ENERGIA ALTERNA BATERIAS DE ION-LITIO Universidad Mayor de San Andres Conferencia a llevarse a cabo el 9 de Octubre, 2014

Ing. Juan R. Cuba CONSULTOR PROFESIONAL EN PROCESOS QUIMICOS, ENERGIA Y TECNOLOGIA DEL AGUA

CONTENIDO Systemas Fotovoltaicos-Almacenaje de Energia Baterias de Ion-Litio: Introduction, diseno, construccion. Materia Prima Materiales de los componentes de bateria Eficiencia de carga y descarga Simulacion:Introduccion al Diseno de Baterias de Ion Litio: Otras baterias Conclusiones y comentarios.

USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS

USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS

USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS COMPONENTES TIPICOS

SISTEMA SIMPLE

SYSTEMA AUTONOMO

SYSTEMA AUTONOMO

SISTEMA AUTONOMO CON RESERVA

SISTEMA CONECTADO A LA RED

INDUSTRIA ELECTRICA

INDUSTRIA ELECTRICA

INDUSTRIA ELECTRICA

INDUSTRIA ELECTRICA

INDUSTRIA ELECTRICA

ALMACENAJE DE ENERGIAS

BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION

CELDAS ELECTROQUIMICAS

BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION

Primera bateria Recargable Nuevas baterias recargables

BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION

Como satisfacer los requisitos de la industria electronica, automotriz y de la red de almacenamiento a gran escala? Cual es el mayor impedimento a disenar mejores baterias? Que otros tipos de almacenaje de energia pueden ser utilizados?

CELDAS ELECTROQUIMICAS

Cu2+ + 2 e− Cu: E0 = +0.34 V Zn2+ + 2 e− Zn: E0 = −0.76 V Zn + Cu2+→ Zn2++ Cu E0 = +1.10 V

CELDAS ELECTROQUIMICAS

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS

CONSTRUCCION:

Tres componentes funcionales. Anodo, Catodo, Electrolito.

CONSTRUCCION:

Una bateria de Ion Li+, tiene tres componentes funcionales. El anodo, el catodo y el electrolito. El anodo es de carbon (grafito), aunque en algunas baterias se esta utilizando anodos de silicon. El catodo es un oxido del metal y el electrolito es una sal de Li en un solvente organico.

El catodo es generalmente hecho de uno de los siguientes materiales: Una capa de oxido (tales como el Oxido de Cobalto y Litio), un polianion (tales como el Fosfato de Litio y Hierro), o un espinelo (tal como el oxido de manganeso y litio).

El electrolito es tipicamente una mezcla de carbonatos tales como el carbonato de etileno o carbonato de dietilo, conteniendo complejos de iones litio. Estos electroltios no-acuosos generalmente utilizan sales anionicas no-coordinadas tales como el hexafluorofosfato de litio (LiPF6). heaxfluoroarsenato de litio mono hidratado (LiAsF6).H2O , perclorato de litio (LiClO4) , tetrafluoroborato de litio (LiBF4) , triflato de litio (LiCF3SO3).

El voltaje, capacidad, periodo de vida y seguridad depende del matrial selecionado. Actualmente la nano tecnologia esta siendo utilizada para mejorar el rendimiento.

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS Las baterías vienen en una variedad de químicas y diseños. Baterías vienen en una variedad de diseños con una variedad de químicas, pero su anatomía básica y su operación son los mismos. Cada bateria consta de un electrodo positivo, un conductor ionico (electrolito) y un electrodo negativo, que reacciona para producir electricidad.

Utilizando los principios fundamentales, se puede determinar el rendimiento teorico de estas celdas electroquimicas para hacer un buen diseno y construccion. Proveer energia para aplicaciónes que van desde cámaras digitales y teléfonos móviles, vehículos eléctricos y almacenamiento de la energía renovable, Baterías convierten la energía química en energía eléctrica para producir una corriente continua.

Li

+ e

Li

0

BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION

Mas ventajas sobre otras tecnologías de baterías recargables. Existen ventajas y desventajas que hacen que esto sea imposible, Altas densidades de energía (por lo general dos veces mayor que la de las baterías de NiCd) y altos voltajes de celda (3,6 V).

Algunas baterías están diseñadas para alta potencia, otras para capacidad de alta energia, y así sucesivamente.

Requieren poco mantenimiento.

El ánodo se somete a oxidación, liberando electrones, mientras que el cátodo se reduce por los electrones.

Los iones de litio se mueven entre los dos electrodos a través del electrolito,

los electrones viajan a un circuito eléctrico externo para cargar o alimentar un dispositivo.

Densidad de energía, Cantidad de electricidad que la bateria puede suministrar. Se rige por la eleccion del material del catodo.

Densidad de potencia cuantifica la velocidad a la que una batería suministra corriente eléctrica, Depende de los materiales utilizados para el electrolito y ambos electrodos.

Seguridad se refiere principalmente a la estabilidad termica de los electrodos. A altas temperaturas el material de los electrodos se degradan en componentes que pueden reaccionar con un electrolito inflamable.

El electrolito es electrónicamente aislante Hay muchas maneras de que una batería falle, la mayoria de los componentes Química y diseño de la bateria es funcion del rendimiento, densidad de energia, de potencia, seguridad, ciclo de vida, costo para la aplicación de interés.

dentro la bateria influenciaran el cciclo de vida.

INDUSTRIA ELECTRICA OTRAS BATERIAS DE ION LITIO BATERIA LiFePO4: Llamada tambien bateria LFP,, utiliza la sal LiFePO4 como catodo. Utilizados en autos electricos. BATERIA LITIHIUM ION POLYMER: Abreviado como Li Poly, Li Polymer. La diferencia es que el electrolito de las sales de iones litios no estan en un solvente organico, sino en un polimero tales como el oxido de polietileno y el poliacrilonitrilo. BATERIA NANOWIRE: Esta bateria utiliza acero inoxidable cubierto con nano-alambres de silicon como anodo en vez del grafito. BATERIA LITHIUM AIR: Li-O bateria. Emplea un catodo donde el principio quimico es la reduccion con oxigeno formando un producto de descarga.

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS ESTRUCTURA Cada electrodo constan de un material activo en forma de pasta o de recubrimiento sobre un colector de corriente de metal.

La característica esencial del material activo es que sufre una reaccion electroquímica, o transferencia de carga, ren su interface con el ion conductor

El material activo positivo (cátodo) se reduce por los electrones desde el circuito externo.

El material activo negativo (ánodo) se oxida, liberando electrones que viajan a través del circuito externo.

La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es el voltaje.

El conductor de iones proporciona un medio para que los iones viajen entre los dos electrodos, pero no los electrones, ya que esta electrónicamente aislado.

Los colectores de corriente conectadas a los electrodos proporcionan caminos para que los electrones viajan a los circuitos eléctricos externos.

Las baterías se pueden clasificar como primaria o secundaria, y a veces se clasifican como acuosa o no acuosa.

Una batería primaria se descarga una vez y se desecha. Mientras que una batería secundaria se puede recargar.

Baterías acuosas utilizan agua como el disolvente para la fase conductora de iones (por ejemplo, ácido sulfúrico), mientras que las baterías no acuosos utilizan líquidos orgánicos con sales disueltas (por ejemplo, hexafluorofosfato de litio en una mezcla de carbonato de etileno y carbonato de dimetilo), polímeros conductores de iones (e, G, óxido de polietileno), o conductores de iones inorgánicos (e, g. de litio de oxinitruro de

Li + + e-

Li

0

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS ESTRUCTURA Baterías acuosas utilizan agua como el disolvente para la fase conductora de iones (por ejemplo, ácido sulfúrico), mientras que las baterías no acuosos utilizan líquidos orgánicos con sales disueltas (por ejemplo, hexafluorofosfato de litio en una mezcla de carbonato de etileno y carbonato de dimetilo), polímeros conductores de iones ( óxido de polietileno), o conductores de iones inorgánicos (oxinitruro de fósforo y litio, o conductores superiónicos de litio)..

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS QUIMICA Y DENSIDAD DE ENERGIA

Densidad de energía Potenciales de reacciones electroquímicas Reacciones de inserción Energía libre de Gibbs de reacción

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS La densidad de energía gravimétrica teórico (ED) está dada por:

0

0

ED = nF(E -E ) W positivo

negativo

grav

equiv reactantes

La densidad de energía gravimétrica teórico de la oxidación de litio y un par de reducción de flúor se calcula a partir de la ecuación. 3 como

ED = 96487 C/mol grav

(287 V -(-3.05 V)(1000g/Kg) (3600 s/h)(6.941 g/mol-19.0 g/mol)

Un buen indicador de la reversibilidad de las cineticas de las baterias es el intercambio de densidad de corriente (A/m2), el cual es la cooriente fluyendo en el equilibrio cuando las reacciones de oxidacion y reduccion son llevadas a cabo a la misma velocidad

= 6106 Wh/Kg

BATERIAS DE ION LITIO-PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA

Un buen indicador de la reversibilidad de las cineticas de las baterias es el intercambio de densidad de corriente (A/m2), el cual es la cooriente fluyendo en el equilibrio cuando las reacciones de oxidacion y reduccion son llevadas a cabo a la misma velocidad

La desviación del volaje de su valor de equilibrio se llama polarización, o sobrepotencial (n):

n = E -E

0

El sobrepotencial esta relacionado a la velocidad neta de una reaccion de transferencia de carga por la ecuacion de Buttler Volmer

Los coeficientes de transferencia de los electrodos quantifican la fraccion de energia electrica a traves la interface entre el electrodo y el ion conductor/

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA La ley de Ohm: Perdidas asociadas con transporte de carga.

Separador de bateria es usado para soporte del conductor ionico, su porosidad y tortuosidad (t) es tomado en cuenta usando la ecuacion

El efecto del transporte de masa sobre la velocidad carga o descarga debe ser considerado

BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA

ELECTROLITO: Transporte en el Electrolito: Electrolitos no acuosos utilizados en celdas de ion Li tienen bajas difusividades de sal (10E-6 cm2/s) y un numero de transporte de Litio de 0.4. este numero indica la fraccion de la carga neta transportada in el electrolito por el ion litio. Si el valor es