Salt-pappersbatterietframtidens. Carl Johan Rydh

Transkript

1 Salt-pappersbatterietframtidens koncept? Carl Johan Rydh

2 Vem är Carl Johan Rydh? 2004: Doktorsavhandling vid Chalmers: Miljöbedömning av batterisystem : Utvecklingsingenjör vid batterifabriken SAFT AB, Oskarshamn. Chef för Produktlaboratoriet för batteritestning : Chef för Batteritestcentrum vid ETC Battery and FuelCells Sweden AB i ol. Batteritestning och batteriutveckling 2

3 Vad gör ETC Battery and FuelCells Sweden AB? ETC AB, Utvecklingsbolag och kompetenscentrum för att vara ett nationellt energitekniskt centrum med inriktning mot batterier och bränsleceller Överbrygga gapet mellan forskning och industriell produktion genom produktutveckling och pilottillverkning av batterier Batteritestcentrum Oberoende batterilaboratorium för batteritestning och batteriutveckling Avknoppningar Alelion: Tillverkning av batterisystem för elfordon Vätgas Sverige: Intresseförening Omvärldsbevakning batterier och bränsleceller Exempel på projekt Plug-in hybridfordon, Vattenfall & AB, Volvo Cars. ETC först i Sverige med tillverkning av kompletta batterisystem till Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) Salt-pappersbatteriet (Uppsala universitet) Applikationer & pilottillverkning 3

4 Frågor Vad är elektriskt ledande polymerer? Vad är ett salt-pappersbatteri? Hur fungerar det? Hur tillverkas det? Vilka egenskaper har det? Var kan det användas? Framtidsutsikter? 4

5 Vad är en elektriskt ledande polymer? obelpriset kemi 2000 Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid and Hideki Shirakawa Utveckling av polypyrrol och andra konduktiva polymerer (Heeger et al. 1977) Dopad polymer= oxidation av polyacetylen med jod skapade elektronhål Elektriska ledningsförmågan ökade 1 miljard gånger! Polyacteylen Referens: 5

6 Vilka egenskaper har algen grönslick? Övergödning kan orsaka algblomning Råmaterial tillgängligt Algen Grönslick Cladophora sp. består av långa filament av cellulosa Ytarea: 95 m 2 /g Fibertjocklek= 25 nm 95% kristallinitet Hög renhet och stor aktiv yta för kemiska reaktioner Referens: news.therecord.com Cladophora cellulose Surface area 94.7 m 2 /g Referens: Mihranyan et al., Int. J. Pharm., 269 (2004)

7 Vad har algen grönslick med batterier att göra? Forskning vid Uppsala Universitet Utveckling av syntes och tillämpningar: batteri och extraktionsmetoder Cellulosa har hög affinitet för polyaniline och polypyrrole Johnston et al., Synth Metals., 153 (2005) 65 Stor ytarea med ett 50 nm tunt elektroaktivt lager kan skapas Mihranyan et al., J. Phys. Chem. B, 112 (2008) Cellulosafibrer av algen Grönslick (SEM x) Cellulosafiber dopad med polypyrrol (TEM) 50 nm 1 mm 7

8 Hur tillverkas en elektriskt ledande komposit? 1. Blandning av cellulosa & tillsats av pyrrol 2. Oxidation av pyrrol med järnklorid (FeCl 3 ) leder till polymerisering av pyrrol 3. Polypyrrol fälls ut på cellulosapolymeren 4. Tvättning med 0.5M saltsyra 5. Torkning H Oxidation, e - A - H n - A + + A - Polymerisation * H H H A - + H * n

9 Kompositens egenskaper Cellulosans porositet bevaras efter dopning Ytaarea 80 m 2 /g nm tunna kompositfibrer nm lager av polypyrrol Konduktivitet 0.2 to 1 S/cm Arken kan böjas och vridas Oxidation -e Reduktion + e + Cl - Carl Johan Rydh,

10 Paperweight: A battery made from cellulose A Salt and Paper Battery Swedes Make High Performance Battery with Algae Super-thin batteries made from paper and algae Algae find use in batteries 10

11 Egenskaper Vad är ett salt-pappersbatteri? Billiga och vanliga material Elektroder av elektriskt ledande polymer Elektrolyt 2M acl (koksalt) Uppladdningsbart batteri/ kondensator baserat på redox reaktioner och laddning av ytor Elektroder= Cellulosa/ polypyrrole (Ppy) komposit Separator= filterpapper Strömledare= grafitfolie Vikt: 3 g Tjocklek: 2.5 mm Yta: 25 x 25 mm 11

12 Current (A) Hur fungerar ett salt-pappersbatteri? Reaktioner vid urladdning Positiv elektrod (reduktion) (Py 12 ) 2+ 2Cl - + e - (Py 12 ) + Cl - + Cl - egativ elektrod (oxidation) kloridjoner binder in (Py 12 ) + Cl - (Py 12 ) + Cl - + e - Totalt (Py 12 ) 2+ 2Cl - + (Py 12 ) 2(Py 12 ) + Cl Charge capacity: 236 C/g Potential (V vs Ag/AgCl) Scan 5 Py 12 motsvarar en polypyrrol-polymer med 12 pyrrolenheter 12

13 Hur tillverkas ett salt-pappersbatteri? Labcell med elektroder 25 x 25 x 1 mm m= 0.5 g/elektrod. U= 0.9 V Kapacitet till 0.2 V vid 20 ma= 1 mah Additive: Ppy= Polypyrrole, PAI= Polyaniline, PTP= polythiophene Materials Processes Electrode synthesis: washing & drying Electrodes attached to current collector Case: plastic foil Stacking of electrodes and separator Sealing of cell and addition of electrolyte Cell Gen 1.1 (plastic foil) Physical characterisation and electrical testing Polymer: Cladophora Current collector: graphite sheet 0.16 mm Separator: Filter paper Electrolyte: 2M acl Design: compression 13

14 Potential (V) Vilka egenskaper har ett salt-pappersbatteri? Laddning- urladdning Spänning ca 1 V Batteri/ kondensatorkaraktär Hög laddningsmottaglighet (>300C) Hög cyklingsstabilitet 99% av initial kapacitet efter 4000 cykler Energitäthet 7.5 Wh/kg aktivt material (0.5 Wh/kg cell) Li-jon= Wh/kg cell Hög självurladdning och låg verkningsgrad Time (s) 14

15 Var kan salt-pappersbatterier användas? Konsumentelektronik Fjärrkontroll Belysning Sensorer Smarta förpackningar Logistikinformation Leksaker Textilier Gardiner Kläder Medicin Engångsdiagnostik Fordon Storskalig energilagring Lagring av solenergi Ledande polymerer Potentialkontrollerade jonbytare (5 mol Cl - /kg) Fastfasextraktion 15

16 Framtidsutsikter för salt-pappersbatterier? Krav Lägre självurladdning Högre energitäthet Optimering av elektriska egenskaper Utveckling av nya stabila polymerer Olika elektroder med olika redoxgrupper Pågående forskningsprojekt Labtillverkning av celler Optimering av celldesign Demonstration i applikationer 16

17 Slutsatser Tillverkning av salt-pappersbatteri Cellulosa från grönalg som dopas med polypyrrol ger en elektriskt ledande polymer Elektrolyt av 2 M acl koksalt Billiga och vanliga material Egenskaper Kondensator/ batteri med hög cyklingsstabilitet Energitäthet 7.5 Wh/kg aktivt material (0.5 Wh/kg cell) Utvecklingsmål för praktisk användning Lägre självurladdning Högre energitäthet 17