Nowe materiały i ich zastosowania:

Transkrypt

1 Nowe materiały i ich zastosowania: Przewodniki superjonowe Wstęp Jak przewodzą prąd elektryczny Zastosowania

2 Przewodniki superjonowe Przewodniki superjonowe (elektrolity stale) ciała stałe o wiązaniach głównie jonowych, które wykazują wysokie przewodnictwo jonowe ( większe niż umowna granica /W cm). Czasem osiągają one przewodnictwo równe elektrolitom ciekłym. W przewodnikach superjonowych nośnikami ładunku są jony w niektórych zastosowaniach przewodnictwo elektronowe jest nawet nieporządane. Typowym kryształem jonowym jest NaCl, ale jego przewodność jest rzędu /W cm, nie należy wiec do tej kategorii materiałów Zwykle jonami, które się poruszają w ciałach stałych są: : Li+, Na+, K+, Ag+, Cu+, F-, O-2 Ionic conductors Electronic conductors Material Ionic crystals Solid electrolytes Strong (liquid) electrolytes Metals Semiconductors Insulators Conductivity ( S m-1 ) < <10-10

3 Przewodniki superjonowe Aby przewodnictwo miało wysoką wartość muszą być spełnione warunki: wysoka koncentracja swobodnych nośników wysoka ruchliwość swobodnych nośników Oporność właściwa (albo przewodność) ładunek [C] = 1/ = q n d koncentracja nośników [m-3] [Wm] [ W-1m-1 = S/m ] ruchliwość nośników [ m2/(vs)]

4 Przewodniki superjonowe (krystaliczne) Jak przewodzą prąd krystaliczne przewodniki superjonowe: Jony mogą się poruszać dzięki defektom w strukturze krystalicznej Defekty Frenkla Defekty Schotkiego Defekty wprowadzają puste miejsca w sieci gdzie może wskoczyć ruchliwy jon Sieć krystaliczna musi być dość luźna Położenia dla jonów ruchliwych są oddzielone stosunkowo niewielkimi barierami potencjału

5 Przykład: jodek srebra AgI IAg+ AgI -jodek srebra, przewodzą małe jony srebra, szkielet tworzą jony jodu. Okazuje się że jest bardzo dużo tych położeń możliwych dla jonów Ag+. Ponadto taka podsieć swoimi właściwościami w odpowiednio wysokiej temperaturze przypomina ciecz.

6 Przewodnictwo superjonowe Aby ruchliwość była mniejsza muszą być mniejsze bariery potencjału pomiędzy miejscami które mogą obsadzać jony ruchliwe Na skutek ruchów cieplnych oraz przyłożonego napięcia jon może przeskoczyć przez taką barierę Dzięki takiemu mechanizmowi przeskoków wartość przewodnictwa zależy od temperatury w następujący sposób: = n q = ( 0 / T ) exp( -Ea / kt ) Gdzie Ea jest tzw energią aktywacji - barierą jaką musi przeskoczyć jon. Zależność przewodnictwa od temperatury przypomina tą jak jest dla półprzewodników Zależność log (przewodności) od odwrotności temperatury dla beta aluminy

7 Przewodnictwo krystalicznych w przewodnikach superjonowych - podsumowanie Właściwości elektryczne przewodników superjonowych wynikają z ich specyficznej struktury krystalicznej Tworzą się co najmniej dwa dwa rodzaje jonów,z których jeden jest wbudowany w sztywny szkielet, a drugi prawie swobodnie porusza się w tym szkielecie Liczba położeń w sieci, dostępnych dla jonów ruchliwych, jest znacznie większa od liczby jonów Sieć jonów nieruchomych,czyli szkielet, umożliwia łatwe przemieszczanie się jonów ruchliwych z jednego dostępnego dla nich miejsca do następnego. Bariera potencjału oddzielającego dostępne położenia jest niska Ścieżki, wzdłuż których mogą przemieszczać się jony ruchliwe, są połączone w ciągłą sieć umożliwiającą ich długozasięgowy przepływ

8 Przykłady zastosowań przewodników superjonowych Fuel cells SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) O2- (YSZ) H+ (H3PW 12O40.29H2O) Batteries High temperature (Na/S-battery), or micro batteries cations (Na- Al2O3, RbAg 4I5) Sensors Lambda sensor, ion sensitive Electrodes all ions Ion selective Membranes Substance separation, i.e. Oxygen without external current ionic/electronic mixed conductors Electrochemical Pumps Substance separation, Oxygen pump, Coulometric Titration ionic Electrochromic Materials smart windows, Displays mixed (WO3, MoO3) Electrode Materials Lithium-Ion Batteries, Intercalation Materials mixed (V6O13)

9 Ogniwa paliwowe gdzie je zastosować? Elektronika,Fraunhofer ISE. Samochody, FORD. Ogniwa paliwowe przekształcają bezpośrednio energię chemiczna w energię elektryczną i ciepło. Ogniwa paliwowe mogą potencjalnie zastąpić większość dzisiejszych silników, które zanieczyszczają środowisko. Dzięki swojej budowie mogą być stosowane zarówno w generatorach prądu o mocy rzędu miliwatów, jak i w dużych elektrowniach o mocy kilku megawatów. Technologia ogniw paliwowych może znacząco zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska. Elektrownie, SiemensWestinghouse.

10 Pierwsze poważne zastosowania ogniw paliwowych W czasie amerykańskiego programu kosmicznego Apollo ogniwa paliwowe przeżyły swój debiut praktyczny w latach sześćdziesiątych XX wieku. 21 sierpnia 1965 r. Gemini 5 było pierwszym statkiem kosmicznym wykorzystującym ogniwo paliwowe z membran polimerowych zamiast standardowych baterii. Jednakże z powodu lepszych parametrów magazynowania energii w w czasie misji Apollo zastosowano ogniwo alkaliczne i ono dostarczało energii elektrycznej, gdy amerykańscy kosmonauci lądowali na Księżycu w 1969 r. Więcej informacji :

11 Przykład: tlenowe ogniwo paliwowe Fuel cells SOFC e O2 V Oxygen pump e I O2O2O2O2-2e 1 O2 O O 2 2 fuel H2 2e O2 H2 O 2 O H 2O = I O2O2O2O2- O2

12 Przykład: protonowe (wodorowe) ogniwo paliwowe

13 Rodzaje ogniw paliwowych Istnieje szereg rodzajów ogniw paliwowych: * ogniwo z membraną do wymiany protonów (ang. Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC), * odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell), * bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Directmethanol fuel cell), * ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells), * ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cells), * ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cells), * alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cells).

14 Potencjalna wydajność ogniw paliwowych Porównanie wydajności ogniw paliwowych i tradycyjnych silników cieplnych (spalinowych) Wydajność ogniw paliwowych W szerokim zakresie temperatur i mocy ogniwo paliwowe ma potencjalnie wyższą wydajność niż silniki cieplne (poniższy wykres). Silniki spalinowe (i inne cieplne) dobrze pracują w stałych warunkach, gdyż maj wąski zakres maksymalnej mocy. Poza tym zakresem wydajność znacząco spada. Natomiast ogniwa paliwowe prezentują wysoką wydajność w szerokim zakresie mocy i temperatur, dlatego są doskonałe do pracy przy zmiennych obciążeniach. Szczególnie cenna jest wysoka wydajność przy niewielkim obciążeniu.

15

16

17

18

19 Inne zastosowania : pompa tlenowa Działa w sposób odwrotny niż ogniwo paliwowe Oxygen pump e O2 H 2O = Selektywne pompowanie jonów na skutek różnicy koncentracji lub przyłożonego napięcia I O2O2O2O2- O2 Daje możliwość bardzo dokładnego selektywnego pompowania odpowiedniej ilości jonów (np. tlenu, w celu odpowiedniego utleniania różnych substancji)

20 Inne zastosowania: czujnik zawartości tlenu w gazach

21 Inne zastosowania: Czujnik do analizy gazów spalinowych

22 Inne zastosowania : bardzo wydajne ogniwa Na/S Ogniwo odwracalne (akumulator) Elektrolit ceramika beta alumina oparta na mieszaninie Na2O+Al2O3 Bardzo duża przewodność elektryczna jonów sodu Na+ w temperaturze ok 300oC Praktyczna gęstość energii może osiągać 200 Wh / kg (kwasowy akumulator ołowiowy daje Wh/kg) Problem degradacja elektrolitu w czasie pracy elektrolitu dlatego nie znalazły dotąd powszechnego zastosowania

23 Ogniwa elektryczne używane dzisiaj Type Alkaline Voltage Peak Optimal Drain Drain C < 0.2C NiCd C 1C Nickel metal C < 0.5C 2 5C 0.2C 3.6 2C < 1C Lead acid Lithium ion Type Capacity (mah) 2850 Density (Wh/kg) 124 Type NiCd NiCd AA NiMH AA Lithium ion Lead acid Alkaline AA Rechargeable Alkaline Cycles Charge Discharge Cost per (to 80%) time per month kwh 50 (50%) 3-10h 0.3% $ h 20% $7.50 NiMH h 30% $18.50 Li-ion h 10% $ h 10% Lead acid h 5% Polymer $8.50

24 Zasada działania ogniwa litowo-jonowego