Ba#eries, Fuel Cells, and the Big Picture of Energy Chem - PowerPoint PPT Presentation

Ba#eries, ¡Fuel ¡Cells, ¡and ¡the ¡Big ¡ Picture ¡of ¡Energy ¡ Chem ¡204 ¡ April ¡2, ¡2014 ¡

DOE’s ¡Energy ¡InformaDon ¡ AdministraDon ¡

Subcategories: ¡fossil ¡fuels; ¡nuclear; ¡renewables ¡ ¡

Main ¡reacDon: ¡hydrocarbons ¡+ ¡oxygen ¡ à ¡ CO2 ¡+ ¡water; ¡huge ¡negaDve ¡delta ¡G ¡

Worldwide ¡energy ¡consumpDon: ¡BP ¡

Problem: ¡CO 2 ¡in ¡the ¡atmosphere ¡ • Intergovernmental ¡Panel ¡on ¡Climate ¡Change ¡ (IPCC) ¡has ¡issued ¡recent ¡reports ¡about ¡global ¡ impacts ¡of ¡increasing ¡carbon ¡dioxide ¡in ¡the ¡ atmosphere ¡ • Problem: ¡fossil ¡fuels ¡reserves ¡projected ¡to ¡run ¡ out ¡by… ¡2100 ¡(depends ¡on ¡who ¡you ¡read) ¡

DIC ¡= ¡dissolved ¡inorganic ¡carbon; ¡numbers ¡based ¡on ¡simple ¡equilibria ¡for ¡model ¡CO2 ¡

Power ¡in ¡our ¡daily ¡lives ¡ • Bus, ¡car, ¡plane: ¡combusDon ¡(or ¡perhaps ¡ hybrid ¡electric ¡vehicles ¡that ¡require ¡ba#ery) ¡ • Household ¡electricity: ¡mostly ¡based ¡on ¡ combusDon ¡in ¡central ¡Illinois ¡(natural ¡gas) ¡ • Electronic ¡devices ¡(phones, ¡laptops, ¡etc.): ¡ ba#ery ¡

What ¡is ¡a ¡ba#ery? ¡

What ¡is ¡a ¡ba#ery? ¡ • The ¡same ¡thing ¡as ¡our ¡two ¡separate ¡ beakers ¡with ¡the ¡two ¡redox ¡halves, ¡ salt ¡bridge ¡etc., ¡but ¡packaged ¡be#er: ¡ an ¡electrochemical ¡cell ¡that ¡converts ¡ chemical ¡energy ¡into ¡electrical ¡ energy ¡ • Ba#ery ¡has ¡to ¡be ¡electrically ¡ connected ¡(with ¡a ¡wire) ¡to ¡discharge: ¡ ¡ this ¡is ¡what ¡happens ¡when ¡you ¡put ¡it ¡ in ¡your ¡device ¡properly ¡ Electrons ¡leave ¡anode ¡ (where ¡oxidaDon ¡has ¡happened) ¡ and ¡go ¡to ¡cathode ¡to ¡perform ¡ ¡ reducDon ¡reacDon, ¡if ¡wired ¡up ¡

Ba#ery ¡innards ¡ h#p://www.ba#eryfacts.co.uk/Ba#eryTypes/LiIon.html ¡

Ba#ery ¡types ¡ • Primary: ¡ ¡disposable; ¡not ¡rechargeable ¡ • Secondary: ¡rechargeable ¡(i.e., ¡can ¡apply ¡ voltage ¡and ¡get ¡reacDon ¡to ¡run ¡in ¡reverse ¡ (“charging”) ¡so ¡that ¡ba#ery ¡can ¡be ¡re-­‑used) ¡

DefiniDons ¡ • Anode ¡(-­‑) ¡and ¡cathode ¡(+) ¡while ¡discharging ¡(=operaDng) ¡ • Voltage ¡in ¡volts ¡represents ¡electrical ¡potenDal ¡energy ¡difference ¡ between ¡fully ¡charged ¡and ¡fully ¡discharged ¡ba#ery ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1 ¡Volt ¡= ¡1 ¡Joule ¡/ ¡Coulomb) ¡ • Current ¡in ¡amperes ¡(“amps”; ¡Coulombs/sec); ¡recall ¡one ¡electron ¡ has ¡a ¡charge ¡of ¡1.602 ¡x ¡10 -­‑19 ¡ Coulombs) ¡ • How ¡much ¡charge ¡the ¡ba#ery ¡has ¡stored ¡or ¡used: ¡amp-­‑hours ¡(amps ¡ Dmes ¡hours, ¡AH; ¡also ¡milliamp-­‑hours, ¡mAH. ¡Why ¡not ¡coulombs ¡ directly? ¡Who ¡knows??) ¡ ¡ ¡

Ba#ery ¡Capacity ¡ • Total ¡amp-­‑h ¡available ¡from ¡a ¡fully-­‑charged ¡ ba#ery ¡ • “C” ¡= ¡symbol ¡for ¡ba#ery ¡capacity ¡but ¡in ¡terms ¡ of ¡a ¡rate, ¡per ¡one ¡hour. ¡ ¡ ¡

Ba#ery ¡Capacity ¡ • Total ¡amp-­‑h ¡available ¡from ¡a ¡fully-­‑charged ¡ ba#ery ¡ • “C” ¡= ¡symbol ¡for ¡ba#ery ¡capacity ¡but ¡in ¡terms ¡ of ¡rate ¡per ¡one ¡hour. ¡ ¡A ¡5 ¡AH ¡ba#ery ¡that ¡ discharges ¡at ¡a ¡rate ¡of ¡“10C” ¡has ¡delivered ¡50 ¡ amps. ¡A ¡5AH ¡ba#ery ¡that ¡is ¡recharged ¡at ¡a ¡ rate ¡of ¡5C ¡has ¡had ¡25 ¡amps ¡delivered. ¡

Discharge ¡Curve ¡ Courtesy ¡of ¡PowerStream ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡ • Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡ • Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡ • Power ¡= ¡energy ¡per ¡Dme ¡ ¡ (1 ¡Joule/sec ¡= ¡1 ¡Wa#) ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡ • Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡ • Power ¡= ¡energy ¡per ¡Dme ¡ ¡ (1 ¡Joule/sec ¡= ¡1 ¡Wa#) ¡ ¡ 1 ¡Wa# ¡= ¡1 ¡Volt ¡x ¡1 ¡amp, ¡ or, ¡the ¡power ¡that ¡results ¡ ¡ from ¡one ¡amp ¡of ¡current ¡ flowing ¡through ¡electric ¡poten5al ¡ difference ¡of ¡one ¡volt ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡ • Energy ¡density ¡= ¡energy ¡available ¡from ¡a ¡ ba#ery ¡per ¡volume ¡ • Specific ¡energy ¡= ¡energy ¡available ¡from ¡a ¡ ba#ery ¡per ¡mass ¡ • Units: ¡ ¡Wa#s ¡x ¡hours ¡per ¡liter ¡or ¡per ¡kg ¡ (so ¡energy ¡in ¡units ¡of ¡power ¡x ¡Dme) ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡ • Power ¡density ¡= ¡power ¡available ¡from ¡a ¡ ba#ery ¡per ¡volume ¡ • Specific ¡power ¡= ¡power ¡available ¡from ¡a ¡ ba#ery ¡per ¡mass ¡ • Units: ¡ ¡Wa#s ¡per ¡liter ¡or ¡per ¡kg ¡

Ragone ¡plot ¡ ¡

Ragone ¡plot ¡in ¡context ¡of ¡electric ¡car ¡ ba#eries ¡(MIT ¡Sloan ¡School ¡report) ¡

Zinc-­‑carbon ¡or ¡ dry ¡cell ¡ (AAA, ¡D ¡etc.) ¡ • Anode: ¡Zn(s, ¡powder) ¡ • Cathode: ¡graphite ¡mixed ¡with ¡MnO 2 ¡powder ¡ • Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡ZnCl 2 , ¡NH 4 Cl ¡ • Overall ¡reacDon: ¡Zn(s) ¡+ ¡2 ¡MnO 2 ¡+ ¡2 ¡NH 4 Cl ¡ à ¡ Mn 2 O 3 ¡+ ¡Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ¡(aq) ¡ ¡+ ¡H 2 O ¡(l) ¡ • Voltage: ¡1.5V ¡

Alkaline ¡(AAA, ¡D ¡etc.) ¡ • Anode: ¡Zn(s, ¡powder) ¡ • Cathode: ¡graphite ¡mixed ¡with ¡MnO 2 ¡powder ¡ • Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡KOH ¡ • Overall ¡reacDon: ¡Zn ¡+ ¡2 ¡MnO 2 ¡ à ¡Mn 2 O 3 ¡+ ¡ZnO ¡ • Voltage: ¡1.5V ¡

NiCad ¡(AAA…D; ¡secondary) ¡ • Anode: ¡Cd(s) ¡ • Cathode: ¡NiOOH ¡with ¡graphite ¡ • Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡KOH ¡ • Overall ¡reacDon: ¡2 ¡NiOOH ¡+ ¡Cd ¡+ ¡2 ¡H 2 O ¡ ¡ à ¡ ¡ 2 ¡Ni(OH) 2 ¡ + ¡Cd(OH) 2 ¡ • Voltage: ¡1.3V ¡

Lead ¡acid ¡ (car) ¡ba#ery ¡(secondary) ¡ • Anode: ¡Pb(s) ¡ • Cathode: ¡PbO 2 (s) ¡ • Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡concentrated ¡sulfuric ¡acid ¡ • Overall ¡reacDon: ¡ ¡ Pb(s) ¡+ ¡PbO 2 ¡(s) ¡+ ¡2HSO 4 -­‑ (aq) ¡+ ¡2 ¡H + ¡(aq) ¡ ¡ à ¡2 ¡PbSO 4 ¡(s) ¡ ¡+ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡H 2 O ¡(l) ¡ • Voltage: ¡2.0 ¡V ¡(in ¡car ¡ba#ery, ¡6 ¡in ¡series ¡to ¡give ¡12 ¡V) ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡ h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡(secondary) ¡ Lithium ¡ions ¡move ¡from ¡ graphite ¡anode ¡(where ¡they ¡ are ¡stuffed ¡between ¡sheets ¡ of ¡carbon) ¡through ¡ nonaqueous ¡electrolyte ¡ (with ¡lithium ¡salt) ¡ ¡to ¡ complex ¡lithium ¡oxide ¡that ¡ has ¡a ¡metal ¡that ¡changes ¡ oxidaDon ¡state ¡once ¡lithium ¡ stuffed ¡into ¡it. ¡ h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡ Anode ¡reacDon: ¡ Li x C 6 ¡ à ¡Li + ¡+ ¡e -­‑ ¡+ ¡6 ¡C ¡ ¡ Cathode ¡reacDon: ¡ Li 1-­‑x CoO 2 ¡+ ¡xLi + ¡+ ¡xe -­‑ ¡ à ¡LiCoO 2 ¡ Cobalt ¡in ¡this ¡example ¡ is ¡changing ¡oxidaDon ¡ state ¡from ¡+3 ¡to ¡+4; ¡ see ¡if ¡you ¡can ¡figure ¡it ¡ out! ¡ h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡ Anode ¡reacDon: ¡ Li x C 6 ¡ à ¡Li + ¡+ ¡e -­‑ ¡+ ¡6 ¡C ¡ ¡ Cathode ¡reacDon: ¡ Li 1-­‑x CoO 2 ¡+ ¡xLi + ¡+ ¡xe -­‑ ¡ à ¡LiCoO 2 ¡ Overall ¡voltage: ¡ ¡ 3.0-­‑3.4 ¡V ¡(depends ¡on ¡ materials) ¡ h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡

Li ¡ion ¡ba#ery ¡trends ¡ MIT ¡Sloan ¡report ¡on ¡electric ¡vehicles ¡

Fuel ¡Cells ¡