Wyzwania i możliwości w projektowaniu akumulatorów Li-ion dla pojazdów elektrycznych i wielkoskalowych magazynów energii

Podobne dokumenty
BEZPIECZNE I NIEZAWODNE MAGAZYNY ENERGII DLA ELEKTROMOBILNOŚCI

Materiały katodowe dla ogniw Li-ion wybrane zagadnienia

Materiały w bateriach litowych.

Przetwarzanie energii: kondensatory

Przetwarzanie energii: kondensatory

Historia elektrochemii

Materiały elektrodowe

Akumulacja energii w systemie elektroenergetycznym przy zastosowaniu technologii sodowo-jonowych

Energetyka obywatelska. Magazyny energii w rozwoju transportu elektrycznego

Magazyn energii elektrycznej - definicja

Hoppecke. Koncepcje Systemów Magazynowania Energii rozwijanych przez HOPPECKE. Grid Systemizer

Barbara Adamska. 11 czerwca 2019

III PANEL EKSPERTÓW PROGRAM. Nowoczesne materiały i innowacyjne metody dla przetwarzania i monitorowania energii (MIME) 10 stycznia 2013 r.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Czysta energia potrzebuje czystych akumulatorów

Magazyny energii, elektromobilność i uboczne korzyści magazynowania energii

Technologie baterii samochodowych stan obecny i perspektywy Władysław Wieczorek Wydział Chemiczny Politechnika Warszawska

Instytut Inżynierii Elektrycznej

CATA ASPEKTY TECHNICZNE WYKORZYSTANIA TECHNOLOGII MAGAZYNOWANIA ENERGII. Centrum Zastosowań Zaawansowanych Technologii MIECZYSŁAW KWIATKOWSKI

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

Akumulatory Li-ion i zarządzanie energią w zastosowaniach automoto. Rok akademicki: 2016/2017 Kod: EEL IE-s Punkty ECTS: 3

Geneza produktu (1/2)

Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Magazyny energii w technologii przepływowej odpowiedź producentów baterii na zapotrzebowanie rynku energii

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Elementy Elektrochemii

Epoka kamienia łupanego nie skończyła się z powodu braku kamienia

Tradycyjny, pięcioetapowy system produkcji i dystrybucji energii elektrycznej

Bateryjne Systemy Magazynowania Energii ABB

PL B1. Sposób i układ kontroli napięć na szeregowo połączonych kondensatorach lub akumulatorach

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Przegląd technologii magazynowania energii elektrycznej. Mariusz Kłos

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Reporting on dissemination activities carried out within the frame of the DESIRE project (WP8)

Chemia I Semestr I (1 )

Funkcjonalne nano- i mikrocząstki dla zastosowań w biologii, medycynie i analityce

Instytut Inżynierii Elektrycznej

Okres realizacji projektu: r r.

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

Magazyny Energii w Polsce moda czy konieczność?

Elektrolity polimerowe. 1. Modele transportu jonów 2. Rodzaje elektrolitów polimerowych 3. Zastosowania elektrolitów polimerowych

Nowoczesne akumulatory do zastosowań w transporcie i energetyce

Specjalność ZRÓWNOWAŻONA ENERGETYKA. Nowe i odnawialne źródła energii

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

LiVO 2 materiał elektrodowy dla ogniw Li-ion

Katody do ogniw Li-ion. Akumulatory Wydział SiMR, kierunek IPEiH III rok I stopnia studiów, semestr V. Katody do ogniw litowo-jonowych

Kompozytowy akumulator kwasowy (KLAB)

Nauka o Materiałach dr hab. inż. Mirosław Bućko, prof. AGH B-8, p. 1.13, tel

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 1050

Wybór specjalności na studiach: stacjonarnych 1 stopnia. Elektroenergetyka prowadzi: Instytut Elektroenergetyki

PL B1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, KRAKÓW, PL BUP 08/07

II PANEL EKSPERTÓW PROGRAM. Nowoczesne materiały i innowacyjne metody dla przetwarzania i monitorowania energii (MIME) 19 stycznia 2012 r.

Integracja magazynów energii z OZE projekty PGE EO. Bartosz Starosielec Biuro Rozwoju i Innowacji PGE Energia Odnawialna S.A.

Wybrane prace badawcze naukowców z Wydziału Metali Nieżelaznych AGH w zakresie technologii przetwórstwa metali nieżelaznych

Zalety przewodników polimerowych

IV PANEL EKSPERTÓW PROGRAM. Nowoczesne materiały i innowacyjne metody dla przetwarzania i monitorowania energii (MIME) kwietnia 2014 r.

Ogniwa paliwowe FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ. Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii

Ogniwa litowe : part I. Wykład 3

Energia emitowana przez Słońce

MATERIAŁY KATODOWE DLA NOWEJ GENERACJI AKUMULATORÓW TYPU LI-ION

MARATON WIEDZY CHEMIA CZ. II

Rodzaje ogniw: pierwotne i wtórne

Dr hab. Maciej Galiński

Układy napędowe i magazyny energii w pojazdach elektrycznych oraz systemy do ładowania baterii

Bilansowanie mocy w systemie dystrybucyjnym czynnikiem wspierającym rozwój usług systemowych

Cykl życia nawierzchni drogowej

Podstawy elektrochemii

EKSPERYMENTALNE BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY OGNIWA LITOWO-JONOWEGO NA POJEMNOŚĆ I DOKŁADNOŚĆ OBLICZEŃ STOPNIA NAŁADOWANIA

Przyspieszenie rozwoju niskoemisyjnych sieci ciepłowniczych oraz chłodniczych

WYKORZYSTANIE AKUMULATORÓW W SYSTEMACH MAGAZYNOWANIA ENERGII

ISSN Egzemplarz bezpłatny. Biuletyn AGH. Magazyn informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej. czerwiec-lipiec 2018 nr

Krótka informacja o bateriach polimerowych.

Międzynarodowa aktywność naukowa młodej kadry Wydziału Metali Nieżelaznych AGH na przykładzie współpracy z McMaster University w Kanadzie

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

Ogniwa litowe : part I. Wykład 3

Magazynowanie energii elektrycznej przy zastosowaniu technologii sodowo-jonowej

Podstawowe systemy zasilania

PANEL EKSPERTÓW PROGRAM. Nowoczesne materiały i innowacyjne metody dla przetwarzania i monitorowania energii (MIME) 19 stycznia 2011 r.

Podstawowe pojęcia 1

RECENZJA PRACY DOKTORSKIEJ PANI MGR INŻ. ANNY DETTLAFF

Wybrane Działy Fizyki

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Zarządzanie systemem rozproszonych źródeł i magazynów energii na przykładzie Centrum Energii Odnawialnej w Sulechowie

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

mgr inż. Krzysztof Ligęza Urząd Gminy Ochotnica Dolna konsultacje Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

Adres do korespondencji:

INDEKS ALFABETYCZNY CEI:2004

Pomiary parametrów ruchu drogowego

PL B1. Sposób i układ do odzyskiwania energii elektrycznej z ogniwa elektrochemicznego, zwłaszcza pierwotnego

Czy ogniwa paliwowe staną się przyszłością elektroenergetyki?

Leon Murawski, Katedra Fizyki Ciała Stałego Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

Instrumenty wsparcia badań B+R w dziedzinie gospodarki niskoemisyjnej Oferta programowa NCBR

2.4 Plan studiów na kierunku Technologie energetyki odnawialnej I-go stopnia

PROF. DR HAB. INŻ. ANTONI TAJDUŚ

Skrypt do ćwiczenia Ogniwa elektrochemiczne

Ogniwa z elektrodami stałymi

Transkrypt:

Wyzwania i możliwości w projektowaniu akumulatorów Li-ion dla pojazdów elektrycznych i wielkoskalowych magazynów energii Janina Molenda Katedra Energetyki Wodorowej Wydział Energetyki i Paliw AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Kraków, 23.01.2017

Perspektywy rozwoju ogniw Li-ion i Na-ion Elektronowy model procesu interkalacji Komercyjny LiCoO 2 poprawa stabilności Nowy, bezpieczny materiał katodowy dla samochodów elektrycznych

Wielkoskalowe magazyny energii

Wymagania stawiane akumulatorom samochodowym niski koszt wytworzenia bezpieczeństwo użytkowania (stabilność chemiczna i termiczna materiałów) wysoka gęstość energii (iloczyn napięcia i pojemności) krótki czas ładowania długi czas użytkowania (wymagane 10 lat w zmiennych warunkach klimatycznych od -40 C do +40 C)

Czy światowe zasoby litu są wystarczające dla ciągle nowych zastosowań ogniw litowych? Lit występuje w postaci soli Li 2 CO 3 i LiCl w słonych jeziorach (21.6 Mt litu) i jako złoża spodumenu LiAl(SiO 3 ) 2 (niemal 8 Mt) Brazylia 7% USA 3% Kanada 3% Australia 2% Chiny 8% Boliwia 40% Argentyna 15% Chile 22% Globalne zasoby litu spodumen LiAl(SiO 3 ) 2 Słone jeziora w Boliwii C. Grosjean, P.H. Miranda, M. Perrin, P. Poggi, Renew. Sust. Energ. Rev. 16 (2012) 1735

Czy ogniwa litowe można zastąpić sodowymi?

Wielkoskalowe magazyny energii

Na-ion batteries szczególnie dedykowane dla zastosowań wielkoskalowych Niezawodne i bezpieczne bilansowanie energii w sieci odbywa się sekunda po sekundzie, w oparciu o wymagany poziom stabilności sieci: baterie zapewniają dodatkową energię w czasie szczytowego obciążenia Li-ion Na-ion batteries baterie pomagają utrzymać równowagę między elektrowniami i odbiorcami baterie magazynują nadmiar wygenerowanej energii

Przykłady rozwiązań

AES Laurel Mountain Moc: 64MW 64MW-zasoby magazynowania energii składają się z 1,3 mln baterii jednostek Uruchomiona: 30 września 2011 Elkins, Zachodnia Wirginia, USA AES zainstalowała turbiny wiatrowe generujące 98MW i zintegrowany z nimi 64MW system magazynowania energii oparty na ogniwach Liion. Projekt dostarcza energię z zeroemisyjnych odnawialnych źródeł do PJM Interconnection największego rynku energii na świecie. http://www.aesenergystorage.com/news/aeslaurel-mountain-achieves-commercial-operationenergy-storage-and-wind-generation.html

Grand Ridge Energy Storage Moc: 31,5MW Uruchomiona: 14 maja 2015 Marseilles, Illinois, USA Projekt Grand Ridge Energy Storage zlokalizowany jest 100 kilometrów na południowy zachód od Chicago, ma możliwość zmagazynowania 31,5MW energii. Głównym celem systemu jest równoważenie szybkich zmian zapotrzebowania na energię. http://www.invenergyllc.com/projectsbyc ountry/unitedstates/grandridgeenergyst orage.aspx

Beech Ridge Wind Storage Moc: 31,5MW Uruchomiona: 4 listopada 2015 Rupert, Zachodnia Wirginia, USA 31,5MW- system magazynowania energii Beech Ridge opracowany przez Invenergy zlokalizowany jest przy 100MW farmie wiatrowej w Zachodniej Wirginii. Składa się z osiemnastu 1,8 MW modułów. Każdy moduł 1,8 MW zawiera oprócz baterii cztery 450kW- falowniki, agregat chłodniczy do chłodzenia pojemników baterii; oraz transformator do przetwornicy. http://www.utilitydive.com/news/invenergyadds-315-mw-battery-to-booming-pjmfrequency-regulation-market/408558/

Systemy magazynowania energii odnawialnej w USA bazujące na Li-ion batteries firmy AES umożliwiają operatorowi sieci PJM Interconnection zrównoważenie 104 MW mocy w czasie krótszym niż 1 sekunda

Laboratorium akumulatorów Li-ion i Na-ion Katedra Energetyki Wodorowej, AGH

Centrum Energetyki AGH nowe laboratoria

Jaki jest mechanizm pracy akumulatorów Li-ion (Na-ion)?

Ogniwo LixC6/Li+/Li1-xCoO2

log [ cm -1 ] 2 0-2 -4-6 -8 600 500 400 300 200 VO2 2 3 4 5 6 7 Projektowanie materiałów dla Li-ion batteries Struktura krystaliczna Właściwości elektrochemiczne Skład chemiczny Właściwości transportowe Struktura elektronowa NaNiO 2 Na 0,7 MnO 2 LiFeO 2 Na 0,7 CoO 2 NaCrO 2 T [ K ] Na 0,74 CrO 2 K 0,5 CoO 2 Li 0,75 TiO 2 Li 0,17 CoO 2 Li 0,8 CoO 2 Li x Ti 1+y S 2, Na x Ti 1+y S 2 Li x VO 2-y, Li x V 1-z M z O 2, (M = Mo, W) Li x W 1-y Se 2, Li x NbSe 2 Li x CoO 2 Li x (Ni,Co,Mn,Cu,Ti,Al,Mg)O 2 Na x Co 1+y O 2 Na x Mn 1+y O 2 Na x Ni 1+y O 2 Li x MoS 2+y Li x YBa 2 Cu 3 O 7+d Li x Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-y Li x WO 3-y LiMn 2 (Cu,Fe,Co,Ni)O 4 LiFePO 4, Li 1-y (Al,Ti,Zr,W) y FePO 4 LiFe 1-y (Mn,Co,Ni,Cu) y PO 4 LiFeP 1-y (Mo,W) y O 4 NaMnO 2 10 3 /T [K] J. Molenda - 100 publikacji o tematyce ogniw litowych w czasopismach z Impact Factor

Nowe narzędzie w projektowaniu Li-ion i Na-ion batteries

Elektronowy model procesu interkalacji Li/Li + /Li x MO 2 xli + + xe - + MO 2 Li x MO 2 ε anoda ε katoda 0 E F Li e - Li x MO 2 E F SEM gęstość stanów N(ε) gęstość stanówn(ε) SEM E F katody

pasmo walencyjne pasmo defektowe pasmo przewodnictwa N(ε) N(ε) ε ε SEM SEM x Li x Li wysokie gęstości prądu, wysoka pojemność ogniwa niskie gęstości prądu, niska pojemność ogniwa

Li x CoO 2 komercyjny materiał katodowy i ograniczenia wynikające z jego struktury elektronowej struktura typu O3

Poprawa stabilności chemicznej komercyjnej katody Li x CoO 2 Krzywa ładowania ogniwa Li/Li + /Li x CoO 2 Przewodnictwo elektryczne Li x CoO 2

Osiągnięcia aplikacyjne

LiFePO 4 nowy, bezpieczny materiał katodowy dla akumulatorów typu Li-ion dla samochodów elektrycznych NASICON structure A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough J. Electochem. Soc. 144(1997) 1188-1194

okno elektrochemiczne elektrolitu LiFePO 4 - czy opanuje rynek? R Fe-Fe = 4Å! E Li PO 4 FeO 6 Fe 3+ /Fe 2+ : 3d 6 3.4 V LiFePO 4 Li + Fe 4+ /Fe 3+ : 3d 5 (010) Zalety: wysokie napięcie 3,4 V wysoka pojemność 170 mah/g wysoka stabilność przyjazny środowisku tani bardzo niskie przewodnictwo jonowo-elektronowe w 300K 10-9 S cm -1 bardzo niskie gęstości prądu ogniwa

Innowacyjna metoda wytwarzania LiFePO 4 Metoda syntezy: strącanie z roztworu 50 nm Patent nr P.407506

Koncepcja reaktywnego nanokompozytu LiFePO 4 Process of fabrication of crystalline nanometric lithium transition metal phosphate / AGH-UST; inventor: Molenda J., Zając W., Kulka A. Int.Cl.: C01B 25/37\(2006.01). World Intellectual Property Organization; WO 2015137836A1; Published 2015-09-17. Application no. PCT/PL2015/000037 date 2015-03-04.

Przewodzące warstwy węglowe (CCL) na nanometrycznym LiFePO 4 współpraca z Uniwersytetem Jagiellońskim Ziarna materiału katodowego Przewodząca warstwa węglowa (CCL) Process for the preparation of conductive carbon layers on powdered supports / Jagiellonian University; inventor: Marcin Molenda, Roman Dziembaj, Andrzej Kochanowski, Edgar Bortel, Marek Drozdek, Zofia Piwowarska, Int.Cl.: C23C18/12 World Intellectual Property Organization; WO2010021557A2; Published 2010-05-20.

Przewodzące warstwy węglowe (CCL) na nanometrycznym LiFePO 4 SEM image of LFP grain coated with conductive carbon layer M. Molenda et al.

Testy długoterminowe ogniw na bazie nanometrycznego kompozytu LiFePO 4 /C Prąd 1C odpowiada pełnemu rozładowaniu/ładowaniu ogniwa w ciągu 1 godziny

Zmniejszenie polaryzacji ogniwa Li/Li + /LiFePO 4,C po 100 cyklach pracy Prąd 1C odpowiada pełnemu rozładowaniu/ładowaniu ogniwa w ciągu 1 godziny

Osiągnięcia KEW w zakresie technologii Na-ion W Katedrze Energetyki Wodorowej opracowano materiał katodowy dla Na-ion batteries dla wielkoskalowych magazynów energii elektrycznej - program dla Polski Cechy materiału: skład chemiczny oparty o sód, żelazo, siarkę napięcie pracy 3-4V wysoka stabilność przyjazny środowisku prosta, ekonomiczna metoda syntezy ponad 100x tańszy od litowych odpowiedników

Wnioski Inżynieria stanów elektronowych jest doskonałą metodą kontroli właściwości materiałów katodowych dla ogniw Li-ion i Na-ion batteries, zmieniając niekorzystny kształt krzywej rozładowania ze schodkowego na monotoniczny, poprzez modyfikację funkcji gęstości stanów elektronowych w materiale katodowym Kontrola procesów zachodzących w ogniwach Li-ion i Na-ion batteries wymaga interdyscyplinarnego podejścia i stosowania zaawansowanych technik pomiarowych, wykorzystania wiedzy z zakresu fizyki, chemii i elektrochemii ciała stałego, szeroko pojętej inżynierii materiałowej i modelowania, włączając w to obliczenia struktury elektronowej oraz modelowanie stabilności chemicznej i strukturalnej materiałów katodowych. Inżynieria stanów elektronowych wydaje się być obiecującą metodą poszukiwania nowych właściwości materiałów dla ogniw Li-ion i Na-ion batteries.

Schemat półtechnicznej linii wytwarzania ogniw sodowych

Fabryka ogniw litowych Saft Factory, Jacksonville, Floryda (ARRA, DOE, NETL) Koszt: 191 mln $ Powierzchnia 2 ha Produkcja 2,3 mln ogniw (370 MWh) rocznie 280 miejsc pracy

Acknowledgements This work was carried out under cooperation with J. Tobola, D. Baster (AGH), A. Szewczyk, K. Dybko, M. Szot (Institute of Physics Polish Academy of Science in Warsaw), A. Braun (EMPA) Project supported by a grant from Switzerland through the Swiss Contribution to the enlarged European Union (grant no. 080/2010 LiBEV Positive Electrode Materials for Li-ion Batteries for Electric Vehicles)

Thank you for your attention