(
)
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
?
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
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@
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
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
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
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
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
1000
Specific capacity (mA h / g)
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
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
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).
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
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 )
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
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
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 −
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）
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)