jm a marilla

7/26/2019 Jm a Marilla

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BaterasR

ecargablesdeL

itio

paraVehculosElctricos

J.M.

AmarillalvarezEstadodelA

rtedelVehculoElctrico

(coiim_2011)

BaterasRecargables

de

LitioparaVehculosElctricos

Jos Manuel Amarilla lvarez

Instituto de Ciencia de Materiales de MadridConsejo Superior de Investigaciones Cientficas


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BaterasR

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itio


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AmarillalvarezEstadodelArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011) Esquema

IntroduccinBateras de in litio (bateras LIB) para la primerageneracin de EVs avanzados.

Batera LIB: C // LiCoO2 (bateras LIB-LCO)

Batera LIB: C // LiMn2O4 (bateras LIB-LMS)

Batera LIB: C // LiFePO4 (bateras LIB-LFP)

Nuevos materiales de nodo para bateras LIBs dealta energa y mas seguras.

Futuros desarrollos. Bateras recargables basadas ennodos de litio metlico.

Bateras de Li-Aire2


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Elctrico

(coiim_

2011)

RetosenelSigloXXI

Contaminacin

en

lasGrandesCiudades

Dependencia

Energticadelos

CombustiblesFsiles

Cambio

Climtico


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Elctrico

(coiim_

2011)

D-4

Electrificacin del Transporte : Diferentes

Tecnologas de Vehculos Elctricos (Evs)

HEVs

BEVs

PHEVsPlugin

160Km400Km


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Elctrico

(coiim_

2011) Las Bateras, el Nudo Gordiano

de los Vehculos Elctricos (Evs)

5

Autonoma.

Aceleracin.

Tiempode

recarga.

Seguridad.

Impactoambiental.

Precio.


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arezEstadodelArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011)Bateras de In-Litio (LIBs) para la

Primera Generacinde Vehculos Elctricos Avanzados

6


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Elctrico

(coiim_

2011) Ventajasde las Bateras de IonLitio (LIBs)

Elevadovoltaje

NiMH

E

=

1.2

V

IonLi

E

4

V

7

Altaenergaespecfica

Ao2009:223Whkg1 y620 WhL1

NiMH

Li

ionhttp://www.fenercom.com/,GuadelVehculoElctrico.pdf


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ulosElctricos

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Elctrico

(coiim_

2011)VentajasdelasBaterasdeIonLitio

Ausenciade

efecto

memoria

Menoscontaminantes

Altaciclabilidad(masde1000ciclos).

Ampliorangodetemperaturadetrabajo(20Ca60C).

Bajaautodescarga(


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Elctrico

(coiim_

2011)

ElectroqumicadelaBateradeIonLitio:C//LiCoO2

ReaccionesElectroqumicas

:

ElectrodoNegativo

C + xLi+ + xe- LixCCarga

Descarga

ElectrodoPositivo

LiCo3+O2 Li1-xCo4+Co3+ O2 + xLi+ + xe-Carga

Descargax 1-x

www.panasoniccom

Esquemade la Batera :

(+) LiCoO2 Mat. Carbonoso (-)descarga

carga

Li+

Li+

La multinacional Sony comercializ la primera batera LIB en 1992


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(coiim_

2011)

FuncionamientodelaBateraLIB:C//LiCoO2

Li+

Li+

Epost. Eneg.

10Li1xCoO2 Li+Grafito


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(coiim_

2011)

SistemadeBaterasdeInLitio

C//LiCoO2delTesla

Roadster

11

EspecificacionesTcnicas:Tensinnominal:375V

NumerodeMdulos:11(6831cel,9S69P)

Capacidad:

141Ah

Energa: 53 kWh

Peso:450kg

Energaespecfica:117.8Whkg1

Potenciamxima

:

230kW

Tiempoderecarga: 3.5h(rpida)

Tiempodevida:5aos

Autonoma:350Km(mixtoautopista/ciudad)

6831pilas

ordenador

(18650)

Modulo(9S69P)

11

Mdulos


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(coiim_

2011)

Lneas de Evolucin en Bateras LIBs:

C // LiCoO2LimitacionesCoste elevado.

Moderado impacto medioambiental.

Problemas de seguridad en sobrecarga.

Perdida de ciclabilidad paraLi+ >0.5 (Qrev., LiCoO2= 157 AhKg-1).

Lneasde

investigacin

:

Sustitucin con metales de transicin. Sntesis de

nuevas fases de formula general LiCo1-y-zM1yM2zO2

Bsqueda de nuevos materiales de electrodo positivo.

Ctodos derivados del LiMn2O4

Ctodos derivados del LiFePO4


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arezEstadodel

ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011)

Bateras LIBs para la Primera Generacinde Vehculos Elctricos: C // LiMn

2O

4

6C + LiMn3+Mn4+O4 LiC6 + 2Mn4+O2descargacarga

Voltaje: 4 - 4.5V , Energateor= 425 - 480Whkg-1

Ventajas de las espinelas LiMn2O

4y derivados

Alto potencial redox (4V a 4.7V).

Elevada experiencia industrial en compuestos de

manganeso.

Bajo impacto medioambiental.

Reducido coste.


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arezEstadodel

ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011) DesarrollosenbaterasC//LiMn2O4

Limitacionesdel

electrodo

de

LiMn2O4:

Perdida progresiva de capacidad durante el ciclaje.

Disminucin de la capacidad a elevadas

intensidades de corriente.

ObjetivosdelICMMCSIC:

Preparacin de electrodos positivos basados en la

espinela LiMn2O4 con una elevada ciclabilidad y con

una rpida cintica de reaccin.

Metodologa:

Sntesis de espinelas de LiMn2O4 dopadas con metales

de transicin (Cr, Co, Ni) y con tamao de partcula

nanomtrico.


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arezEstadodel

ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011)CiclabilidaddeNanoespinelasLiCrYMn2YO4

T=700C,1h

Tamaode

partcula

=45

nm

2000 ciclos).

Elevada estabilidad estructural. Mayor seguridad.

Bajo impacto medioambiental.

Reducido coste.

6C + LiFe2+

PO4 LiC6 + 2Fe3+

PO4descarga

carga

Voltaje: 3.3V , Energater= 385Whkg-1

En 1997, Goodenough et al. demostraron la aplicabilidad del

LiFePO4como ctodo de LIBs


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arezEstadodel

ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011) Limitaciones del LiFePO4 en LIBs

Baja conductividad electrnica (= 10-9 S/cm).

Lento coeficiente de difusin de iones Li+ (D= 10-14cm2/sg ).

Moderado potencial redox (E = 3.44V ).Tecnologa LIB con menor madurez.

18

Lneasde

investigacin

Recubrimiento de las partculas de LiFePO4 con materiales

de alta conductividad electrnica.

Aumento de la conductividad electrnica pordopado.

Diseo y desarrollo de mtodos de sntesis de LiFePO4

nanomtrico.


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AmarillalvarezEstadodel

ArtedelVehculo

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(coiim_

2011) Bateras de In-litio C//LiFePO4 para

los Coches Elctricos de BYD

19

Especificaciones Tcnicas

Celdas de 120 Ah y 3.3V

Consumo: 300km

Carga rpida: 50% en 10 min


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011) BsquedadeNuevosMateriales

AndicosparaLIBs ms

Seguras

20

90%

tras>1000ciclosdecarga/descarga

0 200 400 600 800 1000 12000

1020

60

80

100

120

Capa

cidaddelcto

do

ende

scarga(mAhg

-1)

Nmero de ciclos21JMAmarilla,D.TontiVehculoshbridosyelctricos.MonografasASEPA(2009)

d d l


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011)

BsquedadeNuevosMateriales

Andicospara

LIBs de

Alta

Energa

22

MOx


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim_

2011)

Mas all de las Bateras

de In-Litio ,

Bateras Recargables

Basadas en nodos de

Litio Metlico23


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim

_2011) Ventajas de los nodos

Basados en Litio Metlico

24

Battery 500 Project (IBM)

Reaccin electroqumica : Li0 Li+ + e-

Capacidad especfica : 3861 Ahkg-1

Litio es el elemento ms reductor. E= -3V vs. NHE

Electrodo con alta reversibilidad.G. Girishkumar et al. J. Phys. Chem. Letters 1 (2010) 2193


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim

_2011)

Electroqumica de una Celda de Li-Aire

25Energa especfica terica = 3623 Whkg-1 (incl. O2) ; Voltaje = 2.96V

Electrodo negativo:Litio metlico

Electrolito :Sal de litio disuelta en un

disolvente orgnico aprticoElectrodo positivo :Material de carbono porosocon un catalizador soportado

Reacciones electroqumicas :

Li0 Li+ + 1e- (reaccin andica)

2 Li+ + O2 + 2e- Li2O2 (reaccin catdica)carga

descarga


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BaterasRecargablesde

Litio


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ArtedelVehculo

Elctrico

(coiim

_2011) Retos en el Desarrollo de las

Bateras Recargables de Li-Aire

26

Aumentar la energa especfica.Actualmente 362 Whkg-1

Mejorar la Ciclabilidad. Se han demostrado 50 ciclos.

Desarrollar bateras seguras.

Aumentar la densidad depotencia.Actualmente

0.46Wkg-1

Aumentar la eficiencia elctrica.

60-70% en los prototipos

actuales.

L d E l i d l


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CochesElctricos,

Bateras

RecargablesyMedioAmbiente

J.M.

Ama

rillalvarezUn

iversidadComplu

tensedeMadrid

Lneas de Evolucin de las

Bateras Recargables de Litio

27

Ctodo: LiCoO2, LiMn2O4,

LiFePO4nodo: Grafito

Ctodo: Mejorar LCO, LMS y LFP,silicatos, fluoruros

nodo: Mejorar C, TiOx, LTO, MOxSnO, compuestos de Si , aleaciones


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BaterasRecargablesde

Litio


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Elctrico

(coiim

_2011)

T-28

DepartamentodeEnerga,MedioAmbiente

y

Tecnologas

SosteniblesInstitutodeCienciadeMaterialesdeMadrid

Dr. Jos Manuel Amarilla lvarez

Tfn:913349074, email:[email protected]

jm a marilla

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