Baterías para autos eléctricos: avances y desafíos
←
→
Transcripción del contenido de la página
Si su navegador no muestra la página correctamente, lea el contenido de la página a continuación
Baterías para autos eléctricos:
avances y desafíos
Perla B. Balbuena
Department of Chemical Engineering
Department of Materials Science and Engineering
Texas A&M University
College Station, TX 77843
balbuena@tamu.edu
http://engineering.tamu.edu/chemical/people/pbalbuena
Encuentro Científico Internacional, Lima, Perú, 4 de enero del 2015
Energías renovables (solar, eólica) son
fuentes intermitentes
.
Podemos producir energía pero
• Necesitamos almacenar
debemos la energía obtenida
almacenarla
• Baterías y supercapacitores son las soluciones
mas convenientes
2
Donde se almacena la energía?
• Combustibles líquidos (gasolina, gas natural
comprimido)
• Combustibles gaseosos: hidrógeno (celdas de
combustible)
• Represas hidroeléctricas (energía potencial)
• Celdas electroquímicas (baterías: almacenan energía
química)
3
Porqué autos eléctricos? Menor costo; mucho menor contaminación ambiental 4
Tecnología de baterías:
estado del arte
• Se necesitan: reducir los costos, extender su
vida útil, y mayor densidad de energía
• Específicamente para autos eléctricos: que sean
capaces de lograr un rango de ∼500 km entre
cargas
5
Batería de ion litio (recargable)
6
Batería de ion litio (recargable)
7
Las propiedades dependen de los
materiales
8
Baterías recargables
• Batería de ion litio-– Sony 1990—domina el
mercado, especialmente para artículos
electrónicos portables
• Muy caras y relativamente baja densidad de
energía (no son muy útiles para autos
eléctricos)
9
Especificaciones y precios
10
P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012)Metas: Menor costo, materiales abundantes,
alta capacidad, alta densidad de energia
(Wh/kg )
(Wh/L )
Yang, Zheng, and Cui, Chem. Soc. Rev., 42, 3018, (2013) 11La batería de litio-azufre
12
P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012)La batería de litio-azufre: cátodo
13
P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012)La batería de litio-azufre
• Es solamente la química lo que está
cambiando?
• Materiales de intercalación concepto
integrado (ventaja: mucho mayor capacidad
de almacenamiento; desventaja: su química es
muy compleja—difícil de controlar!!!)
14Ventajas de la batería Li/S
• S: uno de los materiales más abundantes en la
tierra
• Bajo costo
• Mucho menos tóxico que los óxidos de Co usados
actualmente
• Capacidad de almacenamiento de Li: un orden de
magnitud > cátodos actuales– Podría lograr la
meta de los 500 Km para los autos eléctricos!!! Y
ser útil para usos en energías renovables
15Si es tan buena, porque no la usamos
todavía?
• Desafíos:
– S sólido no es un buen conductor de electrones ni
de iones
– Cambios en la estructura de S durante
carga/descarga (expansión, pulverización del
electrodo)
– Formación de compuestos intermedios, algunos
solubles: efecto “shuttle” .
– Baja estabilidad corta vida de la batería
16Posibles soluciones: S+C
micro- y nano-estructuras
Manthiram, Fu, and Su
Permiten espacio para acomodarse a la expansión del S 17Detalles de la síntesis Yang, Zheng, and Cui 18
El problema del electrolito Las interfaces sólido-líquido 19
Química computacional
nos permite entender y predecir
reacciones y nuevos componentes
20Extent of lithiation: Effect on EC reduction mechanisms
Very low lithiation Li over the surface
LiSi15 plane; Si-OE bonds
formed
1 and 2-e- mech.
can coexist
based on calculated
activation energies
Ma and Balbuena
JES, 2014
CE-O cleavage
Intermediate to high lithiation
LiSi2 LiSi4 Li13Si4
Li on the surface plane or in the 2-e- mech. preferred; at higher lithiation
subsurface: Si-C bonds are formed 4 e- mech. observed
21
JM Martinez de la Hoz and P B Balbuena, ACS Appl. Mat. and Interfaces, 2013Effect of degree of lithiation on additives
very low lithiation
FEC: 2 e- mechanism preferred;
CC-OE and Cc-F bond cleavages:
low/moderate barriers
Ma and Balbuena ∙OC2H3-, CO22-, F-
JES, 2014
2 e- transfer
multi-electron to FEC ring opening
reactions ∙OC2H3O-, CO2-, F-
on highly lithiated
surfaces
FEC can yield open VC anion (path III)
and therefore all VC-derived products , C-F bond breaking
in addition to other specific FEC
products (paths I, II, and III)
∙OCOC2H2O2-, CO22-, H, F-
J. M. Martinez de la Hoz and P. B. Balbuena, PCCP, 16, 17091-17098 (2014)
open VC2- 22Time = 12.4 ps
Li-F distances ~1.72-2.00 Å
Very fast reaction:
23
LiPF6 decomposition at 2.83 psReaction continues on the surface partially covered by LiF
Intact-EC +CO2-(ads)
Nucleophilic attack of an intact EC molecule by an adsorbed charged species CO 2-
C31
O33
C13
24SEI on carbons for different electrolyte compositions
EC
Very different SEI
EC + DEC + LiPF6 composition and
EC + LiPF6 product distribution
DFT results: G. Ramos Sanchez, A. Harutyunyan, P. B. Balbuena, work in progressAgradecimientos
Department of Energy, USA
Colaboradores:
Dr. Jorge Seminario (TAMU) Honda Research Institute
Dr. Partha Mukherjee (TAMU)
Dr. Vilas Pol (Purdue U)
Dr. Kevin Leung (Sandia Nat. Lab)
Dr. Susan Rempe (Sandia Nat. Lab)
Dr. Chunmei Ban (NREL)
Dr. Avetik Harutyunyan (HRI)
Special thanks to
supercomputer time from:
Brazos HPC Cluster
26También puede leer
