baterie

[email protected]
Nanočástice keramických oxidů výzkum a komercializace
Jan Procházka
10-12-2010
POSLEDNÍCH 10 LET - NANO JAKO
PŘÍSTUP
BYLO TU VŽDY, ALE VIDÍME JE TEPRVE
POSLEDNÍCH PÁR DESÍTEK LET
NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI SE
TVOŘÍ A ROZHODUJE
JAKÉ BUDOU VLASTNOSTI LÁTKY
APLIKOVANÝ NANO-VÝZKUM:
MOTOR TECHNICKÉHO POKROKU
PŘÍLEŽITOSTI:
VĚDECKÉ POZNÁNÍ – SHROMAŽĎOVÁNÍ
INFORMACÍ
TECHNICKÝ POKROK -NOVÉ A
INOVAČNÍ PRODUKTY
OBCHODNÍ – VYUŽITÍ OBOU PŘEDCHOZÍCH
NANOPRODUKTY
KERAMICKÝCH LÁTEK SE
VYZNAČUJÍ:
☺ KDE STOJÍ PŘÍRODA NA ☺
☻ STRANĚ NANOČÁSTIC? ☻
OPTICKÁ TRANSPARENCE
VYSOKÁ SCHOPNOST SINTROVAT
VYSOKÝ MĚRNÝ POVRCH
RYCHLÁ DIFUZE-NÍZKÝ
KONCENTRAČNÍ GRADIENT
DALŠÍ SPECIÁLNÍ VLASTNOSTI
OPTICKÁ
TRANSPARENCE
OPTICK
Á TRANSPARENCE
λ~600nm
d~20µ
µm
VÝVOJ MNOŽSTVÍ VEDLEJŠÍCH OBORŮ
DLOUHODOBÉ PROBLÉMY S ADHEZÍ TiO2 NA SKLE, TRANSPARENTNOSTI VRSTVY,
PROKAZATELNOSTI UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ A DALŠÍ TECHNICKÉ OBSTRUKCE
15nm TiO2 vrstva
na okenním skle
ŘEŠENÍ - CVD
OPTICKÁ
TRANSPARENCE
OPTICK
Á TRANSPARENCE
VYSOKÁ
SCHOPNOST SINTROVAT
SINTROVAT
VYSOK
Á SCHOPNOST
Nd:YAl Garnet
HUSTOTA 99,99%
TEORETICKÉ HODNOTY
JEDNODUCHÉ
JEDNODUCH
É
DOPOVÁ
DOPOV
ÁNÍ
=>
VYŠŠÍ
VY
ŠŠÍ
KONCENTRACE
DOPANTŮ
NÁHRADA ZA DRAHÉ
MONOKRYSTALY
ODOLNĚJŠÍ PROTI PRASKNUTÍ
With the transparent ceramic slabs in place, the SSHCL
can generate
25,000 watts of light for up to 10
seconds at 10-percent duty cycle. The SSHCL is
pulsed, turning on and off 200 times per second to
generate a beam that can penetrate a 2.5-centimeter-thick
piece of steel in 2 to 7 seconds depending on the beam
size at the target.
67,000 watts of
average power with five ceramic slabs for
The system recently achieved
short fire durations. The laser, which is powered by
batteries, was conceived as part of the U.S. Army’s
program to develop directed-energy technologies to
defend against missiles, mortar shells, and artillery. Unlike
chemical lasers designed for the same purpose, an
SSHCL is small enough to be installed on a transport
vehicle or helicopter.
An SSHCL can also be used to clear land mines. Its
pulses can dig through several centimeters of dirt to
expose and neutralize a mine.
ODVÍJENÍ SE NOVÉHO PŘÍBĚHU ŘADY APLIKACÍ V DENNÍM ŽIVOTĚ
LUMICERA
VÝROBCE MURATA
POROVNÁNÍ INDEXU LOMU
KERAMICKÝCH ČOČEK
2.08 (λ = 587 nm)
A BĚŽNÝCH OPTICKÝCH SKEL
(1.5 to 1.8)
VYŠŠÍ ROZSAH SPEKTRÁLNÍ
TRANSPARENTNOSTI
LEPŠÍ MECHANICKÉ VLASTNOSTI.
=>
HRUBÝ MATERIÁL
X
λ
NELZE DOSÁHNOUT
OPTICKOU
TRANSPARENTNOST
MgAl2O4 spinel
Priprava známa od 1960.
Komercializace-začíná
teprve dnes
•neprůstřelné materiály
•NAHRAŽKY
MONOKRYSTALŮ
KORUNDU APOD
λ
Optická propustnost 0.2
do 5.5 µm
Balistické testy:
0,6 cm spinelu
má stejnou odolnost
jako 7 cm
neprůstřelného skla
VYSOKÉ SINTROVACÍ MOMENTUM
YSZ (ZrO2-Y2O3)
1100°C/2h – HUSTÁ
STRUCTURA
ČÁSTICE ~200nm
1300°C/2h – HUSTÁ
STRUCTURA
ČÁSTICE ~ 1000nm
YSZ ELEKTROLYT
PRO SOFC
WPS
!!!VYSOKÉ SINTROVACÍ MOMENTUM
NANOČÁSTIC!!!
Produkty pro
Plasma
a HVOF stříkání
!!!NANO OTEVÍRÁ MOŽNOST POUŽITÍ ČISTÝCH
LÁTEK BEZ POJIV!!!
Disperse TiO2, ZrO2 nebo
jiných nanočástic
KONZERVATIVNÍ
MARKET
Rozprašovací sušárna
Třídění
Podmíru
Nadměrné
Správná velikost
NANOSTRUCTURED COATING APPLICATION IN
HIGH-PRESSURE ACID-LEACH PROCESS
George E. Kim, Perpetual Technologies ([email protected])
John Williams, Mogas Industries, Inc.
Jimmy Walker, F. W. Gartner Thermal Spraying Co.
TiO2
Odolnost proti abrazi 2x
KONVENČNÍ
MATERIAL
Odolnost proti erozi 3x
Pevnost spoje s podložkou 5x
70% nižší náklady na povrchové
úpravy
!!! Předči konvenčni TiO2 i Al2O3
NANO
Posunování technických
hranic:
NANO
KONVENČNÍ
MATERIAL
Lepší mechanické vlastnosti dosažitelné použitím
nanočástic otevírají dveře novým použitím.
WATER STABILLIZED
PLASMA (WSP)
Samonosné struktury-keramické
součástky
VYSOKÝ M
MĚRNÝ
POVRCH
VYSOKÝ
ĚRNÝ POVRCH
• KATALÝZA
• ADSORPCE
VÝVOJ VYSOCE FOTOKATALYTICKÉHO
NANOANATASU - 4 ROKY
Kinetické konstanty fotokatalytické degradace
4-chlorofenolu na povrchu nano-TiO2.
Rate Constants of Altair High Photocatalytic Activity Anatase vs Conventional Degussa P25
in isopropanol and 4CP.
16.0000
14.0000
12.0000
10.0000
P-25
8.0000
HPC
6.0000
4.0000
2.0000
0.0000
Rate constants 4-CP (HPLC)
Rate constants 4-CP (TOC)
Rate constants isopropanol (TOC)
KOMERCIALIZACE
MATERIÁLU VE FORMĚ
FOTOKATALYTICKÉHO
ČIŠTĚNÍ VZDUCHU - 5 LET
VÝVOJ MULTIFUNKČNÍCH FOTOKATALYTICKÝCH
NÁTĚRŮ - 15 LET
ČISTÍ VZDUCH OD RAKOVINOTVORNÝCH
LÁTEK, VIRŮ, BAKTÉRIÍ, SPÓR, KOUŘE,
PACHŮ A ALERGENŮ. LIKVIDUJÍ
MIKROORGANISMY, CHRÁNÍ A
PRODLUŽUJÍ ŽIVOTNOST PODKLADOVÉ
MALBY A PŘISPÍVAJÍ K VYTVOŘENÍ
ČISTÉHO A ZDRAVÉHO PROSTŘEDÍ
NEJÚČINĚJŠÍ ČISTÍCÍ FILTR VZDUCHU MŮŽE BÝT VÁŠ
STROP A STĚNY!!!
®
FN
Funkční nátěry
ZLEPŠENÍ KVALITY
ŽIVOTA A
ŽIVOTNÍHO
PROSTŘEDÍ
RYCHLÁ
DIFUZE-NÍZKÝ
RYCHL
Á DIFUZE
-NÍZKÝ
KONCENTRAČNÍ
GRADIENT
KONCENTRA
ČNÍ GRADIENT
REAKCE PEVNÝCH LÁTEK
DIFUZE IONTŮ DO PEVNÝCH
LÁTEK
Reakční vzdálenost-mikrony.
částice 1
(BaCO3)
+
částice 2
(TiO2)
částice 3
KLASICKÁ SYNTÉZA
1300°C
BaTiO3
Reakční vzdálenostnanometry.
BaCO3 + TiO2
<<1300°C
NANO-CLUSTERS
AGLOMERÁTY
SPOLU
SRÁŽENÝCH
SLOUČENIN
nanoBaTiO3
Reakční vzdálenost-na
molekulové úrovni.
Atomy se rearanžují do
organizované krystalové mřížky a
vytvoří částice
Náhodná, homogenní
distribuce jednotlivých
elementů
<<<1300°C
BaTiO3
Titanium
Barium
Oxygen
NO DIFFUSION
GRADIENT!
11
Klasické-BaTiO3
TVOŘENÍ FILMU-1300°C
nano-BaTiO3
POSUN TERMODYNAMICKÉ
ROVNOVÁHY
NUTNOST PŘEHODNOCENÍ TEORIÍ O
TERMODYNAMICKÉM CHOVÁNÍ
PEVNÝCH LÁTEK.
KATALÝZA KRYSTALIZAČNÍCH
PROCESŮ V PEVNÉ FÁZI
1300°C/2h
BaTiO3 připravený v nanoformě
při 600°C “se roztavil” a byl
transformován do
HEXAGONÁLNÍ FÁZE PŘI
TEPLOTĚ 160°C NIŽŠÍ, NEŽ JE
REPORTOVÁNO V
EXISTUJÍCÍCH FÁZOVÝCH
DIAGRAMECH (1460°C).
BaTiO3
TERMODYNAMICKY STABILNÍ
RUTIL – TEPLOTA PŘÍPRAVY
450°C
920°C
NESTABILNÍ ANATAS –
TEPLOTA PŘÍPRAVY
550°C
PŘÍKLAD ÚSPĚŠNÉHO VÝZKUMU,
VEDOUCÍHO KE KOMERCIALIZACI
LTS NANOPRODUKTU A JEHO
POUŽITÍ-BATERIE
RYCHLÁ
DIFUZE-NÍZKÝ
RYCHL
Á DIFUZE
-NÍZKÝ
KONCENTRAČNÍ
GRADIENT
KONCENTRA
ČNÍ GRADIENT
2000 – MYŠLENKA VYROBIT LITIUM TITAN
OXID-SPINEL
135m2g
107m2g
2001 – VÝROBA NANOMATERIÁLŮ A
JEJICH CHARAKTERIZACE
100m2/g
70m2g
50m2g
33m2g
27m2g
20m2g
13m2g
4m2g
LITHIUM
TITANATESPINEL
Li4Ti5O12
“Li Insertion into Li4Ti5O12 –
Charge Capability vs. Particle Size
in Thin-Film Electrodes”
2.4
Commercial Li4Ti5O12, (LT-2; 3 m2/g)
Galvanostatic charging/discharging
2C, 50C, 100C, 150C, 200C, 250C
2.2
Potential, V vs. Li/Li+
Kavan, J. Procházka, T. Spitler,
M Kalbáč, M. Zukalová, T.
Drezen, M. Grätzel,
Kogyo conventional
product
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
Journal of the Electrochemical Society,
3m2/g
1.0
Vol 150, No. 7, 2003, pp A1000- 1007.
0
−
50
+
100
150
Charge, mC
200
Li ( Li1 / 3 , Ti5 / 3 )O4 + e + Li → Li2 ( Li1 / 3 , Ti5 / 3 )O4
250
2.4
Nanocrystalline Li4Ti5O12 (107m2/g)
Galvanostatic charging/discharging
2C, 50C, 100C, 150C, 200C, 250C
VELMI RYCHLÁ DIFUZE
LITHIA A
ELEKTROCHEMICKÁ
REAKCE = FUNKCE
VELIKOSTI ČÁSTIC
Potential, V vs. Li/Li+
2.2
Altair nano-spinel
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0
50
100
150
Charge, mC
200
250
300
Li+ Diffusion
kinetics:
δ − Effective diffusion distance
δ
D – Diffusion Coefficient
=
πDt
LiMn2O4
Li4Ti5O12
1000nm
~20 hours
500nm
~1 hour
15nm
~15 seconds
GRADIENT DIFFUSION STEP DIFFUSION
Theoretical Calculated C(rate) contrasted with experimentally determined C(rate) vs. Li4Ti5O12 particle
diameter in nm
C(rate) where 1C equals the constant
charging rate required to completely
charge the particle in 1 hour
1000
100
y = 247.72e
Ex perimental data TMS
-0.0113x
Ex pon. (Ex perimental data TMS)
2
R = 0.9958
10
1
10
100
1000
La4Ti5O12 spherical particle diameter in nanometers
Li ( Li1 / 3 , Ti5 / 3 )O4 + e − + Li + → Li2 ( Li1 / 3 , Ti5 / 3 )O4
A. Du Pasquier, I. Pitz, J. Gural, S. Menocal, G. Amatucci, “Characteristics
and Performance of 500 F Asymmetric Hybrid Advanced Supercapacitor
Prototypes”, Journal of Power Sources, Vol. 113, 2003, pp. 62-71.
2002
110
PROTOTYP PRVNÍHO
HYBRIDNÍHO ČLÁNKU 100
Cell utilization [%]
90
3-Minute
Charge/Discharge
High Power
Hybrid Battery
Prototype
80
70
60
50
40
16 C ch, 16-166 C disch
16 C disch, 16-166 C ch
30
0
50
100
150
Charge or discharge rate [nC]
200
BATERIE
2005 – PRÁCE NA
KONSTRUKCI NOVÉ
BATERIE NA BÁZI
Nano Li4Ti5O12 - LiMn2O4
LTS/LMS
dovolují konstrukci baterie, kterou je možno zcela
nabít a vybít během jedné minuty.
~2.5Volt
LTS/LMS
Comparison of Operating Potentials:
MCMB 2528 vs. Lithium titanate
15000
MCMB 2528
Li4Ti5O12
Li2Mn2O 4
10000
dQ/dV (mAh/g/V)
5000
LiMn2O4
0
-5000
-10000
2.5 volt discharge
-15000
3.9 volt discharge
-20000
-25000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Electrode Voltage vs. Lithium Metal
4
4.5
5
2006
Using Altairnano's lithium-titanate battery packs,
Berube's electric dragster, named the Current
Eliminator V, achieved the electric vehicle world speed
record at the Southwestern International Raceway in
Tucson, AZ on Sunday, December 30th,
2007.
TOYOTA PRIUSA123 baterie
2007
Phoenix-LTS/LMS
baterie
ELEKTROMOBILY vyráběné SERIOVĚ
Řazeno podle KVALITY provozních parametrů.
2007
1 . Lightning GT:
Lightning Car Company Anglie
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, Li-Ion NanoSafe™ 22 modulů po 14.8V 55Ah
(US company Altaimano Inc.)
- Parametry
max. rychlost: 260km/h,
max. dojezd: 400km
2 . TESLA Roadster:
TESLA motors Anglie/USA
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, Li-Ion 6831 kusů po 3,7V řazeno serioparalelně (TESLA Motors)
- Parametry max. rychlost: 200km/h, max. dojezd: 350km
3 . VENTURI Fetish:
VENTURI Monaco/Francie
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, Li-Ion, 31 modulů batterií (LIV-7)
- Parametry max. rychlost: 160km/h, max. dojezd: 250km
4 . General Motors EV1:
General Motors USA
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, 1.generace olovo gel 26 kusů po 12V, 2.generace Ni-MH 26 kusů po 13,2V
- Parametry
max. rychlost: 130km/h, max. dojezd: 1. generace (Pb baterie) 150km, 2.generace (Ni-MH) 250km
5 . MITSUBISHI LANCER:
Mitsubishi Japonsko
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, Li-Ion 22 modulů po 14.8V 55Ah, každá je ze 4 buněk po 3.7V (Panasonic)
- Parametry
max. rychlost: 180km/h, max. dojezd: 180km
6 . HONDA EV Plus:
Honda Japonsko
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, Ni-MH 24 kusů po 13,2V 95Ah (Panasonic)
- Parametry
max. rychlost: 130km/h max. dojezd: 200km
7 . TOYOTA RAV 4EV:
Toyota Japonsko
- Baterie
BEZÚDRŽBOVÉ, NiMH 24 kusů po 13,2V 95Ah (Panasonic)
- Parametry
max. rychlost: 130km/h max. dojezd: 200km
2010
3.5
Minute
3
D2 module I(A)
D3 l module I(A)
2.5
D1 % DOD D2 % DOD D3 % DOD
10.63
9.85
11.21
7.83
6.75
7.75
5.69
6.52
7.5
5.21
6.38
6.75
4.65
5.94
5.31
4.06
4.29
4.56
3.57
3.58
4.1
3.13
3.43
2.72
3.73
2.9
2.44
2.92
1.86
2.99
1.98
2.08
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
D1 module I (A)
I(A)
2
1.5
TOTAL
58.06%
time
11 minutes11 minutes 10 minutes
51.70%
52.53%
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Time (min)
9
10
11
12
13
14
15
200
PODĚKOVÁNÍ.
150
NANO-NEVIDITELNÉ I V EKONOMICKÉ
SFÉŘE?
100
POČET NOVĚ VZNIKLÝCH SPOLEČNOSTÍ V NANO-OBLASTI (USA)
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
50