TriLi Långlivade litiumelektroder för EV och HEV batterier

Transkript

1 Första urladdningen Första uppladdningen TriLi Långlivade litiumelektroder för EV och HEV batterier Daniel Brandell, Kristina Edström (ledare), Torbjörn Gustafsson, Leif Nyholm, Ruijun Pan, Maria Strömme, Reza Younesi, alla Uppsala universitet. Helena Berg Libergreen och Mats Zackrisson Swerea IVF Batterifondsprogrammet MSEK

2 Mål och strategi för att nå målet Målet är att förhindra litiumdendritbildning när batteriet används. Tre metoder studeras: 1) Nya separatorer som ytfunktionaliseras samarbete med Shanghai University 2) Fasta elektrolyter 3) Vätskeelektrolyter med olika additiv. Batterierna ska kunna fungera vid förhöjd temperatur. Två viktiga perspektiv: miljö (LCA) och fordon (räcker de val vi gör för ett fordon)?

3 Några resultat Separatorer SEM mikroskopbilder av CC Mesoporös Cladophora cellulosa (CC) Ett separatormembran ska vara stabilt, ha en tillräcklig porstorlek för att låta elektrolyten fylla det, ha en porfördelning så att litiumdendriter inte kan gå genom det och vara termiskt stabil. Ruijun Pan et al., submitted

4 Går den att använda i ett batteri? Termiskt stabilt material! Ruijun Pan et al., submitted

5 Li/separator/LFP 200 cykler med 0.2 C Litium Jämförelse mellan cellulosa (CC) och en kommersiell separator Färre Med CC gropar Med Solupor Fler gropar

6 Nästa steg Mål: 1.Förbättra strukturen 2.Bättre mekaniska egenskaper 3.Förbättra cyklingsegenskaperna Strategi I: Fysikalisk process I. SiO 2 /CC kompositer II.Olika prepareringsmetoder III.2%, 5%, 10%, 20% SiO 2 Strategi II: Kemisk process I. Ytmodifiering av CC fibrer II.Positiv eller negativ ytladdning III.Olika grader av substituering

7 Elektrolyt Fast/Polymer elektrolyt In-situ bildat SEI Ex-situ skapad ytskikt Skydda litium med aluminiumoxid - Syntetisera Al 2 O 3 direkt på Li-metallytan med organiska lösningsmedel - Blanda Al 2 O 3 och polymerer/bindemedel och täcka ytan på Li-metallen

8 Utvecklat en metod för att studera litium Elektrokemiska test, Li deponering/stripping, impedansmätningar In operando - mikroskopi

9 Teoretiska beräkningar ett komplement DFT-studier på nedbrytning av elektrolyt på Li-metall Modell: 5 lager Li atomer med 36 atomer i varje (yta: 100) Adsorptionsreaktioner för elektrolytens beståndsdelar: Olika positioner studerade. Reaktioner för nedbrytning av lösningsmedel: Energi för reaktionerna: Solvent Decomposition energy (ev) EC PC DEC Spontana reaktioner Se poster: M. Ebadi et al.

10 Figure 14 Relative climate impact (4000 cycles, η=0.9, European electricity mix) Preliminära slutsatser från livscykelutvärderingarna : Vikten av hög verkningsgrad under användningen av cellerna i fordonet Metalliskt litium dominerar klimatpåverkan och den abiotiska utarmningen men, litiummetal kan (förhoppningsvis) återvinnas

11 Från material till fordon Baserat på materialdata från forskningsceller beräknas olika cellkonfigurationer. För att möta projektmålet på 250 Wh/kg varieras bl a: - elektrodkonstruktion (material, tjocklek, sammansättning) - olika CC-separatorer (tjocklek, porositet) - cellstorlek (Ah) Olika batteripack simuleras utifrån olika cellvarianter. Packen utvärderas i tre tänkta fordon: Tesla Model S, Nissan Leaf och Twizy. De mest optimala lösningarna utvärderas ur ett LCA-perspektiv. Resultaten loopas med materialforskningen för att utvärdera om separatorn kan göras ännu mer optimal för de olika tillämpningarna

12 Nästa steg Utveckla förpackningsmaterialet som måste tåla 80 C (tillsammans med Chalmers i högtempbat) Ruijun och Reza utvecklar separator och elektrolyt Välja katod som enligt Helenas beräkningar ger högsta möjliga kapacitet med relevans för ett fordon hämtas från REACHMAX Batterifondsprogrammet Litium mängd och form kommer att studeras Miljöperspektivet påverkar vad vi gör och våra val Mats LCA utvecklas kontinuerligt