NANO – MATERIALES PARA BATERÍAS DE ION LITIO Dr. Saúl Cabrera Medina ...
ContenidoI. IntroducciónII. La celda electroquímica de ion litio –Baterías de Ion LitioIII. Conductividad eléctrica y cond...
I. IntroducciónComparación de diferentes tipos de baterías en términos de la densidad de energía volumétrica ...
Evolution del Mercado de batteries de ion lítio Lithium batteries: Status, prospects and ...
Existe consenso en la industria de que las baterías recargables de litio son la mejor opción para almacenar energía en ve...
II. La celda electroquímica de ion litio – Baterías de Ion Litio Fenomenos electroquímicos en LIB ...
(A) Perfil de voltámetria cíclica (potencial vs. Li/Li+) de los componentes de baterías de litio (ánodo y cátodo (...
Conceptos de referencia en Baterías de Litio: (i.e. voltage, energy density, cyclability, etc.) ...
Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries 9J.-M. Tarascon* & M. Armand†NATURE | VOL 414 | 15 NOVEMBER ...
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Para que las baterías para EVs/HEVs entren definitivamente en el mercado es necesario mejorar su ren...
III. Conductividad eléctrica y conductividad iónica (difusividad) ...
Efectos de la carga y descarga en materiales anódico ...
Parámetros claves:• Materiales con una alta conductividad iónica y eléctrica (en cátodos cambios de estados de oxidación ...
III.1. Efecto del tamaño LiCoO2Micrografias EDS d eLiCoO2 obt...
LiMn2O4Superior: LiMn2O4 (RF-650) nano partículas concristalinidad homogénea (60 nm) obtenida por sol gel. (Im...
LiNi0.5Mn1.5O4Micrografía de microscopio electrónico de transmisión de LiNi0.5Mn1.5O4, preparada por el método de micelas ...
Li1−3x LaxFePO4/C a) Comportamiento ciclico de LiFePO4...
Efecto promedio del tamaño de partícula en materiales catódicos comerciales Mejor com...
Efectos de la carga y descarga en materiales catódicos y anódicos Tiempos para la difusión del litio en diferentes mate...
III.2. Efecto de la forma Materiales catódicos1D túnel unidireccional 2D estructura laminar (L...
Electrodos de baja dimensionalidad (LD): LiCoO2Mayor capacidad para LiCoO2 fibroso que en polvo*. ...
Electrodos de baja dimensionalidad (LD): Ingreso ...
Estructuras mixtas corazón/superficie: LiFePO4 - CNT ...
Estructuras mixtas corazón/superficie: Diagrama esquematico de un electrodo catodico sintetizado con gradiente d...
Estructuras huecas: Estructura hueca Li2O CuO SnO2a) Imagen de SEM de estructuras tipo multideck-cage de Li2O...
Combinación de Micro-Nano estructuras Estructura Anódica Composito Carbón - Estaño (A) Imagen TEM, mancha...
Combinación de Micro-Nano estructuras Estructura Anódica nanotubos de silicio Cambios en la morfolog...
Combinación de Micro-Nano estructuras Red nano conductora anódica ...
Sumario de estrategias para la obtención de nano-materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partículas...
Sumario de estrategias para la obtención de nano-materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partículas...
Sumario de estrategias para la obtención de nano - materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partícul...
nano-materiales Fácil difusión del litio en las nano – Proceso...
Nano - materiales ofrece un potencial camino para crear baterías de ion litio, con alta densidad de energía y alta densida...
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Nano materiales para baterias de lithium nanoandes 2011 cabrera

Nano materiales para baterias de litio Presentacion NanoAndes Cartagena Colombia 2011 Cabrera Saul UMSA
Published on: Mar 3, 2016
Published in: Technology      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nano materiales para baterias de lithium nanoandes 2011 cabrera

  • 1. NANO – MATERIALES PARA BATERÍAS DE ION LITIO Dr. Saúl Cabrera Medina Instituto del Gas Natural Instituto de Investigaciones Químicas UMSA Bolivia JUNIO 2011 1
  • 2. ContenidoI. IntroducciónII. La celda electroquímica de ion litio –Baterías de Ion LitioIII. Conductividad eléctrica y conductividadiónica (difusividad)III.1. Efectos de TamañoIII.2. Efectos de FormaIV. Observaciones finales 2
  • 3. I. IntroducciónComparación de diferentes tipos de baterías en términos de la densidad de energía volumétrica vs. gravimétrica 3
  • 4. Evolution del Mercado de batteries de ion lítio Lithium batteries: Status, prospects and future 4 Bruno Scrosati∗, Jürgen Garche Journal of Power Sources 195 (2010) 2419–2430
  • 5. Existe consenso en la industria de que las baterías recargables de litio son la mejor opción para almacenar energía en vehículos que operan a propulsión eléctrica. 5
  • 6. II. La celda electroquímica de ion litio – Baterías de Ion Litio Fenomenos electroquímicos en LIB A review of conduction phenomena in Li-ion batteries 6 Myounggu Parka, Xiangchun Zhanga, Myoungdo Chunga, Gregory B. Lessa, Ann Marie Sastrya Journal of Power Sources 195 (2010) 7904–7929
  • 7. (A) Perfil de voltámetria cíclica (potencial vs. Li/Li+) de los componentes de baterías de litio (ánodo y cátodo (verdes), electrolito (azul). (B) Rango de voltaje de operación de una sistema C/LiCoO2 The Development of Lithium Ion Secondary Batteries YOSHIO NISHI 7 The Chemical Record, Vol. 1, 406–413 (2001) © 2001 The Japan Chemical Journal Forum and John Wiley & Sons, Inc.
  • 8. Conceptos de referencia en Baterías de Litio: (i.e. voltage, energy density, cyclability, etc.) Capacidad del Electrodo: La capacidad es la cantidad de electricidad obtenida desde el material activo (puede ser definido en relación al volumen o peso). Voltaje de la batería: se define a partir de la diferencia de potencial (Voltios) entre ánodo y cátodo (depende del material, compuesto o elemento de que este hecho). Densidad de Energía (Wh): es el producto entre la capacidad (Ah) y el voltaje promedio (V) de descarga. 8
  • 9. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries 9J.-M. Tarascon* & M. Armand†NATURE | VOL 414 | 15 NOVEMBER 2001 |
  • 10. 10
  • 11. Para que las baterías para EVs/HEVs entren definitivamente en el mercado es necesario mejorar su rendimiento: • altas densidades de energía, • alta densidad de poder, y • larga vida (un buen comportamiento cíclico – C/D)Es necesario optimizar ciertas características en los materiales de construcción (especialmente ánodos y cátodos que son los que mas afectan este comportamiento). En los electrodos se hace importante optimizar Conductividad eléctrica y la conductividad iónica (difusividad iónica) altamente dependiente del Tamaño, Morfología y Composición de los electrodos. 11
  • 12. III. Conductividad eléctrica y conductividad iónica (difusividad) Fenómenos de interacción en una media celda de referencia para unFenómenos de conducción durante la carga para un material material catódico (LiFePO4, otros) catódico de LiFePO4 o anódico (LiTi4O12) Conductividad eléctrica Conductividad (cambio de estado de ionica oxidación en material (difusividad) catódico)
  • 13. Efectos de la carga y descarga en materiales anódico 13 M. Winter, J.O. Besenhard, Electrochim. Acta 45 (1999) 31.
  • 14. Parámetros claves:• Materiales con una alta conductividad iónica y eléctrica (en cátodos cambios de estados de oxidación altos)• Menor tamaño y forma adecuada de electrodos favorece la movilidad iónica y eléctrica• Problemas de estrés en los procesos de carga y descarga. 14
  • 15. III.1. Efecto del tamaño LiCoO2Micrografias EDS d eLiCoO2 obtenidos a diferentees temperaturas: (a) Superior: X-ray difracción patrones : (a) 300 600 ◦C, (b) 700 ◦C, (c) 800 ◦C, y (d) 900 ◦C. ◦C, (b) 400 ◦C, (c) 500 ◦C, (d) 600 ◦C, (e) 700 ◦C, (f) 800 ◦C, and (g) 900 ◦C. Inferior: Capacidad de charge/discharge de High performances of ultrafine and layered LiCoO2 powders for lithium LiCoO2 obtenidos a 4 h a diferentes batteries by a novel sol–gel process Chongqiang Zhua, Chunhui Yanga, Wein-Duo Yangb,∗, Ching-Yuan Hsiehc, temperaturas: (a) 600◦C, (b) 700◦C, 15 Huei-Mei Ysaic, Yun-Sheng Chenb y (c) 800 ◦C. Journal of Alloys and Compounds 496 (2010) 703–709
  • 16. LiMn2O4Superior: LiMn2O4 (RF-650) nano partículas concristalinidad homogénea (60 nm) obtenida por sol gel. (Imágenes TEM a, b, c) LiMn2O4(SSR-650) micro partículas (1 μm) obtenida por reacciones en estado solido. (Imágenes TEM d, e)Derecha: Resultados de medidas electroquímicas. Y. Chen, K. Xie,Y. Pan, C. Zheng, Nano-sized LiMn2O4 spinel 16 cathode materials exhibiting high rate discharge capability for lithium-ion batteries, Journal of Power Sources (2010), doi:10.1016/j.jpowsour.2011.03.081
  • 17. LiNi0.5Mn1.5O4Micrografía de microscopio electrónico de transmisión de LiNi0.5Mn1.5O4, preparada por el método de micelas Comportamiento de carga/descarga de dos inversa, calcinada a 800ºC tipos de LiNi0.5Mn1.5O4 Normal y nano-polvo preparado por micelas inversas. Triángulos vacío (micro polvo) y lleno (nano polvo) a 800ºC.María José Aragón, Pedro Lavela, Bernardo León, Carlos Pérez-Vicente, Círculos vacíos (micro polvo) y lleno (nano polvo)José Luis Tirado, Candela Vidal-Abarca Triángulos invertidos nao polvos a 600 ºCJ Solid State ElectrochemDOI 10.1007/s10008-010-1026-8 17
  • 18. Li1−3x LaxFePO4/C a) Comportamiento ciclico de LiFePO4Imagenes de TEM de muestras de Li1−3xLaxFePO4/C puro y Li1-3x LaxFePO4/C (x = 0, 0.005,: a) x=0 and b) x=0.02; c) y d) imagenes de HRTEM de 0.01, 0.015, 0.02, 0.025) a 1.5 C, y b)Li1−3xLaxFePO4/C (x=0.02) . muestra Li1-3x LaxFePO4/C (x = 0.02) a diferentes relaciones de corriente. Synthesis and electrochemical properties of nanosized carbon-coated Li1−3xLaxFePO4 composites. 18 Dan Li , Yudai Huang , Dianzeng Jia , Zaiping Guo , Shu-Juan Bao J Solid State Electrochem (2010) 14:889–895
  • 19. Efecto promedio del tamaño de partícula en materiales catódicos comerciales Mejor comportamientoMenor tamaño electroquímico Title: Materials Processing for Lithium-Ion Batteries Authors: Jianlin Li, Claus Daniel, David Wood19 DOI: doi:10.1016/j.jpowsour.2010.11.001 Journal of Power Sources
  • 20. Efectos de la carga y descarga en materiales catódicos y anódicos Tiempos para la difusión del litio en diferentes materiales catódicos y anódicos. (Dentro en escala log.) La litiacion completa ocurre teoricamente en una particula de 10 nm 10,000 veces mas rapido que en una de 1 μm. 20
  • 21. III.2. Efecto de la forma Materiales catódicos1D túnel unidireccional 2D estructura laminar (LiCoO2, 3D arreglo túnel tres(LiFePO4, LiCoPO4 y LiNiCoAlO2, dimensiones (LiMn2O4, LiMnPO4 tipo olivino) LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 ) LiMn1.5Ni0.5 O 4 ) Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries** 21 Martin Winter, Jürgen O. Besenhard,* Michael E. Spahr, and Petr Novak Adv. Mater. 1998, 10, No. 10
  • 22. Electrodos de baja dimensionalidad (LD): LiCoO2Mayor capacidad para LiCoO2 fibroso que en polvo*. 22 M. Armand and J.-M. Tarascon, Nature, Vol 451|7 February 2008 * Y.X. Gu, D.R. Chen, M.L. Jiao, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 17901–17906.
  • 23. Electrodos de baja dimensionalidad (LD): Ingreso de Li+ LiMn2O4 Nanocable Ingreso de Li+ Estructura espinela de LiMn2O4 mayor transporte isotrópico del litio en partículas esféricas o nanocable MEJOR COMPORTAMIENTO ELECTROQUÍMICOImágenes de SEM de partículas tipo nanocable de LiMn2O4 2008, Vol. 8, Nº 11, 3948 - 23 Nano Letters, 3952Comportamiento electroquimico
  • 24. Estructuras mixtas corazón/superficie: LiFePO4 - CNT Estructura que favorece la conduccion electricaImágenes de TEM donde se identifica nanocables triaxiales de LiFePO4 con MWCNT [135] E. Hosono, Y.G. Wang, N. Kida, M. Enomoto, N. Kojima, M. Okubo, H. Matsuda, Y. Saito, T. Kudo, I. Honma, H.S. Zhou, 24 ACS Appl. Mater. Interfaces 2 (2010), 212–218.
  • 25. Estructuras mixtas corazón/superficie: Diagrama esquematico de un electrodo catodico sintetizado con gradiente de concentracion en Ni. Producto con una capacidad de 209mAh /g El buen comportamiento electroquímico es atribuido a laEstos mateiriales alta estabilidad dada por elmuestran un alto grado gradiente de concentración :de ciclabilidad, Li[Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2.estabilidad termica yseguridad. 25 Y. K. Sun, S. T. Myung, B. C. Park, J. Prakash, I. Belharouak, K. Amine, Nat. Mater. 2009, 8, 320.
  • 26. Estructuras huecas: Estructura hueca Li2O CuO SnO2a) Imagen de SEM de estructuras tipo multideck-cage de Li2O CuO SnO2. b) Retención de la capacidad especifica para Li2O CuO SnO2 a 0.5 C. 26 Y. Yu, C. H. Chen, Y. Shi, Adv. Mater. 2007, 19, 993.
  • 27. Combinación de Micro-Nano estructuras Estructura Anódica Composito Carbón - Estaño (A) Imagen TEM, manchas corresponden a Sn; (B) HRTEM mostrando una partícula de Snembebida en la matriz de C; (C) Capacidad de carga especifica vs. ciclos de carga/descarga, y (D) evolución de XRD montado en atmosfera abierta . 27 G. Derrien, J. Hassoun, S. Panero, B. Scrosati, Adv. Mater. 19 (2007) 2336. G. Derrien, J. Hassoun, S. Panero, B. Scrosati, Adv. Mater. 20 (2008) 3169.
  • 28. Combinación de Micro-Nano estructuras Estructura Anódica nanotubos de silicio Cambios en la morfología durante el proceso de carga /descarga en nanotubos de Silicio. c Imágenes de SEM a) Film de Si y partículas tienden apulverizarse por el cambio de volumen.b) Si nanotubos crecidos directamente sobre el colector de corriente evita la ruptura en el ciclo de C/D 28 C. K. Chan, H. L. Peng, G. Liu, K. McIlwrath, X. F. Zhang, R. A. Huggins, Y. Cui, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 31.
  • 29. Combinación de Micro-Nano estructuras Red nano conductora anódica Representación esquemática de nanotubos Si/C y su ensamble directo en una pilla tipo moneda. (a) Perfiles de Voltaje para el hibrido silicon/CNTs nano (a) Imágenes de SEM de CNTs sobre el estructura - ánodo después de 1, 10 and 30 cicles. (b) colector, (b) Imagen de SEM de NTs con Curvas de descarga/carga vs. capacidad especifica y ladeposición de Si, (c) y (d) Imágenes de HR- eficiencia columbimetrica.TEM de nanotubos de carbono recubiertos Vertically aligned silicon/carbon nanotube (VASCNT) arrays: con nano - clúster de silicio, a diferentes Hierarchical anodes for lithium-ion battery. 29 tiempos de exposición. Wei Wang a,1, Rigved Epur a, Prashant N. Kumta, Electrochemistry Communications 13 (2011) 429–432
  • 30. Sumario de estrategias para la obtención de nano-materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partículas, NT = nano - tubos, NW = nano - cables, NR = nano - rod Advanced Materials for Energy Storage 30 By Chang Liu, Feng Li, Lai-Peng Ma, and Hui-Ming Cheng Adv. Mater. 2010, 22, E28–E62
  • 31. Sumario de estrategias para la obtención de nano-materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partículas, NT = nano - tubos, NW = nano - cables, NR = nano - rod Advanced Materials for Energy Storage 31 By Chang Liu, Feng Li, Lai-Peng Ma, and Hui-Ming Cheng Adv. Mater. 2010, 22, E28–E62
  • 32. Sumario de estrategias para la obtención de nano - materiales avanzados para LIB y suscaracterísticas (NP = nano- partículas, NT = nano - tubos, NW = nano - cables, NR = nano - rod Advanced Materials for Energy Storage 32 By Chang Liu, Feng Li, Lai-Peng Ma, and Hui-Ming Cheng Adv. Mater. 2010, 22, E28–E62
  • 33. nano-materiales Fácil difusión del litio en las nano – Procesos de difusión partículas: por sus recorridos mas cortos (conductividad iónica) Áreas superficiales mayores favorecen la ALTAMENTE FAVORECIDOS interacción de: electrolito al electrodo. Altas áreas superficiales favorecen laProcesos de conducción interacción de: electrodo con el material(conductividad eléctrica) ALTAMENTE FAVORECIDOS conductor (carbón) y con el colector El diseño de diferentes nano - materiales tanto en forma como tamaño, o la interacción Estrés mecánico en la de nano – micro materiales permite tener carga descarga ALTAMENTE CONTROLABLE adecuadas control del estrés causado en la C/D. Se tiene un buen control de las fases sintetizadas. Otras características Se utiliza habitualmente química suave, por adicionales ALTAMENTE CONTROLABLE lo que es necesario menor energía. . 33
  • 34. Nano - materiales ofrece un potencial camino para crear baterías de ion litio, con alta densidad de energía y alta densidad de poder, adecuadas para EV y HEV. GRACIAS Imagen desde: Kyu Tae Lee, Jaephil Cho 34 Nano Today (2011) 6, 28—41

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