Aalto-yliopisto Kemian tekniikan korkeakoulu Kemian laitos Epäorgaaninen kemia Fysikaalinen kemia Litiumioniakku

Transkriptio

1 Aalto-yliopisto Kemian tekniikan korkeakoulu Kemian laitos Epäorgaaninen kemia Fysikaalinen kemia Litiumioniakku CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit Työstä vastaa Tanja Kallio Kurssiassistentit ovat Kirsi Jalkanen, Taina Rauhala, Mikko Nisula ja Olli Sorsa (spostit muotoa Laboratoriotyön työ- ja raportointiohje Kokoontumispaikka Kemian talon pääaula

2 1. Johdanto Energiantuotanto ja varastointi ovat merkittäviä haasteita maapallon väestömäärän kasvaessa. Energian varastoinnin tarve tulee lisääntymään erityisesti uusiutuvan, kausiluontoisen ja hajautetun energiatuotannon lisääntyessä. Tällaisia energiantuotantomuotoja ovat mm. aurinko- ja tuulivoima. Litiumioniakut sopivat energian varastointiin kannettavissa, liikkuvissa ja paikallaan olevissa kohteissa. Keveytensä ansiosta ne ovat yleistyneet nopeasti hybridiautojen energiavarastoina. Lisäksi niitä käytetään kannettavissa laitteissa kuten kännyköissä ja tietokoneissa, mutta myös tuulivoiman tuottaman energian varastointiin. Nimitystä litiumioniakku käytetään akuista, joissa litium-ionit kuljettavat varauksen elektrodilta toiselle. Niissä on käytössä useita eri elektrodimateriaaleja. Näiden materiaalivalintojen perusteella määräytyvät akun ominaisuudet, kuten nimellisjännite ja -kapasiteetti, lataus- ja purkunopeus ja elinikä. Kuvassa 1 on esitetty litiumioniakun toimintaperiaate. Kuva 1. Litiumioniakun toimintaperiaate. Latauksen ja purun aikana litium-ionit liikkuvat elektrodilta toiselle. Akun ollessa levossa litium-ionit ovat varastoituneina elektrodimateriaaleihin. Tämän lisäksi elektrolyytti sisältää litiumsuolaa. 1

3 a) b) c) d) e) Kuva 2. Elektrodimateriaalien kiderakenteita (a, b ja c) positiivielektrodeja, d ja e negatiivielektrodeja). 2

4 2. Koelaitteisto ja mittausten suoritus 2.1. Elektrodin valmistus Elektrodi valmistetaan levittämällä valmista pastaa virrankerääjälle. Pastaa sekoitetaan ennen levittämistä dispergaattorilla. Pastan kuiva-ainekoostumus on 85,6 m-% litiumtitanaattia (Li4Ti5O12), 6,3 m-% sidosainetta (Acryl S020) 5,4 m-% johtavuushiiltä (SuperP) ja 2,7 m-% muita lisäaineita. Virrankerääjänä käytetään alumiinifoliota. Pinnoitettu vedos siirretään vetokaappiin kuivumaan. Kuivunut vedos kalanteroidaan (puristetaan suurella voimalla) ja siitä leikataan elektrodinäytteitä (halkaisija 14 mm), jotka punnitaan. Laboratoriopäiväkirjaan taulukoidaan leikattujen elektrodinäytteiden massat. Lisäksi määritetään alumiinifolion massa koko elektrodin massasta Nappikennon kokoaminen Valmistetuista elektrodinäytteistä kootaan nappikennot hanskakaapissa argonilmakehässä. Nappikennon sisään asetetaan vastaelektrodi (LiCoO2), separaattori, elektrolyytti (4-5 tippaa), elektrodinäyte (Li4Ti5O12) ja nikkelivaahto. Kenno suljetaan sulkijalaitteella Nappikennon testaus Nappikennojen sähkökemiallisia ominaisuuksia testataan galvanostaattisesti lataamalla ja purkamalla akkusyklerillä. Valmiiksi kootuista nappikennoista mitataan kennojännite yleismittarilla. Nappikennojen kapasiteetti (mah) lasketaan rajoittavan elektrodimateriaalin aktiivisen massan perusteella. (Puhtaan LiCoO2:n teoreettisena kapasiteettina käytetään arvoa 160 mah/g.) Työssä tutustutaan syklausohjelman rakenteeseen sekä lataus- ja purkukäyrien tulkintaan. Kennon lataus- tai purkunopeus voidaan ilmaista kennon kokonaiskapasiteetin avulla. Virta C on arvo lataus- tai purkuvirralle, jolla kennon kapasiteetti voidaan ladata tai purkaa tunnissa. Merkintätapa tekee mahdolliseksi eri kennojen lataus- ja 3

5 purkuvirtojen vertailun. Yhdelle nappikennolle lasketaan syklaukseen tarvittava virta virralla 4C, joka vastaa kennon lataamista tai purkamista neljännestunnissa. Nappikennon nimellinen kapasiteetti lasketaan yhtälön (1) avulla. C = m akt C teor (1) missä C Nappikennon kapasiteetti (mah) makt Elektrodissa olevan aktiivisen aineen massa (g) Cteor Aktiivisen materiaalin teoreettinen kapasiteetti (mah/g). Tarvittava syklausvirta lasketaan käyttäen yhtälöä (2). I syklaus = C C - arvo (2) missä Isyklaus Syklauksessa käytettävä virta tietyllä C-arvolla (ma) C C-arvo Nappikennon kapasiteetti (mah) Syklauksessa käytettävän virran C-arvo (1/h). Spesifinen kapasiteetti kuvaa hyödynnettävissä olevaa reversiibeliä kapasiteettia (yhtälö (3)) eli kertoo kennosta mitatun kapasiteetin syklauksen aikana. C mitattu C spesifinen = (3) makt missä Cspesifinen Spesifinen kapasiteetti (mah/g) Cmitattu Kennosta mitattu kapasiteetti (mah). 4

6 Kuvassa 3 on esitetty tyypillinen lataus/purkukäyrä Li4Ti5O12/LiCoO2-kennolle virralla 0.1 C ja kuvassa 4 spesifiset kapasiteetit eri virran C-arvoilla syklin funktiona. Kuva 3. Li4Ti5O12/LiCoO2-kennon lataus- ja purkukäyrä virralla 0.1C. Kuva 4. Li4Ti5O12/LiCoO2-kennon purkukapasiteetit virroilla 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 2 C ja 4 C. 5

7 Lähdeluettelo 1. Winter M., Besenhard J. O., Spahr M. E., Novák P., Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries, Adv. Mater. 10 (1998) Scrosati B., Recent advances in lithium ion battery materials, Electrochimica Acta 45 (2000) Ohzuku T., Ralph J. B., An overview of positive-electrode materials for advanced lithium-ion batteries, J. Power Sources 174 (2007) Tarascon J.-M., Armand M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature 414 (2001)

8 LIITE 1 Keskeisiä akkuparametrejä Sykli-ikä Teoreettinen kapasiteetti Spesifinen kapasiteetti Virta C Kennon lataus- ja purkukerrat ennen kapasiteetin laskua liian alhaiseksi. Siirtyvä sähkömäärä massayksikköä kohden (mah/g, Ah/kg), kun koko elektrodimateriaali reagoi täydellisesti kennoreaktion mukaisesti. Hyödynnettävissä oleva reversiibeli kapasiteetti (mah/g, Ah/g) Lataus- tai purkuvirta, jolla kennon teoreettinen kapasiteetti voidaan ladata tai purkaa tunnissa 7