Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio Iñigo Gandiaga CASTELLÓN – 28/06/2016

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ÍNDICE

IK4-Ikerlan Baterías de ion-litio Características principales Tipos de baterías de ión litio Degradación de baterías de ión litio

Experiencias industriales

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Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio

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SOBRE IK4-IKERLAN

IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO

De carácter privado, con vocación de servicio público, y sin ánimo de lucro. Referente en la transferencia de tecnología a la industria. Creado el año 1974, en el seno de la actual Corporación MONDRAGON. Miembro de IK4 Research Alliance.

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Investigación

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Desarrollo

Industrialización

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SOBRE IK4-IKERLAN INVESTIGACIÓN IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO

UNIVERSIDAD

Educación Superior © COPYRIGHT IKERLAN 2016

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SOBRE IK4-IKERLAN APLICACIÓN IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO

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EMPRESAS

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Aplicación

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Diagrama de Ragone: -Densidad energética vs potencia

Fuente: www.superlib.eu

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Mercado mundial de baterías 1990-2015: -Baterías de ión litio: mayor crecimiento e inversiones por parte de la industria -En el año 2000 el mercado de las baterías de ión litio estaba enfocado a la electrónica de consumo -Actualmente existen nuevas aplicaciones que suponen el 40% Año 2000 del mercado (automoción, industrial, integración de renovables,…)

GWh

Año 2014

Fuente: C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Mercado mundial de baterías 1990-2015:

GWh

GWh

-Baterías de ión litio: mayor crecimiento e inversiones por parte de la industria -El ácido plomo continua siendo la tecnología más utilizada (90% del mercado)

Fuente: C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Principales características de las baterías de ión litio: Eficiencia (1C - 0.10C) Energía específica Potencia específica Rango de temperaturas Ciclos de vida (80% DOD) Vida en almacenamiento Coste de energía

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Ion-Litio 90% - 99 % 100 Wh/kg 300 Wh/kg 300 W/kg 1800 W/kg -30ºC – 60ºC 1000 – 8000 5 años 20 años 300 €/ kWh 1000 €/ kWh

Plomo Ácido 60 % - 90 % 30 Wh/kg 50 Wh/kg 150 W/kg 200 W/kg -5ºC – 40ºC 500 – 2000 5 años 15 años 60 €/ kWh 250 €/ kWh

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO Principales características de las baterías de ión litio: Eficiencia (1C - 0.10C) Energía específica Potencia específica Rango de temperaturas Ciclos de vida (80% DOD) Vida en almacenamiento Coste de energía

Ion-Litio 90% - 99 % 100 Wh/kg 300 Wh/kg 300 W/kg 1800 W/kg -30ºC – 60ºC 1000 – 8000 5 años 20 años 300 €/ kWh 1000 €/ kWh

 Formato/diseño de batería  Química

 Fabricante  Modo de uso/funcionamiento Necesidad de electrónica asociada

Coste

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO Coste de un sistema de almacenamiento de ión litio: -El coste de las celdas es menos del 50% del coste del sistema de almacenamiento -En los próximos 5 años se espera una bajada del precio de las baterías de ión litio

Fuentes:

-C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany -Lux Research

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BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Formato/Diseño de baterías:

 Celdas cilíndricas: -Diseño muy maduro y estandarizado -Baja densidad energética en pack de baterías -Comparativamente menor precio (€/ KWh) -Fabricantes: Saft, Samsung, Sanyo-Panasonic, LGChem… Celdas Prismáticas: -Facilidad de montaje en pack de baterías -No existe un formato estándar -Fabricantes: Samsung, Maxell, Toshiba, GSYuasa,… Celdas Pouch: -Alta densidad energética -Buenas prestaciones térmicas -Sobrecoste del pack de baterías -Fabricantes: Kokam, Leclanché, LGChem, ATL…

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BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Densidad energética de baterías de ión litio: Otros factores a tener en cuenta:  Coste  Seguridad  Vida útil  Ciclabilidad

Fuente: M. Rosina, Stationary Storage and Automotive Li-ion Battery Packs, 2016, Yole Development

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BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Materiales activos en baterías de ión-litio:

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BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Materiales activos en baterías de ión-litio:

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Degradación de baterías de ión litio: -Los parámetros mas importantes que dependen del envejecimiento de las baterías son: ·Perdida de capacidad: -Disminución de la energía disponible  reducción de autonomía ·Incremento de resistencia interna: -Perdida de prestaciones de potencia -Aumento del calor generado  perdida de eficiencia y aceleración del proceso de degradación

Capacity fade (Tenergy 10Ah) 4.2 50 ciclos 100 ciclos

4

150 ciclos 200 ciclos

DOD C-rate Ah

300 ciclos 350 ciclos 400 ciclos

3.6

450 ciclos 500 ciclos

V(V)

SOC T t

250 ciclos

3.8

550 ciclos

3.4

600 ciclos 650 ciclos 700 ciclos

3.2

750 ciclos 800 ciclos 850 ciclos 900 ciclos

3

950 ciclos 1000 ciclos New

2.8

0

1

2

3

4

5 Capacity (Ah)

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10 Data source: Ikerlan 2011

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto del almacenamiento (SOC y temperatura): -En muchas aplicaciones la batería está la mayor parte del tiempo en reposo (por ejemplo, EV aparcado el 95% del tiempo) -Dentro del rango de 15-30ºC y SOC entre el 15-85 % es posible superar los 10 años de vida

SOC T t

Fuente: FP7-2013-GC-Materials. Grant agreement no: 608931

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto del almacenamiento (SOC y temperatura): -El efecto de los factores de estrés varía en función de la química utilizada

SOC T t

Influencia de la temperatura (30, 45, 60⁰C) y SOC (30, 65, 100%)

Saft VL6P – Cylindrical-7Ah

A123 – Cylindrical-2.3 Ah

Kokam – Pouch-12Ah

LG Chem – Pouch-7Ah

Lifebatt – Cylindrical-8Ah Fuente: Simcal Project

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Lifebatt – Cylindrical-15Ah Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la profundidad de descarga: (DOD, Depth of Discharge)

DOD C-rate Ah

-Relación exponencial con el número de ciclos en operación, siendo la vida más corta (en término de números de ciclos) cuanto mayor es el DOD.

Fuente: -E. Sarasketa-Zabala et al., Cycle ageing analysis of a LiFePO4/graphite cell with dynamic model validations: Towards realistic lifetime predictions, J. Power Sources 275 (2015), 573-587

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la profundidad de descarga:

DOD C-rate Ah

(DOD, Depth of Discharge) -Relación exponencial con el número de ciclos en operación, siendo la vida más corta (en término de números de ciclos) cuanto mayor es el DOD. -En función de su rendimiento operativo, teniendo en cuenta los Ah totales cargados y descargados

FEC

-Información indispensable para realizar un dimensionado adecuado del sistema de baterías

DOD Fuente: -E. Sarasketa-Zabala et al., Cycle ageing analysis of a LiFePO4/graphite cell with dynamic model validations: Towards realistic lifetime predictions, J. Power Sources 275 (2015), 573-587 -M. Ecker et al., Calendar and cycle life study of NCM-based 18650 lithium-ion batteries, J. Power Sources 248 (2014) 839-851

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DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la velocidad de carga/descarga: (C-rate, corriente de carga/descarga de la batería normalizado a la capacidad de la misma)

DOD C-rate Ah

-El C-rate es un factor de degradación muy importante en baterías con ánodo de grafito, en cambio su efecto puede ser despreciable en las baterías con ánodo de LTO. -La velocidad de carga puede llegar a ser un factor crítico -Por otro lado, a mayor corriente mayor calentamiento de la batería, lo que también acelera la degradación del sistema

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SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO RESUMEN: -El ión litio se está consolidando como la principal solución de almacenamiento electroquímico:  Alta densidad energética y de potencia  Muy buena ciclabilidad y vida en almacenamiento X Coste X Estandarización -Las características y coste de las baterías de ión litio varían (mucho) en función de:  Formato/diseño de batería  Química  Fabricante -Modo de uso/funcionamiento es un factor clave en la vida de las baterías de ión litio: La degradación durante el almacenamiento (sin ciclado) puede ser el principal factor de envejecimiento el función del SOC y temperatura El DOD y el rango de SOC utilizado son factores muy importantes en la ciclabilidad de las baterías

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IK4-Ikerlan Baterías de ion-litio Características principales Tipos de baterías de ión litio Degradación de baterías de ión litio

Experiencias industriales

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EXPERIENCIAS INDUSTRIALES SISTEMA DE ALMACENAMIENTO PARA ASCENSORES Reducción de potencia

FUNCIONALIDADES

Rescate autónomo Incremento de la eficiencia Supercondensadores

TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO

Ión litio Ácido plomo NiMH

PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) © COPYRIGHT IKERLAN 2016

Selección y estimación de vida de baterías -Diseño y desarrollo del pack de baterías (BMS, sistema de refrigeración y AC/DC) -Integración y validación del sistema

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EXPERIENCIAS INDUSTRIALES ESS PARA TRANVIAS Y AUTOBUSES

FUNCIONALIDADES

TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO

PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio)

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Reducción de potencia Incremento de eficiencia Operación sin catenaria (Tram) Reducción del consumo de combustible (Bus) Supercondensadores Ión litio Sistemas híbridos -Selección de baterías -Estimación de vida de baterías en función del modo de operación -Diseño y desarrollo del pack de baterías (BMS, sistema de refrigeración y DC/DC) -Integración y validación del sistema -Gestión térmica y eléctrica del vehículo 29

EXPERIENCIAS INDUSTRIALES PACK DE BATERÍAS PARA VEHICULO ELÉCTRICO LIGERO

FUNCIONALIDADES

TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO

PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio)

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Reducción del consumo de combustible Reducción de la contaminación

Ión litio

-Selección de baterías -Estimación de vida de baterías -Diseño térmico y mecánico del pack de baterías -Integración y validación del sistema

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EXPERIENCIAS INDUSTRIALES SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA PARA PV

FUNCIONALIDADES

Planta de energía controlable Integración de PV

Integración de renovables

TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO

PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) © COPYRIGHT IKERLAN 2016

Batería comercial de ión litio (1 MW)

-Definición de especificaciones para batería de ión litio de alta potencia -Especificaciones y selección de convertidor DC/AC -Integración del algoritmo de control en la planta fotovoltaica

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