Polymerer för avancerade teknologier: Jon- och protonledande polymerer Ett globalt problem... Begränsad och avtagande tillgång på fossila bränslen... Kraftig ökning av antalet bilar.. Global reduktion av koldioxidutsläpp önskvärd Antalet bilar (miljoner stycken) 800 700 600 500 400 300 200 100 världens bilpopulation 0 1940 1960 1980 2000 2020 Årtal
Det våras för bränslecellen! -elektrokemisk förbränning av vätgas Fördelar: Energimässigt effektiv (~2 ggr mer än förbränningsmotorn) Inga emissioner Stor flexibilitet i valet av energikälla Inga rörliga delar En jämförelse mellan bränslecellen och förbränningsmotorn: Drivkälla Effektivitet Utsläpp (g/km) (%) S2 C kolväten NX Förbränningsmotor 10 Bränslecell 20 0.1 _ 2 0.01 0.2 _ 0.4 0.06 C2 280 120 lika energikällor för framställning av vätgas kolväten vatten e- e- e- e- e- e- e- e- biomassa H 2 H 2 2 bränsleceller e-ee- e-
Exempel på applikationer PLYMER MEMBRANE Polymerbränslecellens funktion cellspänning: ~0.7 V temperatur: ~70 o C effektivitet: 40-50%
Av bränsleceller byggs stackar Cell Stack 15-60 kw Elmotor Vätgaslagring Systemkomponenter Stack med bränsleceller Bränslecellsystemet...
Generella krav på ett membran för bränsleceller Hög Hög kemisk kemisk och och termisk termisk stabilitet stabilitet God God gasbarriär gasbarriär (H ( and 2 and 2 ) 2 ) Elektronisk Elektronisk isolator isolator Membran Elektrodkompatibilitet Billig Billig att att producera producera Hög Hög mekanisk mekanisk styrka styrka Kontrollerad Kontrollerad vattenupptagning vattenupptagning Hög Hög protonledning protonledning Bränslecellsmembran multifunktionella material!
Protonledande polymerer Vad är det? Protonledande polymerer är uppbyggda av jonomerer, dvs polymerer som innehåller sura (Brønsted) grupper i strukturen. Molekylär struktur hos perfluorinerad Nafion TM jonomer CF CF 2 2 x CF 2 CF y CF 2 CF CF 3 CF S H m 2 n 3 sidokedja huvudkedja sulfonsyra (stark) Exempel på alternativ jonomer: sulfonerad polysulfon S 2 n S 3 H Protonledande polymerer Hur fungerar de? Nafion TM CARTN Strukturen hos Nafion TM -membranet vid ökande vattenhalter Protolys och protontransport S 3 H H H
Syntes av en protonledande polymer genom stegvis polymerisation H H n F S F (x n) (y n) H H S Na 3 1. potassium carbonate NMP/toluene, 140 oc 2. NMP, 190 o C S x S y n S Na 3 Sulfoneringsgraden på polymeren regleras med förhållandet mellan x och y (x y = 1). Egenskaper hos protonledande membran S x S y n S Na 3 Protonledning (S cm -1 ) Vattenupptag (vikts-%) Mol-% sulfonerad monomer Mol-% sulfonerad monomer
Litium-polymerbatteriets funktion anod, litiumfolie Polymerelektrolytmembran * # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 katod, metalloxid Litium-polymerbatteriets uppbyggnad 100 µm isolator anod, litiumfolie polymerelektrolyt katod, metalloxid strömtilledare, aluminiumfolie Batterirulle
Generella krav på det jonledande elektrolytmembranet Mekanisk Mekanisk stabilitet stabilitet - deformabilitet deformabilitet Adhesion Adhesion till till elektroderna elektroderna Membran Hög Hög (litium) (litium) jonledning jonledning Elektronisk Elektronisk isolator isolator Termisk Termisk stabilitet stabilitet Elektrokemisk Elektrokemisk stabilitet stabilitet lika typer av elektrolyter Fasta polymerelektrolyter (salt polymer) - polymeren måste lösa saltet Gelelektrolyter (salt polymer lösningsmedel) - lösningsmedlet löser saltet Singeljon -elektrolyter - saltet finns inbyggt i polymeren
lika litium salter Bildning av polymer-salt komplex en process i vilken några av de elektrostatiska interaktioner i saltet ersätts av interaktioner mellan joner (katjoner) och polymeren. salt: polymer: Upplösningsprocess polymer-salt komplex: litiumklorid litiumhexafluorofosfat litiumbistrifluorometansulfonimidat Lösligheten av salt underlättas av att anjonens laddning är de-lokaliserad. Jonledning i fasta polymerelektrolyter σ i i =Σ =Σn i q i i m i i i n i i effektivt effektivt antal antal joner joner q i i elektrisk elektrisk laddning laddning m i -jonmobilitet i -jonmobilitet Jonledning genom koordinering och segmentrörlighet i amorfa faser t t Hög Hög segmentrörlighet segmentrörlighet Hög fraktion fraktion fri fri volym volym Låg glasövergångstemperatur
Elektrolyter baserade på polyetenoxid (PE) H H C C H H Fenton et al., Polymer, 1973 n low low rotationsbarriär rotationsbarriär () () hög högdielectrisk dielectriskkonstant konstant () () dålig dåligmekanisk mekaniskstyrka styrka (-) (-) semi-kristallin semi-kristallin (-) (-) Typiskt: Typiskt: glasövergångstemeratur ~ -60-60 ºC ºC smältpunkt smältpunkt ~ 65 65 ºC ºC kristallinitet kristallinitet ~ 60 60 % Ökande saltkoncentrationer: ökande antal laddningsbärare minskande tendens till kristallisation ökande glasövergångstemperatur Gelelektrolyter Elektrolytlösningar Elektrolytlösningar bundna bundna av av polymerer polymerer (t (t ex ex PMMA PMMA PE) PE) polymerkedjor lösning av ett salt i ett lösningsmedel Typiska lösningsmedel: Höga Höga jonledningar jonledningar uppnås uppnås Problem Problem med med flyktighet, flyktighet, läckage, läckage, stabilitet stabilitet DMC EC PC