Transcript
1
Göran LindberghKTH Skolan för kemivetenskapTillämpad elektrokemiStockholm
Transportforum 2010Linköping, 13 januari 2010
Batteriteknikens utveckling
2
Snart kommer alla bilar att tanka el, eller finns det hinder?
3
Agenda
• Introduktion• Batteriers egenskaper• Ett kort exempel på resultat från pågående
forskning• Batteriers begränsningar• Slutsatser
4
Toyota Prius - HEV
5
”Well-to-wheel”-verkningsgrad
6
Från elhybrid till elbil eller bränslecellsbil?• HEV
Elhybridfordon, använder el som en effektbuffert• PHEV
”Plug-in hybrid”, laddhybrid, kortare sträckor ren eldrift och kan laddas från nätet
• EV eller BEVElfordon eller batterielfordon, endast eldrift och laddas från nätet
• FCVBränslecellsfordon, är sannolikt ett elhybridfordon
7
Parallell- och seriehybrid
Parallellhybrid och seriehybrid
8
Batterier för portabel elektronik
9
Batterier - från nanometer till meter
Li+
Li+
Li+
Li+
e-
Li
10
Svenskt Hybridfordonscentrum (SHC)Partners: • Energimyndigheten, universiteten och svensk
fordonsindustri
Övergripande mål med området energilager inom SHC: • Att utveckla området batterier genom att basera det
på teknik och vetenskap
Delmål:• Att för ett hybridfordon med given livslängd utnyttja
energilagret maximalt• Att för varje tillämpning och tidpunkt välja ”det
bästa” energilagret• Att utveckla bättre energilager
11
Simulera cellspänning-ström under en hybridcykel
12
Elektrolytkoncentration under en hybridcykel
13
Prestandamått för batterier
• CellspänningEcell =Epositive - Enegative [V] (≈ 4 V for Li-ion)
• Specifik kapacitetCs = Q/m [Ah g-1] (eller laddningsdensitet [Ah l-1])
Teoretisk kapacitet: Cs,th =nF/M där M är molmassan, F är Faradays konstant
För Li-jon (LiC6 + 2Li0.5CoO2 --> C6 + 2LiCoO2): M ≈ 260 g/mol --> Cs,th ≈ 100 Ah/kg
• Specifik energiWs = Ecell * Cs [Wh kg-1] (eller energidensitet [Wh l-1])
För Li-jon: Ws,th ≈ 4 * 100 = 400 Wh kg-1
E0/V
F2 + 2e- ⇔2F- 2.87Au+ + e- ⇔Au 1.68Au3+ + 3e- ⇔Au 1.50PbO2+4H++2e- ⇔ Pb2+ + 2H2O 1.455Cl2 + 2e- ⇔2Cl- 1.35954H+ + O2 + 4e- ⇔ 2H2O 1.229Ag+ + e- ⇔ Ag 0.7991Fe3+ + e- ⇔ Fe2+ 0.771Cu+ + e- ⇔ Cu 0.521Hg2Cl2 + 2e- ⇔2Hg+2Cl- 0.2681Cu2+ + 2e- ⇔ Cu 0.337AgCl + e- ⇔ Ag + Cl- 0..2224Cu2+ + e- ⇔ Cu+ 0.1532H+ + 2e- ⇔H2(g) 0Pb2+ + 2e- ⇔Pb -0.1288Ni2+ + 2e- ⇔Ni -0.25Cd2+ + 2e- ⇔Cd -0.4019Cr3+ + 3e- ⇔Cr -0.41Fe2+ + 2e- ⇔Fe -0.440Zn2+ + 2e- ⇔Zn -0.76312H2O + 2e- ⇔2OH- + H2(g) -0.8281Al3+ + 3e- ⇔Al -1.66Na+ + e- ⇔Na -2.7141Li+ + e- ⇔Li -3.045
Tabell 2.2 Standardpotentialer vid 25°C för ett urval elektrodreaktioner
Vattnets
stabilitetsområde
15
Ragone-kurvor för olika system
Lead-acid
Capacitors
Fuel Cells
IC Engine
HEV goal
3.6 s36 s0.1 h1 h
10 h
100 h
Ni-MH
Li-ion
3.6 s36 s0.1 h1 h
10 h
100 h EV goal
3.6 s36 s0.1 h1 h
10 h
100 h
1
2
4
6
10
2
4
6
100
2
4
6
1000
Spe
cifi
c E
nerg
y (W
h/kg
)
100
101
102
103
104
Specific Power (W/kg)Acceleration
Ran
ge
Source: Product data sheets
16
Utvecklingen av batterier
17
Vad kan vi förvänta oss av batterier i framtiden?Batterier för elhybridfordon kommer att:• bli säkrare,• bli billigare,• byggas med större celler,• få bättre och jämnare kvalitet,• ha förbättrad livslängd,• ha bättre och mer avancerade kontrollsystem.
Men:• energitätheten kommer på kortare sikt bara att
förbättras marginellt.
18
Kostnadsmål litiumjonbatterier
• US (USABC)Optimistic projection US$ 250/kWhGoal US$ 150/kWh
• Japan(METI)2007 US$ 1644/kWh2010 US$ 822/kWh2015 US$ 247/kWh2020 US$ 164/kWh2030 US$ 41/kWh
19
Batteriers begränsning
Förbränningsmotoreller bränslecell
Batteri
Systemetsvolym eller vikt
Energimängd / kWhel biobränslen
eller vätgas
20
Antal hybridfordon som kan ”försörjas” per hektar yta
Number of hybrid passenger cars which can be supplied from one hectare of land.”Yeald of Biofuels versus Hydrogen from Photovoltaics and Wind Power”, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
21
Honda FCX Clarity, en bränslecellshybrid för framtiden!
22
Slutsatser
• Hybridisering med batterier sänker energiförbrukningen för alla typer av fordon.- Vi kommer att se en hybridisering av allt fler fordon.
• Batterierna kommer att bli bättre och billigare. Ren batteridrift för alla fordon är däremot vare sig tekniskt eller ekonomiskt möjligt idag.- Det kommer att finnas kvar ett behov av en ”primär” energiomvandlare på de flesta fordon.- Tillgången på biobränslen kommer att vara begränsad.- Vätgas och bränsleceller ger möjligheter att effektivt ”paketera el” i fordon för större räckvidd.
• Det finns ingen konflikt mellan batterier och bränsleceller i fordon.- Det finns inget ”eller”, framtidens fordon är en hybrid med en bränslecell ombord.
top related