Baterias litio cardona

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Baterias litio cardona

  1. 1. INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS ECOLOGICOS Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona UMSA-UTB-EMACOM INGENIERIA 2010
  2. 2. SIGNIFICADO DE LAS BATERIAS LITIO <ul><li>Las baterías de litio ( BL ) fueron lanzadas masivamente hace más de 10 años, 1998 </li></ul><ul><li>Sin BT los dispositivos portátiles habrían permanecido como en forma de ladrillos </li></ul><ul><li>I&D&In unió investigación electroquímica de USA con empresa japonesa </li></ul><ul><li>Progenitor fue el Móvil Senator ´82 Nokia como un conjunto de baterías con 9,8 kg </li></ul>
  3. 3. BL ACTUALES EN DISPOSITIVOS PORTATILES ( cámaras, computadoras ) <ul><li>Hoy un teléfono móvil pesa 100 gr.debido al avance de la tecnología de baterías </li></ul><ul><li>Debido especialmente a la llegada de las baterías de iones de litio ( BIL ) recargable </li></ul><ul><li>Estas BIL son los caballitos de batalla de la revolución digital actual </li></ul><ul><li>Estas BIL pequeñas y livianas pueden almacenar más energía en menos espacio </li></ul>
  4. 4. COMPARACION DE BATERIAS <ul><li>Un móvil moderno funciona varios días con BIL tamaño de 10 tarjetas personales </li></ul><ul><li>Una batería Ni metal hidruro de capacidad similar pesa y tiene un tamaño doble </li></ul><ul><li>Igualmente otras de Ni-Cd y de ácido Pb </li></ul><ul><li>BIL no sufre “efecto memoria de la batería” </li></ul><ul><li>Existe pérdida de capacidad cuando se recarga la batería sin que se haya descargado totalmente </li></ul>
  5. 5. DEL LABORATORIO AL USO COMERCIAL <ul><li>Las BL recargables tienen reacciones electroquímicas en los electrodos (bornes + -) </li></ul><ul><li>La batería se carga con aplicación de corriente eléctrica que la pone en estado de “alta energía” </li></ul><ul><li>Mientras se descarga ( la reacción electroquímica opera a la inversa ) liberando energía y retornando la batería al estado de descarga y al nivel de “baja energía” </li></ul>
  6. 6. LITIO TIENE ATRACTIVO PARTICULAR <ul><li>El litio ( Li ) es el metal más electropositivo, significa que se puede hacer baterías con voltajes más altos (4 voltios) en los bornes </li></ul><ul><li>El Li es metal más liviano y almacena 3.860 amp/hr de carga por kg peso, comparados con 260 del metal Pb, por ejemplo. </li></ul><ul><li>La BL posee alta densidad de energía y puede almacenarse gran cantidad envasada </li></ul><ul><li>Por eso alimentan envases chicos y livianos en relojes, implantes médicos, calculadoras, etc., desde los 70. Pero no eran recargables. </li></ul>
  7. 7. TRANSITO A BATERIAS RECARGABLES <ul><li>En 1972 Exxon usó sulfuro de titanio como electrodo positivo y litio metal como negativo </li></ul><ul><li>El sulfuro de titanio es una sustancia con estructura cristalina en capas ( intercalación ) </li></ul><ul><li>O sea, éste puede absorber otras partículas </li></ul><ul><li>La descarga genera átomos cargados (iones) de litio, alojándose en el entramado a través de un electrolito, liberando energía. </li></ul><ul><li>La recarga provoca que los iones de litio se desplacen y re-adhieran al electrodo negativo </li></ul>
  8. 8. DESVENTAJAS DE LAS BL <ul><li>La desventaja de las BL es que luego de sucesi-vos ciclos el litio se adhiere en forma dentrítica </li></ul><ul><li>Este litio dentrítico irregular causa explosiones </li></ul><ul><li>Este problema nunca fue resuelto según el Berkeley Laboratory de California </li></ul><ul><li>Al reemplazar el electrodo negativo con una aleación de Li-Al se redujo el riesgo de explosión , pero la batería se volvió menos eficiente y con menor vida útil </li></ul>
  9. 9. NUEVO ENFOQUE EXITOSO HACIA LAS BIL ( BATERIAS DE IONES LITIO, IL ) <ul><li>Fines 80s se adoptó un segundo compuesto de intercalación para albergar los iones de litio ( IL ) del electrodo negativo </li></ul><ul><li>Con esto los IL se desplazaban entre los dos compuestos de intercalación , liberando energía en una dirección y absorbiéndola en la otra </li></ul><ul><li>Esta técnica de ida y vuelta fue conocida como mecedora “ rocking – chair “, y permitió diseñar baterías más seguras que las anteriores </li></ul>
  10. 10. DECADA EXITOSA DE LOS 90 <ul><li>En 1990 John Goodenough , Universidad Texas, descubrió una nueva familia de compuestos de intercalación ( óxidos de Mn, Co, Ni ) </li></ul><ul><li>Sony lanzó la primera batería comercial BIL en 1991, mecedora, que usaba óxido de Li-Co como e-positivo y grafito ( C ) como e-negativo </li></ul><ul><li>Cargar hace que iones litio salgan del entramado de óxido de cobalto y se deslicen entre las capas de los átomos de carbono ( en el e-grafito ), con un estado de mayor energía potencial </li></ul>
  11. 11. MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LAS BIL <ul><li>Descargar la BIL provoca que los iones litio regresen liberando así energía en el proceso </li></ul><ul><li>Por su versatilidad las BIL son muy usadas, y así el Dr. Goodenough recibió el Japan Prize </li></ul><ul><li>Descargar o almacenar demasiados iones litio provoca formación de partículas de litio, con posibles consecuencias peligrosas </li></ul><ul><li>Se usa un polímero poroso que se funde si se sobrecargara la batería y la apaga evitando el transporte de los iones de litio </li></ul><ul><li>Un cargador “ inteligente ” con software especial evita la sobrecarga y por tanto son comunes actualmente </li></ul>
  12. 12. GRAFICO DE FUNCIONAMIENTO DE BIL
  13. 13. MEJORAS Y COSTOS MAS BAJOS <ul><li>Reemplazo del electrolito líquido por un separador poroso humedecido con gel </li></ul><ul><li>También se usa electrolito de polímero sólido que debe ser muy angosto para competir </li></ul><ul><li>Estas mejoras se hacen evidentes en nuevos diseños más planos y angostos , pudiendo unirse la batería directamente al teléfono u otro artefacto portátil ( tipo sandwich ) </li></ul>
  14. 14. FUTURO DE BATERIAS RECARGABLES <ul><li>Según Dr. Armand las tecnologías basadas en baterías litio recargables recién empiezan </li></ul><ul><li>El futuro son las mejoras continuas </li></ul><ul><li>Se están descubriendo nuevos materiales prometedores , nuevos compuestos de intercalación para el electrodo positivo , geles, electrolitos especiales y nuevas aleaciones para el electrodo negativo </li></ul>
  15. 15. BIL EN AUTOMOVILES ELECTRICOS <ul><li>Si las BIL son livianas y potentes, ¿ porqué no usarlas para automóviles eléctricos ? </li></ul><ul><li>Según Dr. Mac Larnon el problema es costos </li></ul><ul><li>Un conjunto de baterías de iones litio, capaz de alimentar un auto eléctrico, cuesta alrededor de 10.000 dólares </li></ul><ul><li>Por esta razón los automóviles eléctricos puros no son demasiado populares, por la competencia de los vehículos híbridos (gasolina/eléctricos) con beneficio similar </li></ul><ul><li>Por eso las BIL están nuevamente en carrera </li></ul>
  16. 16. VEHICULOS HIBRIDOS CON BIL <ul><li>Los vehículos híbridos ( VH ) necesitan un paquete de energía mucho menor, reduciendo el costo de una BIL por debajo de 1.000 dólares </li></ul><ul><li>Se debiera optimizar antes su capacidad de entregar y absorber descargas repentinas de energía, disminuyendo así el desgaste en BIL </li></ul><ul><li>Para ésto se usa dispositivos electrónicos </li></ul><ul><li>Las BIL poseen una serie de mejoras graduales </li></ul><ul><li>Así se evitó la entrega y absorción de grandes cantidades de energía a un ritmo constante </li></ul>
  17. 17. EL FUTURO SERA HIBRIDO <ul><li>Autos Prius Toyota que combinan electricidad y combustible son cada día más populares </li></ul><ul><li>Desde 1997 se han vendido más de 250.000 </li></ul><ul><li>Prius es el primer híbrido producido en serie, alimentado tanto por un motor de combustión interna como por uno eléctrico </li></ul><ul><li>El Prius 2005 de 2da generación fue premiado </li></ul><ul><li>El Prius consume la mitad de combustible de uno similar y libera la mitad de CO2 </li></ul><ul><li>Tiene una mejor electrónica poderosa de control para coordinar los dos sistemas de propulsión </li></ul>
  18. 18. ANATOMIA HIBRIDA <ul><li>Prius tiene mejor tecnología híbrida que la competencia Civic-Honda y Escape-Ford </li></ul><ul><li>Simple es el “ stop-start” o “micro” híbrido </li></ul><ul><li>Este sólo cuenta con un motor de combustión interna para la propulsión . Cuando se detiene </li></ul><ul><li>un generador integrado enciende el motor instantáneamente, posando el acelerador </li></ul><ul><li>* Peugeot tiene una versión “micro” al mismo precio de un Citroën convencional </li></ul>
  19. 19. HIBRIDO SUAVE <ul><li>Civic y Accord tienen un híbrido “suave”, con función “ stop-start” , el que además posee un motor eléctrico que brinda estímulo al motor durante la aceleración </li></ul><ul><li>En el frenado, el mismo motor se duplica actuando como generador, capturando energía que se perdería de otra manera. Y la usa para recargar las baterías de litio del auto híbrido “suave” </li></ul><ul><li>Como el motor eléctrico se acopla al motor de combustible, nunca dirige las ruedas por sí mismo </li></ul><ul><li>Compite con el Prius por ser menos costoso y posee la mayoría de sus beneficios. Recorre 48 millas por galón, o sea 37% mejor que el Civic convencional </li></ul>
  20. 20. HIBRIDO TOTAL I <ul><li>El híbrido “total” que es el Prius de Toyota </li></ul><ul><li>( HSD, Hybrid Synergy Drive ) es más complejo </li></ul><ul><li>y similar al Escape de Ford </li></ul><ul><li>Un dispositivo especial o “ división de energía” </li></ul><ul><li>(power split), divide la salida del motor de gasolina y se usa tanto para dirigir las ruedas directamente como para girar el generador ,, el cual a su vez dirige el motor eléctrico y las ruedas </li></ul><ul><li>* El generador gira para recargar las baterías de litio cuando no se necesita la máxima energía del motor para dirigir las ruedas </li></ul>
  21. 21. HIBRIDO TOTAL II <ul><li>Las baterías también se recargan totalmente cuando el vehículo está en punto muerto o frenado, con el motor eléctrico actuando de generador </li></ul><ul><li>Por esta razón el Prius tiene mejor índice de economía de combustible en ciudades ( 60 millas por galón ), que en carreteras ( 51 m/g ) </li></ul><ul><li>Este proceso es lo opuesto a un vehículo convencional </li></ul>
  22. 22. GRAFICO DE LA ANATOMIA HIBRIDA
  23. 23. HIBRIDO ENCHUFABLE I <ul><li>El híbrido “enchufable” ( plug-in ) existe y no constituye una desventaja muy grande evidente </li></ul><ul><li>A diferencia de los autos eléctricos 90, ninguno de los autos híbridos actualmente necesita ser enchufado ( aunque no es opción mala ) </li></ul><ul><li>Pudieran funcionar como puramente eléctricos en distancias cortas ( 60 millas y con un paquete de baterías lo suficientemente grande ) pero convertibles a híbridos de ser necesario </li></ul><ul><li>Así pudieran ser recargados durante la noche, cuando la electricidad es más barata, evitando usar combustible, salvo en grandes distancias </li></ul>
  24. 24. HIBRIDO ENCHUFABLE II <ul><li>Según el EPRI ( Instituto de Investigación sobre Energía Eléctrica ), los híbridos enchufables podrían ser los más ecológicos y eficientes </li></ul><ul><li>Los bloques de baterías más grandes suben los costos respecto a otros híbridos, pero se los pudiera recuperar según el combustible </li></ul><ul><li>Según ABI Research el 5% de los autos vendidos en USA el 2020 serán híbridos, si se mantiene los precios elevados del combustible y la rigurosidad de las normas ambientales </li></ul>
  25. 25. HIBRIDOS DIESEL I <ul><li>En Europa los autos diesel redujeron el consumo de combustible, detuvieron las emisiones de efecto invernadero y ahorraron dinero en la estación de servicio </li></ul><ul><li>Debido a que el diesel contiene más energía por unidad, la economía es del 30% </li></ul><ul><li>La inyección de combustible “common rail” controlada electrónicamente, los mejora, y son el 45% de todos los autos nuevos </li></ul>
  26. 26. HIBRIDOS DIESEL II <ul><li>Problema son los óxidos de nitrógeno donde los filtros no son confiables y aquéllos deben igualar necesariamente a los autos a gasolina. Se puede alcanzar 70 m/g con emisión CO2 de sólo 90 gr/km </li></ul><ul><li>El ITM (Instituto Tecnología Massachussets ), prevé que en 2020 los híbridos de diesel pudieran alcanzar a los autos de pila combustible hidrógeno , proveniente del gas natural, tanto en eficiencia como en emisiones </li></ul><ul><li>Son más caros por el tren de mando híbrido, pero la tecnología híbrida diesel está disponible frente a la tecnología del hidrógeno que todavía es futuro </li></ul>
  27. 27. USO DE GASOLINA EN HIBRIDOS
  28. 28. VEHICULOS DE HIDROGENO (VH) I <ul><li>Los vehículos de hidrógeno prometen ser el medio de transporte más ecológico, ya que eliminan las emisiones nocivas del caño </li></ul><ul><li>La ANC-USA calcula que la transición llevará décadas, ya que primero se debe resolver cómo producir, almacenar y distribuir el H2 </li></ul><ul><li>Sin embargo, los autos híbridos ofrecen muchos de los beneficios de los VH, con la gran ventaja de que están ya disponibles </li></ul>
  29. 29. VEHICULOS DE HIDROGENO (VH) II <ul><li>La belleza del Prius radica no se requiere cambiar comportamientos del conductor ni infraestructura de entrega del combustible </li></ul><ul><li>Los VH no reemplazarán a los híbridos pero serán descendientes de la tecnología común (componentes) </li></ul><ul><li>O sea los sistemas de control hasta de los motores. Según J . Romm del CESC-Virginia, “los híbridos son la plataforma sobre la que evolucionarán vehículos ecológicos del futuro” </li></ul>
  30. 30. FIN <ul><li>Muchas Gracias por su amable atención </li></ul><ul><li>Conclusiones: </li></ul><ul><li>Es posible construir baterías de litio en Bolivia </li></ul><ul><li>Un millón de baterías de ion litio para autos tipo Prius significara un ingreso bruto de mil millones de dólares </li></ul><ul><li>* HAGAMOSLO DE INMEDIATO!!! </li></ul>
  31. 31. EMACOM INGENIERIA CODEPANAL UNIVERSIDAD TECNICA DE BERLIN - UMSA Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona [email_address] [email_address] 591-2-2793075 591-765-89831

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