarea a celulelor Li-Air este ctodul. Descarcarea incomplete din cauza blocajului porilor din catod, cu peorxid de litiu in cazul modelelor de tip apriotic este problema cea mai grava. La fel si tema cu dimensiunea porilor nu estea prea bine inteleasa. O alta problema este aerul contaminat cu vapori de apa, odata ptruns, el duce la deteorare.In ce consta anodul, principal problema estea reactia dntre anod si electrolit, care duce la reducerea capacitatii de energie sau poate provoca un scurt circuit. In modelele actuale potentialul de supraincarcare este mult mai mare dicit potentialul de supradescarcare. Supraincarcarea semnificativa indica prezenta unor reactii secundare. Catalizatorii precum MnO2, Co, Pt si Au pot reduce potentialul de supraincarcare dar efectul e putin inteles. Catalizatorii imbunatatesc performantele catodice, in special MnO2, insusi mecanismu de imbunatatire la fel nu este prea bine cunoscut.
Functionarea batriei pe un termen lung necesita o stabilitate chimica a tuturor componentelor celulare.
