I sistemi al litio: la frontiera della ricerca
Nerino Penazzi
Politecnico di Torino - Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica
Corso Duca degli Abruzzi 24 10129 Torino ITALY
Alcune precisazioni
l’obiettivo è la riduzione al
minimo dei consumi di
combustibili fossili nel trasporto.
siamo interessati a individuare
le direzioni lungo cui si muove la
ricerca nell’ambito degli
accumulatori elettrochimici al
litio per perseguire l’obiettivo
proposto.
Cella a ioni di litio
per cellulare
Cella a ioni di litio
per veicolo elettrico
• Alte prestazioni
• Sicurezza
• Affidabilità
• Materiali a basso costo
• Produzione semplice e poco costosa
• Grandi quantità
• Ecocompatibilità
• Alto valore di energia/potenza
specifica
• Alto valore di densità di
energia/potenza
• Testing delle celle via simulazione e
modellazione
• Condizionamento della temperatura
durante il funzionamento
• Gestione elettronica intelligente del
sistema
• Riciclo delle batterie a fine vita
Materiali
(livello componenti)
ELETTRODI
• Alte prestazioni
• Sicurezza
• Affidabilità
• Materiali a basso costo
• Produzione semplice e poco
costosa
• Grandi quantità
• Ecocompatibilità
• Alto valore di energia/potenza
specifica
• Alto valore di densità di
energia/potenza
Materiali nanostrutturati:
•La superficie specifica viene
aumentata
•Permette alle reazioni di
avvenire a livello nanometrico in
modo più efficiente.
ELETTROLITA
Materiale polimerico:
• conduttore di ioni litio
• flessibile
• Facilmente formabile
• Stabile
• Basso costo di produzione
MATERIALE CATODICO
ferro-fosfoolivina LiFePO4
• Preparazione in “pentola a pressione”
• aggiunta di un additivo insieme ai
composti di partenza con funzione
“ordinante”
l’additivo “ordinante” raggruppa
le particelle di LiFePO4 in modo
da :
• limitare le dimensioni dei grani
(20 – 30 nm)
• favorire la loro dispersione
• uniformare le dimensioni dei
grani
MATERIALE CATODICO
ferro-fosfoolivina LiFePO4
• Preparazione in “pentola a pressione”
• aggiunta di un additivo insieme ai
composti di partenza con funzione
“ordinante”
L’additivo, decomponendosi,
ricopre i grani con uno strato
nanometrico di carbone che
migliora la conducibilità elettronica
LiFePO4
C
“carbon nano-painting”
M. Armand, M. Tarascon Nature febbraio 2008
ELETTROLITA
Membrana gel-polimerica conduttiva
Aggiunta di cellulosa
LA BATTERIA A IONI DI LITIO
Materiali
(livello componenti)
Composti
di LITIO
PRODUZIONE
Assemblaggio
e gestione
(livello cella)
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
18
Milioni di barili al giorno
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
2
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
Milioni di barili al giorno
18
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE
INTERNA
2
VEICOLO ELETTRICO IBRIDO
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
Milioni di barili al giorno
18
16
14
12
10
8
6
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
4
VEICOLO ELETTRICO IBRIDO
2
VEICOLO A CELLA A COMBUSTIBILE
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
CONSUMO GIORNALIERO DI PETROLIO IN U. S. A.
PER IL TRASPORTO (previsioni DOE)
Milioni di barili al giorno
18
16
14
12
10
8
6
4
MOTORE A COMBUSTIONE
INTERNA
2
VEICOLO
ELETTRICO
PURO
IBRIDO+CELLA
A COMBUSTIBILE
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Steven G. Chalk a, James F. Miller b,∗ Journal of Power Sources 159 (2006) 73–80
2055
VEICOLO ELETTRICO PURO
Cella litio-ossigeno LI-OX
4Li + O2→ 2Li2O
scarica
litio
elettrolita
Elettrodo
poroso
Retina di acciaio, Ni ecc. che fa da
spingielettrodo, portacorrente e
permette il passaggio di ox
Catodo: carbonio mesop + cat +
binder + ecc. spalmato su GDL
elettrolita
Lamina di litio
Contatto con alluminio
In fondo al contenitore
VEICOLO ELETTRICO PURO
Cella litio-ossigeno LI-OX
Caratteristiche
è un accumulatore
il potenziale di cella è superiore ai 2.5 V
la reazione di riduzione dell’ossigeno non richiede costosi
catalizzatori come la reazione nel caso delle celle a
combustibile
ha una energia specifica (8kWh/kg) vicina a quella del
motore a combustione interna (12 kWh/kg)
VEICOLO ELETTRICO PURO
Cella litio-ossigeno LI-OX
Punti critici
catodo: il composto di litio e ossigeno che si forma
durante la scarica tende a riempire e bloccare i condotti
attraverso i quali l’ossigeno dell’aria entra nella cella.
Questo composto non si riconverte completamente in
litio metallico e ossigeno molecolare durante la ricarica.
elettrolita: poiché nell’uso normale la cella è a
contatto con l’aria di cui usa l’ossigeno, l’elettrolita deve
anche fare da barriera tra l’umidità e le impurezze
contenute nell’aria e l’elettrodo di litio che verrebbe
contaminato.
anodo: la lamina di litio metallico è molto instabile
essendo il metallo molto reattivo.
Se vi ho annoiato, per favore non fate questo
VEICOLO ELETTRICO PURO
Cella litio-ossigeno LI-OX
MINISTERO DELL'ISTRUZIONE DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIREZIONE GENERALE DELLA RICERCA
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE
NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 1407 del 4 dicembre 2008)
PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A
Anno 2008 - prot. 2008PF9TWZ
1 - Titolo del Progetto di Ricerca
Testo italiano
Sviluppo di accumulatori Li/aria per autotrazione
Testo inglese
Development of the Li/air cell for automotive applications
Uscita contatti
Entrata ox
Provettone apribile
Uscita ox
(I. Amadei, S. Panero, B. Scrosati, G. Cocco,L. Schiffini, JPS 143(2005)227)
Ball milling: stainless steel vial and spheres, Ar atmosphere
Grinding of powders of Ni
and Sn, followed by
addition of 10% grahite
Ni3Sn4
Grinding of powders of Ni
and Sn with 10% graphite
The use of an O2-based cathode can potentially lead to energy densities 5-10 times greater than those
the present batteries.
•
theoretical energy density for Li-OX battery 8170 Wh/kg
•
methanol/air fuel cell 5524 Wh/kg
•
gasoline/air engine 11860 Wh/kg
•
Cathode: metal lithium
•
Anode: carbon or catalyst-loaded carbon air electrode
•
Electrolyte: nonaqueous organic solution, in which the active cathode material is oxygen
coming from the environment
the overall reaction of a Li/air battery can be written as:
2Li + O2→ Li2O2
3.10V
Depending on discharge current and electrolyte composition, part of the resulting Li2O2 can be
further discharged to form Li2O:
2Li + Li2O2→ 2Li2O
2.72V
Combining Eqs:
4Li + O2→ 2Li2O
2.91V
Therefore, Li2O2 and Li2O coexist in the final discharge products of a Li/air battery.
No matter what the final discharge products are, the reaction gives a theoretical specific
capacity of 3862mAhg−1 vs. metal Li
Characteristics of the Li-OX system:
•
High energy density
•
(vs. FC)
o
the O2 red in non aqueous ambient needs no catalyst or low cost catalyst,
o
the potential is around 2.5 V
•
(vs. Me/air primary sources) there is not the problem of the reaction secondary
products,
Crytical points
• cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials.
The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction
products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD)
the recharging potential is lowered.
• cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal
Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The
discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing
oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve
is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of
discharge products, instead by the Li anode.
Crytical points
• cathode: great difference between discharge (around 3 V) and recharge ( 4.5 V approx.) potentials.
The corresponding processes are different though it has been proved that during recharge the reduction
products are consumed. In presence of some substance like electrochemical manganese dioxide (EMD)
the recharging potential is lowered.
• cathode: the real capacity of a Li/air battery does not correspond to the theoretical capacity of metal
Li due to the insolubility of discharge products (Li2O2 and Li2O) in non-aqueous organic electrolyte. The
discharge products are deposited on the surfaces of carbon or catalyst in the air electrode, preventing
oxygen from diffusing to the reaction sites. Therefore, the real capacity that a Li/air battery can achieve
is determined by the carbon air electrode, especially by the pore volume available for the deposition of
discharge products, instead by the Li anode.