Fö 13 - TSFS11 Energitekniska system Batterier

Transkript

1 Fö 13 - TSFS11 Energitekniska system Batterier Mattias Krysander 26 maj 2015

2 Dagens föreläsning 1 Introduktion 2 Grunder i batteri-kemi 3 Cellens elektromotoriska kraft (emk) 4 Teoretisk kapacitet: laddningstäthet, energitäthet 5 Batterityper och konstruktioner 6 Statisk ström-späningskaraktäristik 7 Batteripack Säkerhet Dynamisk modellering Åldring 8 Batteristyrning/hantering Laddning Balansering

3 Introduktion Batterier är viktiga komponenter i framtida miljövänliga energilösningar. Batterier är en viktig del i portabel elektronik.

4 Batterier Ett batteri konverterar kemisk energi till elektrisk energi genom en reduktion-oxidationsreaktion (redox) består av en eller flera elektrokemiska celler. Källa: User:Alksub / Wikimedia Commons Celler Anod (negativ elektrod). Elektroner avges till den externa kretsen när elektroden oxideras. Katod (positiv elektrod). Elektroner absorberas från den externa kretsen när elektroden reduceras. Elektrolyt (jon-ledare). Medium för transport av laddade joner mellan anod och katod.

5 Batterityper Primärceller Ej laddningsbara Pastaliknande elektrolyt (torr cell) Billiga, lätta Används för portabla elektronikprylar, ficklampor etc Kan förvaras länge Hög energidensitet Inget eller lite underhåll Låga effekter

6 Batterityper Sekundärceller Laddningsbart Energilagring (backup vid solceller, fordon) Hög effektdensitet Hög urladdningsström Låg energidensitet Högre läckströmmar

7 Batterikemier Kemi Anod Katod V Wh/kg Primärceller: alkaliskt MnO 2 Zn MnO Li/FeS 2 Fe FeS 2 (järnsulfid) Sekundärceller: blysyra Pb PbO nickel-cadmium Cd NiOOH nickelmetallhydrid MH NiOOH litium-jon (Li-jon) Li x C 6 Li (1 x) CoO (90) MH - väteabsorberande metallblandning

8 Redoxreaktion i en cell Elektroder namngivna efter laddningstecken vid urladdning. Anod negativt laddad elektrod vid urladdning anodmaterialet (bränslet) oxideras = avger elektroner Katod positivt laddad elektrod vid urladdning katodmaterialet tar upp elektroner = reduceras Anjon - negativt laddad jon Katjon - positivt laddad jon - Anod Elektroner Last Anjon Katjon Elektrolyt Katod +

9 Redoxreaktion i en cell Anodreaktion (negativ elektrod) bb ne dd b molekyler av B avger n elektroner för att bilda d molekyler av D Katodreaktion (positiv elektrod) aa + ne cc a molekyler av A upptar n elektroner för att bilda c molekyler av C Cellreaktionen - Anod Elektroner Last Anjon Katjon Elektrolyt Katod Reduktion av den fria energin är reaktionens drivkraft. funktion av koncentration av reaktanter, produkter, temperatur + ger cellens elektromotoriska kraft (emk) = spänning aa + bb cc + dd

10 NiCd-cell - Urladdning Effekt avges i lasten Anodreaktion: Cadmium(metall) oxideras och bildar cadmiumhydroxid Elektroner Cd + 2OH Cd(OH) 2 + 2e Last Katodreaktion: Nickeloxyhydroxid reduceras till nickelhydroxid NiO(OH)(s)+H 2 O+e OH +Ni(OH) 2 (s) - Anod Anjon Katjon Elektrolyt Katod + Cellreaktion Cd+2NiO(OH)(s)+2H 2 O Cd(OH) 2 +2Ni(OH) 2

11 NiCd-cell Laddning Likströmskälla driver ström i motsatt riktning Anodreaktion: Cadmiumhydroxid reduceras till Cadmiummetall Elektroner Cd(OH) 2 + 2e Cd + 2OH Laddare Katodreaktion: Nickelhydroxid oxideras till Nickeloxyhydroxid + Anod Anjon Katjon Katod - OH +Ni(OH) 2 NiOOH +H 2 O +e Elektrolyt Cellreaktion Cd(OH) 2 +2Ni(OH) 2 Cd+2NiOOH+2H 2 O

12 Elektrodpotentialen för halvceller Källa: User:Alksub / Wikimedia Commons Källa: Table 17-1 Chemestry, 5/e, 2008 Pearson Prentice Hall, Inc.

13 Beräkna emk för ZnCu cell Cellreaktion Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) Anodreaktion Zn(s) 2e Zn 2+ (aq) E anod = 0.76 V Katodreaktion Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) E katod = 0.34 V Emk för ZuCu-cell E cell = E anod + E katod = 1.1 V

14 Teoretisk laddningstäthet Ett mått på den elektrokemiska kapaciteten på ett material är att ange Laddning/massa [Ah/g] Kallas laddningstäthet. Faradays konstant anger laddningen på 1 mol elektroner: F = N A e = 96485C/mol = 96485As/mol = 26.8Ah/mol Beräkning av laddningstätheten för substans A. F n Ah/(mol e) (mol e)/(mol A) = = Ah/g M A g/(mol A) Exempel: Vad är laddningstätheten för Zn? Ah/mol 65.4 g/mol = 0.82 Ah/g Hur inkluderar vi båda elektroderna?

15 Teoretisk laddningstäthet Addera massan för båda elektroderna. Använd lagom mängd material för både anod och katod. g Ah = g cell Ah + g katod Ah anod Teoretisk laddningtäthet för en cell Ah g ( g = cell Ah + g ) 1 katod Ah anod Massan av elektrolyt, behållare, kontakter är ej medräknat. Teoretisk energitäthet [Wh/g] erhålls genom att multiplicera den laddningstätheten med emk:n ([Ah/g V = Wh/g])

16 Teoretisk kapacitet exempel: ZnCu cell Cellreaktion Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) Specifik laddning Ah g = Cu Zn 1 { }} { { }} { 63.5g Ah g = 0.42 Ah/g Ah Teoretisk specifik energi Wh g = E Ah 0 = 1.1 V 0.42 Ah/g = 0.46 Wh/g g

17 Alkaliskt batteri - konstruktion Anod Zn(s) + 2OH ZnO(s) + H 2 O + 2e Zn oxideras Katod 2MnO 2 (s) + H 2 O + 2e Mn 2 O 3 (s) + 2OH MnO 2 reduceras Cell Zn(s) + 2MnO 2 ZnO + Mn 2 O 3 Teoretisk laddningstäthet = 0.22 Ah/g Faktisk laddningstäthet = 2.8 Ah/25 g = 0.11 Ah/g Varför halveras kapaciteten? positiv terminal Zn anod ledare jonledande separator MnO 2 katod hölje skyddshölj Anod (Zn) pulver Katod (MnO 2 ) tabletter Strömledare mässing Separator indränkt i flytande KOH-elektrolyt. negativ terminal

18 Li-jonbatterier grafitlager CoO 2 -lager Urladdning Laddning Li + Li x C 6 anod Li-jonelektrolyt LiCoO 2 katod Li transporteras in och ut ur anoden/katoden. Urladdningsreaktion x, y beror på laddning och Anod Li x C 6 xli + + xe + 6C arbetspunkt Katod Li 1 y CoO 2 + yli + + ye LiCoO 2 Cell y(li x C 6 ) + x(li 1 y CoO 2 ) 6y C + x(licoo 2 ) Teoretisk laddningstäthet: 0.10 Ah/g Faktisk laddningstäthet = 0.94 Ah/19 g = 0.05 Ah/g Ungefär hälften av ett alkaliskt batteri, men spänningen är dubbelt så stor (4.1 V jmf 1.5 V) så energitätheten är större.

19 Batterikonstruktion Under batteridesign sker en avvägning mellan hög effekttäthet och hög energitäthet. Behållare Hög effekttäthet kräver stor kontaktyta mellan elektroderna. Hög energitäthet kräver maximalt med aktivt material. Hög energitäthet Alkaliska batterier Cylindriskt lindad cell Hög effekt Li-jon, NiMH, NiCd positiv terminal Zn anod ledare jonledande separator MnO 2 katod hölje skyddshölj negativ terminal Källa: Battierföreningen

20 Batterispänning vid last Batteri I + R i V R E 0 - Hur ser sambandet mellan spänningen och strömmen ut ur batteriet?

21 Polarisationsförluster i batterier Polarisationsförlust, spänningsfall/e aktiveringsförluster resistiva förluster cell koncentrationsförluster Normaliserad cellström (I/I max ) Låga strömmar 0-0.2: Energiförluster kopplade till aktivering av reaktionerna vid elektroderna : Energiförluster kopplade till resisitva förluster i elektrodkontakter, jontransporten i elektrolyten Höga strömmar 0.9-1: Förluster kopplade till att koncentrationen av reaktanter, produkter är begränsande.

22 Ström-spännings-karaktäristik Cellspänning: V = E 0 polarisationsförluster(i) Batteri R i E 0 I + V - R Cellens verkningsgrad = P last P cell Normaliserad cellspänning: V /E 0 = 1 polarisationsförluster(i)/e 0 Normaliserad cellspänning, verkningsgrad (V/E 0 ) Normaliserad cellström (I/I max ) = VI E 0 I = V E Normaliserad effekt P/(E 0 I max )

23 Fö 13 - TSFS11 Energitekniska system Batterier Mattias Krysander 26 maj 2015