Антипов Е.В. Наноматериалы для энергетики. Лекция
Подождите немного. Документ загружается.
Экспер и ментальное
Экспер и ментальное
обнаружен и е
обнаружен и е
д и ффузии
д и ффузии
ли т и я
ли т и я
7
LiFePO
4
(295 K)
7
Li
0.6
FePO
4
(620 K)
S.I. Nishimura et al. Nature Materials 7 (2008) 707
Моделирование (M.S. Islam et al. Chem. Mater. 17
(2005) 5085
Наноразмерные
Наноразмерные
покрытия
покрытия
для
для
быстрого
быстрого
транспорта
транспорта
лития
лития
LiFe
0.9
P
0.95
O
4-x
Обнаружение Li
4
P
2
O
7
(Fe)
на по верхности (РФС)
Транспорт
Транспорт
лития
лития
на
на
поверхности
поверхности
-
-
лимитирующая
лимитирующая
стадия
стадия
от P = 2 квт/кг
до 170 квт/кг
B.Kang & G.Ceder
Nature 458 (2009) 190
LiFeBO
LiFeBO
3
3
Fe
3+
тр игональная бипирамида
Fe-O: ~1.98Å x 3 ,
2.1Å, 2.2Å
Fe
2+
триг ональная бипирамида
Fe-O: ~2.03Å x 3 ,
2.17Å, 2.35Å
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9
E , V
I, mA/g
cycle 1
cycle 2
cycle 3
cycle 4
cycle 5
cycle 6
cycle 7
cycle 8
3.35 В
3.15 В
Вольтамперограммы LiFeBO3-электрода при скорости
развертки 0.05 мВ/с в интервале 2.7 – 3.9 В.
V= 0.05 мВ/с
N. Recham, M. Armand and J.M. Tarascon, Patent Filed N°: 0803233 (2008)
Хасанова Н.Р. и др., МГУ
Различные электроды – различное применение!
Выводы:
Нанокомпозиты (наноразмерные материалы с нанопокрытиями)
открывают принципиально новые возможности в создании нового
поколения накопителей энергии
Топливные
Топливные
элементы
элементы
Преобр азование э нергии пр остой хим ической реак ции:
Топлив о (Н
2
, CO, CH
4
и
т.д.) + окислите ль (О
2
)
в элект рическую
Топливный элемент — электрохимическое устройство, преобразующее
энергию химической реакции в электрическую энергию при использованию
подающихся извне топлива и окислителя.
ТОТЭ
Материалы: электролит – газоплотный; только ионы O
2
катод и анод – пористые; электроны + O
2-
коммутационные элементы – газоплотные; только электроны
(La,
(La,
Sr
Sr
)CrO
)CrO
3
3
или
или
жаропр очная
жаропр очная
сталь
сталь
Кермет
Кермет
Ni / YSZ
Ni / YSZ
ZrO
ZrO
2
2
: Y
: Y
2
2
O
O
3
3
(YSZ)
(YSZ)
(La,
(La,
Sr
Sr
)MnO
)MnO
3
3
(LSM)
(LSM)
O
2-
+ H
2
→ H
2
O + 2e
-
½ O
2
+ 2e
-
→ O
2-
H
2
+ 1/2 O
2
→ H
2
O
К
А
Т
О
Д
Э
л
е
к
т
р
о
л
и
т
А
Н
О
Д
O
2-
O
2
T
T
~ 900 °C
~ 900 °C
H
2
Основные проблемы материалов ТОТЭ
Высокие температуры (до 950
о
С)
Подбор КТР компонентов
Химическое
взаимодействие
компонентов
Деградация свойств со
временем (спекание,
фазовые переходы)
Снижение температуры, повышение электропроводности
Роль нанотехнологий в ТОТЭ:
A. Нанокерамический электролит ТОТЭ – улучшение электропроводности за счет
высокой концентрации межзеренных г раниц.
Б. создание компонентов ТОТЭ из наноразмерных порошков с целью получения:
1.более тонких слоев электролита [1];
2.электродов с оптимальной микроструктурой и развитой 3-х фазной границей
[1]T. Van Gestel et al. SSI 179 (2008) 428–437
Электролит ТОТЭ
А. Высокая О
2-
электропроводность при как более низких Т (влияет как м икроструктура,
так и состав)
Б. Инертность по отношению к остальным компонентам
В. Дешевый способ сделать его газоплотным
Г. Отсутствие деградации свойств со временем (фазовые переходы)
Электролит – самая НИЗКОпроводящая часть ТОТЭ
Дизайн Т ОТЭ (тонкопленочный
электр олит)
Рабочая температура
ТОТЭ и КТР для
остальных компонентов
Флюорит
YSZ: Zr
0.84
Y
0.16
O
1.92
; КТР 10.5 ppm K
-1
GDC : Ce
0.9
Gd
0.1
0
1.95
; КТР 12.5 ppm K
-1
Температура (°C)
900
300
400
500
600
700
0,8
-4
-3
-2
-1
0
log(σ
i
) (Ω
-1
.cm
-1
)
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
1000/T (K
-1
)
Zr
0.85
Y
0.15
O
1.925
Ce
0.9
Gd
0.1
O
1.95
La
0.9
Sr
0.1
Ga
0.8
Mg
0.2
O
2.85
Повышение элек тропрово дности
электролита :
1.Подбор оптимального по р азмеру и
количе ству допиру ющего катиона
2.Получение керамики с большой
концентрацией межзеренных границ >10
19
см
3
, т.е. с размером зерен менее 100 нм
Рост в 1000 раз электропроводности с
уменьшение м размера зерен от 2 mм
до 10 нм
I. Kosacki, H.U. Anderson, Encyclopedia of Materials:
Science and Technology, v. 4 (2001) 3609
Проблема трехфазной
границы (T.P.B.)
(LSM)
Реакция
Реакция
: O
: O
2
2
+ 4e
+ 4e
-
-
⇒
⇒
2 O
2 O
2-
2-
BEST
SOLUTION ?
Двухфазная граница
Оксиды со смешанной
проводимостью
30
O
2
газ
O
адс
+
2e
-
⇒ O
2-
Электролит
Катод
Катод
O
2’
e
-
O
2’
e
-
V
o
2
.
V
o
2
.
O
2’
T.P.B.
T.P.B.
Электродная реакция на катоде ТОТЭ