锂空气电池的机遇与挑战

实验结果
3.0 2.8 2.6 Voltage (V) 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 0 (a)(b)
2.9 2.8 Voltage (V) 2.7 2.6 2.5 2.4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
理论模拟
(c)
(e) (d) (c) (b) (a)
0.5
(d)
(e) 0.05 mA 0.1 mA 0.2 mA 0.5 mA 1 mA 800 1000 1200
(
)
RC 2F
Li+
O2
Anode
Membrane
Cathode
The electrochemical reaction rate equation at cathode: 0 .5 F 0.5 F RC ( x ) = κε ( x )cO2 ( x )exp η − exp − η RT RT
催化率的重要性
3.0 2.9
Potential (V)
2.8 2.7 2.6 2.5
Current = 0.1 mA/cm , k = 1.7x10 A/cm
2 -8 2
k 10 k 100 k 1000 k 4 10 k
2.4
0
200
400
600
800
Baidu Nhomakorabea
1000
Specific capacity (mA h / g)
Cathode width=650 µm
Distance (cm)
阻抗谱
6000 5000 4000
Before discharge After discharge Before discharge fit After discharge fit
1000
-Z" / Ω
750 500 250 0 0 250 500 7501000
Surface morphology
SWNT MWNT
CNF Buckypaper
Cross-section morphology
8
Ref: G.Q. Zhang, R.Y. Liang, J.P. Zheng, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, J. Electrochem. Soc. 157, A953 (2010).
我们必须使用可替代可持续的绿色能源
2
未来电动车
• • • 太阳能电池板 家庭氢气产生和存贮系统或电 池能量存贮系统 燃料电池或电插入式车
生物燃料
3
未来的可再生的电能供应和管理系统 (FREEDM System)
• FREEDM是美国国家自然科学 基金支助的一个工程研究中心 • 五位主要负责人之一 •10年的经费合计3250万美元 展望： FREEDM系统是一个有效的电力 网络。它包括高度分布的和可 升级的各种能源和能源储备。 该系统将用来促进一个绿色能 源社会，缓和正在增长的能源 危机和减少碳排放所带来的对 环境的冲击。 FREEDM系统是未来能量互联网 的一个测试领域 FREEDM System: Future Renewable Electric Energy Delivery and Management Systems
2
Power density 2000 Specific capacity 1000 Energy density
2.6
2.5
0 -8 10
10
-7
10
-6
10
-5
10
2
-4
10
-3
2.4
Oxygen diffusion coefficient (cm /s)
Cathode width=650 µm
2
0.6
Porosity
0.4
0.2
0 capacity 1/4 capacity 2/4 capacity 3/4 capacity 4/4 capacity
0.0 0.00
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00
Membrane side
0.02 0.04 0.06 0.08
-3
1000 998 996 994 992 990 0.00 0.02 0.04
0 capacity 1/4 capacity 2/4 capacity 3/4 capacity 4/4 capacity
I = 0.1 mA/cm
2
-6
0.02
0.04
0.06
0.08
+
-6
0.06
0.08
Distance (cm)
2010未来电动汽车高能电源研讨会 ， 2010年9月16日
能源需求与能源危机
核能 可再生的 热能 汽车
2006年美国能源消费图
• 全年美国能源消耗量=93.93千亿千瓦小时 • 汽车所用能量高于总电力能 • 仅4%是可再生的 （ 包括水力发电） • 需求在2030年之前预计增长60% • 对外国石油的依赖性 （ 安全性问题 ） • 石油的不可再生（ 能持续性问题） • 大量的二氧化碳排放 （ 全球性变暖问题）
Specific capacity (mAh/gC)
200
400
600
Specific capacity (mAh/gC)
650 µm-thick cathode
计算机模拟的能量与功率关系(Ragone Plot)
Cathode width=650 µm
放电过程的模拟
0.8
I = 0.1 mA/cm
Cathode width=650 µm
实现高能量密度锂-空气电池 具有非均匀催化作用的空气电极
e _ Load e + O2 O2 O2 O2 O2
Ref: J.P. Zheng, R.Y. Liang, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, J. Electrochem. Soc. 155, A432-A437 (2008).
在锂-空气电池中的电化学过程
∂ (εc Li ) I ⋅ ∇t + 1− t+ = ∇ ⋅ (D Li ,eff ∇c Li ) − RC − Li ∂t F F
4
最先进的电能存贮和转换器件
燃料电池系统 先进的电池 (高能) 先进的电池 (高功率) 超电容器 锂-空气电池
能量密度 (Wh/kg) 功率密度 (KW/kg)
40-500
160-200
80-100
1-5
1500-2300
<0.1
0.3
1.5-3.5
10
<<0.1
效率
<0.40
0.95
0.9
0.95
实际能量密度 功率密度 周期寿命 稳定与安全 5
能量密度的考虑
Theoretical Energy Density 1. Organic electrolytes in both anode and cathode electrodes • Overall reaction: 2Li+O2=Li2O2 • Specific capacity: 3318 mAh/g (carbon), 1024 mAh/g (cell) • Cell voltage: 2.959 V • Energy density: 3031 Wh/kg Air electrode porosity: 75% 2. Organic (in anode) and non-organic (in cathode) dual electrolytes • Overall reaction: 4Li+6H2O+O2 →4LiOH.H2O • Specific capacity: 1280 mAh/g (carbon), 488 mAh/g (cell) • Cell voltage: 2.982 V • Energy density: 1436 Wh/kg References Specific capacity: Energy density: Fuel storage efficiency: Li metal 3862 mAh/g 11600 Wh/kg at V0=3V ~100% H2 13382 mAh/g 15600 Wh/kg at V0=1.169 V or 8700 Wh/kg at V0=0.65V ~7-8%
锂-空气电池的机遇与挑战
郑剑平
佛罗里达农工大学和佛罗里达州立大学 Florida A&M University and Florida State University 电机和计算机工程系 佛罗里达州立大学先进动力系统研究中心 Center for Advanced Power Systems (CAPS) Florida State University Tallahassee, FL 32310 Email: zheng@eng.fsu.edu
Z' / Ω
-Z" / Ω
3000 2000 1000 0
0
1000
2000
Z' / Ω
3000
4000
5000
6000
等效电路
氧气浓度的重要性
2.7 1200 Energy density (Wh/kg) 900 600 Specific capacity 300 0 I = 0.1 mA/cm 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
2.6
77% porosity
2.5
2.4
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Discharge capacity / mAh⋅g-1
Specific capacity (mA h / g)
电流密度的重要性
Li+ diffusion flux
∂ (εc Li ) = ∂t ∇ ⋅ D Li ,eff ∇c Li
Li+
O2
O2 diffusion flux
∂ εcO2 ∂t
(
)
I ⋅ ∇t − − Li F
∂ (c Li ) = ∂t ∇ ⋅ (D Li ,eff ∇c Li )
(
)
= ∇ ⋅ DO2 ,eff ∇cO2 −
空气电极的重要性
实验结果
3.5 3.0 2.5
理论模拟
2.8
Current = 0.1 mA/cm
2
Potential (V)
2.7
Voltage / V
2.0 219.2µm 1.5 1.0 0.5 0.0 65.5µm 19.7µm
Cathode width 33 µm 65 µm 100 µm 330 µm 650 µm 1000 µm 3300 µm
2Li+O2=Li2O2
Ref: P. Andrei, J.P. Zheng, M. Hendrickson, and E.J. Plichta, to be published in J. Electrochem. Soc. 2010
空气电极-碳纳米管纸
Advantages of using buckypaper • High electrical conductivity • Large surface area without micropore • High resistance to corrosion • Controllable microstructure • Maximum three-phase area
2
1500
Energy density 2.6 1000 Specific capacity (mAh/gC) Power density (W/Kg)
Power density
2.5
500
0.6
2.4
0
Solubility factor
Cathode width=650 µm
氧气扩散率的重要性
4000 2.7 3000 Energy density (Wh/kg) Power density (W/Kg) 3000 I = 0.1 mA/cm 2500 2000 1500 1000 500 0 Specific capacity (mAh/gC)
Air side
Distance (cm) Concentration of O2 (x10 cm )
-3
I = 0.1 mA/cm
0 capacity 1/4 capacity 2/4 capacity 3/4 capacity 4/4 capacity
2
Concentration of Li (x10 cm )
?
价格
高
低-中
低-中
中
低
寿命
20年 维护 功率密度 价格 燃料
5,000 周期 10年
800,000周期 (5%放电的深度) 周期寿命 安全 放电的深度
>100,000周期
<100
问题
周期寿命 安全 放电的深度
能量密度
Modified based on Prof. Bob Hebner’s (UT Austin) presentation