Антипов Е.В. Наноматериалы для энергетики. Лекция
Подождите немного. Документ загружается.
Межфакультетский
Межфакультетский
курс
курс
лекций
лекций
«Фундаментальные основы нанотехнологий»
«Современные проблемы нанотехнологий».
Лекция. Наноматериалы для
энергетики.
Профессор Е .В. Антипов. Химический факульте т МГУ
Московский
Московский
Государственный
Государственный
Университет
Университет
имени
имени
М
М
.
.
В
В
.
.
Ломоносова
Ломоносова
Научно
Научно
-
-
Образовательный
Образовательный
Центр
Центр
по
по
нанотехнологиям
нанотехнологиям
План
План
лек ц и и
лек ц и и
Литиевые аккумуляторы - наиболее эффективные
устройства для накопления энергии
Твердооксидные топливные элементы -
перспективные распределенные источники
энергии
Высокотемпературные сверхпроводники -
материалы 21-го века для эффективного
использования энергии
Роль нанотехнологий в создании новых поколений
материалов
Мотивация/Цель
Исполь зование возобновля емых ист очников энергии
Создание
Создание
новых
новых
«
«
sustainable
sustainable
»
»
технологий
технологий
для
для
накопления
накопления
энергии
энергии
Ветер Солнце Море
Природное топливо
Развит ие гиб ридных и эл ектромобилей - улучшение экол огии
Бензиновые Электромобили
Накопление и использование электроэнергии
с помощью энергии химических реакций
1995: «Advances in battery
research are always restricted by
chemistry!»
R. E. Powers (N.Y. Times)
Энергоемкость
Энергоемкость
(U
(U
•
•
I
I
•
•
t)
t)
удельная энергия (Вт·ч/кг)
объемная энергия (Вт·ч/л)
Емкость (A·ч/г)
Рабочее напряжение (В)
E
cell
= - ∆G ⁄ nF
Мощность (Вт)
(U
(U
•
•
I)
I)
Циклируемость (деградация)
Рабочий интервал температур
Безопасность
Стоимость
Стоимость
Сравнительная
Сравнительная
характеристика
характеристика
ХИТ
ХИТ
в 20-е годы и сейчас
С
6
+ LiCoO
2
Li
x
C
6
+ Li
1-x
CoO
2
заряд
разряд
Li
+
- проводящий электролитLi
x
C
6
графит LiMO
2
Литий-ионный аккумуля т ор
Электролит - cоли: LiPF
6
, LiBF
4
(LiClO
4
, LiAsF
6
), LiCF
3
SO
3
- растворители: EC, PC, DMC, DEC
1M LiPF
6
в EC/DEC/DMC
Концепция (1980) Коммерциализация: Sony (1990)
Напряжение
: 3.6
в E
o
(cathodic) – E
o
(anodic) = E
o
(cell)
x ≈ 0.5-0.6 e
-
Наличие ио на переходного металла с высоким redox потен циалом
→ рабочее напряжение ячейки
Интерк аляция/деинтеркал яция большого количества лития (n)
→ емкость
⇓
Энергоемкость
Энергоемкость
Высокая элек тронная пров одимость
Быстрая диффузия ионов лития ⇒
Мощность
Мощность
Обрати мость процессов интер каляции/деинтеркаляции л ития
(минимальные ст руктурные изменени я)
Электрохимическая ст абильность, устойчивост ь к элек тролиту
во всем интервале циклирования
⇓
Циклируемость
Циклируемость
(
(
деградация
деградация
)
)
•
•
Требования
Требования
к
к
катодному
катодному
материалу
материалу
M
Молекулярный вес (г)
26,8 n
=
число e
-
or Li
+
С
т
(А ч/г)
Кристаллохимические свойства катиона лития:
Ионный радиус и координационное окружение: 0.74 Å (октаэдр) - 0.59 Å (т етраэдр)
LiСоO
2
LiMn
2
O
4
LiFePO
4
•
•
Основные
Основные
структурные
структурные
типы
типы
гексагональная
плотне йшая
упаковка
кубическая плотнейшая упаков ка
С
т
278 мА·ч/г 148 мА·ч/г 170 мА·ч/г
σ 10
-3
C/cм 10
-5
С/cм 10
-9
С/cм
D
10
-9
см
2
/c 10
-10
см
2
/c
10
-15
см
2
/c
LiMO
LiMO
2
2
(M
(M
=
=
Fe,
Fe,
Mn
Mn
,
,
Co, Ni)
Co, Ni)
-
-
н аиболее
н аиболее
простая
простая
стр уктура
стр уктура
•
•
Сложные
Сложные
оксиды
оксиды
со
со
слоистой
слоистой
структурой
структурой
α-NaFeO
2
Mn
3+
Fe
3+
Co
3+
Ni
3+
R
VI
, Å 0.58 (нс) 0.55(нс) 0.525(нс) 0.56(нс)
0.65 (вс) 0.65(вс) 0.61(вс) 0.60(вс)
Проблемы:
Катионное разупорядочение
Устойчивость
Цена
Экология
LiCoO
2
(с
T
~ 280 мA·ч/г) k
D
~10
-9
см
2
/s , σ ~ 10
-3
C/cm
структурная неустой чивость взаимодействие с электроли том
циклир ование до x~0.5 (V~4.2В, с ~ 145 мA·ч/г) поверхностное покрытие: ZrO
2
,TiO
2
, Al
2
O
3
, B
2
O
3
замещения LiCo1-yAlyO2 (0.1<y<0.3, с ~ 160 мA·ч/г) (V ~ 4.4В, с ~ 170 мA·ч/г)
Проблема
Проблема
деградации
деградации
из
из
-
-
за
за
взаимодействия
взаимодействия
электрод
электрод
-
-
электролит
электролит
• LiCoO
2
:
- стабилен в отсутствии следов воды
- растворяется (Co
2+
) и пассивируется (LiF, CoF
2
) в присутствии следов воды
- деградация ускоряется в контакте с PVdF
Деградационные процессы:
4LiCoO
2
CoO
2
+ Co
3
O
4
+ 2Li
2
O и Li
2
O + 2HF 2LiF + H2O
LiPF
6
+ H
2
O LiF + PF
3
O + 2HF
D.Aurbach et al. J. Power Sources 165 (2007) 491