Baterías para autos eléctricos: avances y desafíos

Transcripción

1 Baterías para autos eléctricos: avances y desafíos Perla B. Balbuena Department of Chemical Engineering Department of Materials Science and Engineering Texas A&M University College Station, TX balbuena@tamu.edu Encuentro Científico Internacional, Lima, Perú, 4 de enero del 2015

2 Energías renovables (solar, eólica) son. fuentes intermitentes Podemos producir energía pero Necesitamos almacenar la energía obtenida debemos almacenarla Baterías y supercapacitores son las soluciones mas convenientes 2

3 Donde se almacena la energía? Combustibles líquidos (gasolina, gas natural comprimido) Combustibles gaseosos: hidrógeno (celdas de combustible) Represas hidroeléctricas (energía potencial) Celdas electroquímicas (baterías: almacenan energía química) 3

4 Porqué autos eléctricos? Menor costo; mucho menor contaminación ambiental 4

5 Tecnología de baterías: estado del arte Se necesitan: reducir los costos, extender su vida útil, y mayor densidad de energía Específicamente para autos eléctricos: que sean capaces de lograr un rango de 500 km entre cargas 5

6 Batería de ion litio (recargable) 6

7 Batería de ion litio (recargable) 7

8 Las propiedades dependen de los materiales 8

9 Baterías recargables Batería de ion litio- Sony 1990 domina el mercado, especialmente para artículos electrónicos portables Muy caras y relativamente baja densidad de energía (no son muy útiles para autos eléctricos) 9

10 Especificaciones y precios P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012) 10

11 Metas: Menor costo, materiales abundantes, alta capacidad, alta densidad de energia (Wh/kg ) (Wh/L ) Yang, Zheng, and Cui, Chem. Soc. Rev., 42, 3018, (2013) 11

12 La batería de litio-azufre P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012) 12

13 La batería de litio-azufre: cátodo P. G. Bruce et al, Nature Materials, 11, p. 19, (2012) 13

14 La batería de litio-azufre Es solamente la química lo que está cambiando? Materiales de intercalación concepto integrado (ventaja: mucho mayor capacidad de almacenamiento; desventaja: su química es muy compleja difícil de controlar!!!) 14

15 Ventajas de la batería Li/S S: uno de los materiales más abundantes en la tierra Bajo costo Mucho menos tóxico que los óxidos de Co usados actualmente Capacidad de almacenamiento de Li: un orden de magnitud > cátodos actuales Podría lograr la meta de los 500 Km para los autos eléctricos!!! Y ser útil para usos en energías renovables 15

16 Si es tan buena, porque no la usamos Desafíos: todavía? S sólido no es un buen conductor de electrones ni de iones Cambios en la estructura de S durante carga/descarga (expansión, pulverización del electrodo) Formación de compuestos intermedios, algunos solubles: efecto shuttle. Baja estabilidad corta vida de la batería 16

17 Posibles soluciones: S+C micro- y nano-estructuras Manthiram, Fu, and Su Permiten espacio para acomodarse a la expansión del S 17

18 Detalles de la síntesis Yang, Zheng, and Cui 18

19 El problema del electrolito Las interfaces sólido-líquido 19

20 Química computacional nos permite entender y predecir reacciones y nuevos componentes 20

21 Extent of lithiation: Effect on EC reduction mechanisms Very low lithiation LiSi 15 Li over the surface plane; Si-O E bonds formed 1 and 2-e - mech. can coexist based on calculated activation energies Intermediate to high lithiation C E -O cleavage Ma and Balbuena JES, 2014 LiSi 2 LiSi 4 Li 13 Si 4 Li on the surface plane or in the subsurface: Si-C bonds are formed 2-e - mech. preferred; at higher lithiation 4 e - mech. observed JM Martinez de la Hoz and P B Balbuena, ACS Appl. Mat. and Interfaces,

22 Effect of degree of lithiation on additives very low lithiation FEC: 2 e - mechanism preferred; C C -O E and C c -F bond cleavages: low/moderate barriers Ma and Balbuena JES, 2014 OC 2 H 3-, CO 2 2-, F - multi-electron reactions on highly lithiated surfaces 2 e - transfer to FEC ring opening OC 2 H 3 O -, CO 2-, F - FEC can yield open VC anion (path III) and therefore all VC-derived products, in addition to other specific FEC products (paths I, II, and III) C-F bond breaking J. M. Martinez de la Hoz and P. B. Balbuena, PCCP, 16, (2014) OCOC 2 H 2 O 2-, CO 2 2-, H, F - open VC 2-22

23 Time = 12.4 ps Li-F distances ~ Å Very fast reaction: LiPF 6 decomposition at 2.83 ps 23

24 Reaction continues on the surface partially covered by LiF Intact-EC +CO 2- (ads) Nucleophilic attack of an intact EC molecule by an adsorbed charged species CO 2- O33 C31 C13 24

25 SEI on carbons for different electrolyte compositions EC EC + DEC + LiPF 6 EC + LiPF 6 Very different SEI composition and product distribution DFT results: G. Ramos Sanchez, A. Harutyunyan, P. B. Balbuena, work in progress

26 Agradecimientos Colaboradores: Dr. Jorge Seminario (TAMU) Dr. Partha Mukherjee (TAMU) Dr. Vilas Pol (Purdue U) Dr. Kevin Leung (Sandia Nat. Lab) Dr. Susan Rempe (Sandia Nat. Lab) Dr. Chunmei Ban (NREL) Dr. Avetik Harutyunyan (HRI) Department of Energy, USA Honda Research Institute Special thanks to supercomputer time from: Brazos HPC Cluster 26