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



Samankaltaiset tiedostot
CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit (5 op) LABORATORIOTYÖN RAPORTTI

Harjoitustyö litiumioniakuista

Suljetun lyijyakun toiminnan peruskäsitteitä

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Keksintöjä Li-ion akuissa

AUTO-HIFI TUUNAUS 4 X 4 VENESOVELLUKSET

Kemian tekniikan korkeakoulu Kemian tekniikan tutkinto-ohjelma

Fluke 279 FC -yleismittari/lämpökamera

Auringosta voimaa sähköautoon -seminaari Kuopio Ari Puurtinen

Energian tuotanto haasteita ja mahdollisuuksia Pohjois- Suomessa. Pekka Tynjälä Ulla Lassi

Sähkön rooli? Jarmo Partanen LUT School of Energy systems

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

KULUTUSELEKTRONIIKAN AKKUJEN TEKNISET OMINAISUUDET JA MARKKINAOSUUDET

Sähköverkkovisio 2025? 16/03/2016 Jarmo Partanen

Veneen sähköt ja akusto. Akkujen valinta Lataus ja -laitteet Kaapelointi ja kytkentä Yleisimmät viat sähköjärjestelmissä

Sähköntuotannon tulevaisuus. Seppo Valkealahti Sähköenergiatekniikan professori Tampereen teknillinen yliopisto

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

LITIUM-POLYMEERI- JA LITIUM- RAUTAFOSFAATTIAKKUJEN KÄYTTÖ KANNETTAVASSA AUDIOLAITTEESSA

Erkki Saarikettu LITIUMIONIAKUN VALMISTUS

DEE Sähkötekniikan perusteet

DEE Aurinkosähkön perusteet

Mökkisähköistyksen toteutus tuulivoimalla

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

SMG-4450 Aurinkosähkö

Akkujen testausympäristö

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu VERSIO 3 Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma tbh

MITTAUSTEKNIIKAN LABORATORIOTYÖOHJE TYÖ 4. LÄMPÖTILA ja PAINELÄHETTIMEN KALIBROINTI FLUKE 702 PROSESSIKALIBRAATTORILLA

DEE Aurinkosähkön perusteet

Martti Alatalo, toimitusjohtaja. rjestelmiä. Litium-ioni akkukenno - Rautafosfaatti LiFePO4

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Kannettava DVD soitin Daewoo DPC-7200PD

Pellenc Ultra Lithium akkuteknologia

Akkujen ylläpito. Yleistä akkujen ylläpidosta VAROITUS!

Visioita tulevaisuuden sähköverkosta. Kimmo Kauhaniemi Professori Teknillinen tiedekunta Sähkö- ja energiatekniikka

Erilaisia akkuja, paristoja ja pattereita

Hydrostaattinen tehonsiirto. Toimivat syrjäytysperiaatteella, eli energia muunnetaan syrjäytyselimien staattisten voimavaikutusten avulla.

Tomi Lintula SATAKUNNAN AMMATTIKORKEAKOULUN SÄHKÖAUTOPROJEKTIN AKUSTO JA BMS-JÄRJESTELMÄ

Normaalipotentiaalit

CHEM-C2230 Pintakemia. Työ 2: Etikkahapon adsorptio aktiivihiileen. Työohje

Oikeanlaisten virtapihtien valinta Aloita vastaamalla seuraaviin kysymyksiin löytääksesi oikeantyyppiset virtapihdit haluamaasi käyttökohteeseen.

Airsoft-akkujen ABC. Tradesoft Oy, Eero Aarikka ei kaupalliseen käyttöön

VIISI RATKAISUA KOHTI ILMASTONEUTRAALIA TULEVAISUUTTA

Vanadiiniakut Vanadium batteries Riku Hiltunen

Virukset Materiaalitieteiden Rakennusaineina Suomalainen Tiedeakatemia

SMG-4450 Aurinkosähkö

Kuparin korroosionopeuden mittaaminen kaasufaasissa loppusijoituksen alkuvaiheessa

TASAVIRTAPIIRI - VASTAUSLOMAKE

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa Heinikainen Olli

HQ-CHARGER81 HQ ERIKOISNOPEA YLEISKÄYTTÖINEN LATURI PARISTOILLE AAA/AA/C/D/9V

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Miten lasketaan akuston sisältämä energiamäärä?

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

PULLEAT VAAHTOKARKIT

Litiumista virtaa viennille ja Keski-Pohjanmaalle Eurooppalaisittain merkittävä akkukemikaalien kaivos- ja jatkojalostuskeskittymä.

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

Mobiilisähkövarastohanke

Ajoneuvo litium-ioni akkupaketin käyttöönotto

LITIUMIONIAKKU AURINKO- PANEELIJÄRJESTELMÄN OSANA

KARELIA-AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma. Teemu Lintunen MUUNNOSSÄHKÖAUTON AKUSTON SUUNNITTELU

Käyttöohje. Tasapainolauta

Mikä on Vaihtoehtoisten Sähköenergiateknologioiden ammattiaineen idea?

HQ-CHARGER TUNNIN KOMPAKTI LATURI AAA/AA -PARISTOILLE

Smart Generation Solutions

AKUN MALLINTAMINEN LTSPICE- PIIRISIMULAATTORILLA

KIERTOHEILURI JA HITAUSMOMENTTI

saumaus- ja tiivistysaineet

Ilmastonmuutos ja ilmastomallit

Verkosto2011, , Tampere

LITIUM-IONIAKUN TASAPAINON HALLINTA

Polttokennolaboratoriotyö

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

Hanna-Liisa Kangas Suomen ympäristökeskus SYKE. Maaseutuakatemia , Porvoo

Fluke 279 FC -yleismittari/lämpökamera

LITIUMAKKUJEN LATAUS, PURKU JA LÄMPÖTILAKÄYTTÄYTYMINEN

Sähkökemian perusteita, osa 1

CHEM-A1400, Tulevaisuuden materiaalit Kurssin esittely

Akkujen aktiivinen balansointi

KÄYTTÖOHJE FI 57 PISTOTULPPA* VIRTAJOHTO CTEK COMFORT CONNECT RESET-PAINIKE VIKATILAN MERKKIVALO LATAUSKAAPELI VIRRAN MERKKIVALO

Aurinkopaneelin lataussäädin 12/24V 30A. Käyttöohje

Nokia Extra Power DC-11 / DC-11K lisävirtalaite /2

AKKUVARASTOT OMAKOTITALOISSA Battery storages in detached houses

Sanna Seppälä. Sähköautojen akkujen kemia

Sähkön varastointi utopiaa vai realismia? Jussi Mäntynen

KÄYTTÖOHJE. Pidä MODE-painiketta edelleen painettuna, jotta voit yhdistää latausohjelmaan latausoptiot.

SLT - Logo für LED LENSER * M1 / M5 Deutsche - Version

Talotekniikan järjestelmiä. RAK-C3004 Rakentamisen tekniikat Jouko Pakanen

Johdoton ja helppokäyttöinen varrellinen rikkaimuri

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Versio 2 Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma tbh

Ominaisuudet. Pakkauksen sisältö. Kuvaus

Suprajohtava generaattori tuulivoimalassa

Muut uusiutuvat energianlähteet. Parlamentaarinen energia- ja ilmastokomitea

SÄHKÖAJONEUVOJEN AKKUJEN UUSIOKÄYTTÖ Reuse of electric vehicle batteries

Elektroniikkalajin semifinaalitehtävien kuvaukset

EVE-seminaari

Selittävät huomautukset Euroopan unionin yhdistettyyn nimikkeistöön (2016/C 121/03)

Ole hyvä ja lue tämä käyttöohje ennen käyttöönottoa

Sähköenergian varastointitekniikat älykkäässä sähköverkossa. Juha Seppänen. Metropolia Ammattikorkeakoulu. Insinööri (AMK)

Nestemäisillä biopolttoaineilla toimiva mikrokaasuturbiinigeneraattori Vene-ohjelman seminaari

Transkriptio:

Aalto-yliopisto Kemian tekniikan korkeakoulu Kemian laitos Epäorgaaninen kemia Fysikaalinen kemia Litiumioniakku CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit Työstä vastaa Tanja Kallio (tanja.kallio@aalto.fi) Kurssiassistentit ovat Kirsi Jalkanen, Taina Rauhala, Mikko Nisula ja Olli Sorsa (spostit muotoa etunimi.sukunimi@aalto.fi) Laboratoriotyön työ- ja raportointiohje Kokoontumispaikka Kemian talon pääaula 17.9.2015

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

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

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. 2.2. 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. 2.3. 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

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

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

Lähdeluettelo 1. Winter M., Besenhard J. O., Spahr M. E., Novák P., Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries, Adv. Mater. 10 (1998) 725-763. 2. Scrosati B., Recent advances in lithium ion battery materials, Electrochimica Acta 45 (2000) 2461-2466. 3. Ohzuku T., Ralph J. B., An overview of positive-electrode materials for advanced lithium-ion batteries, J. Power Sources 174 (2007) 449-456. 4. Tarascon J.-M., Armand M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature 414 (2001) 359-367. 5. http://batteryuniversity.com/ 6

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