Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

J.M. Amarilla Álvarez –Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011)
Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos
José Manuel Amarilla Álvarez
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
J.M. Amarilla Álvarez –Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011)
Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Esquema
Introducción
Baterías de ión litio (baterías LIB) para la primera
generación de EVs avanzados.
Batería LIB: C // LiCoO2 (baterías LIB-LCO)
Batería LIB: C // LiMn2O4 (baterías LIB-LMS)
Batería LIB: C // LiFePO4 (baterías LIB-LFP)
Nuevos materiales de ánodo para baterías LIBs de
alta energía y mas seguras.
Futuros desarrollos. Baterías recargables basadas en
ánodos de litio metálico.
Baterías de Li-Aire
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Retos en el Siglo XXI
Cambio
Climático
Contaminación en las Grandes Ciudades
Dependencia Energética de los Combustibles Fósiles
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Electrificación del Transporte : Diferentes
Tecnologías de Vehículos Eléctricos (Evs)
PHEVs Plug‐in
HEVs
BEVs
400 Km
D-4
160 Km
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Las Baterías, el Nudo Gordiano
de los Vehículos Eléctricos (Evs)
Autonomía.
Aceleración.
Tiempo de recarga.
Seguridad.
Impacto ambiental.
Precio.
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías de Ión-Litio (LIBs) para la
Primera Generación
de Vehículos Eléctricos Avanzados
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ventajas de las Baterías de Ion‐Litio (LIBs)
Elevado voltaje
Alta energía específica
Año 2009: 223 Whkg‐1 y 620 WhL‐1
Ni‐MH
E = 1.2 V
Ion‐Li
E  4 V
Ni‐MH
Li‐ion
http://www.fenercom.com/ , “Guía del Vehículo Eléctrico.pdf
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ventajas de las Baterías de Ion‐Litio
Ausencia de “efecto memoria”
Menos contaminantes
Alta ciclabilidad (mas de 1000 ciclos).
Amplio rango de temperatura de trabajo (‐20ºC a 60ºC).
Baja autodescarga ( < 5 % por mes).
http://www.fenercom.com/ , “Guía del Vehículo Eléctrico.pdf”
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Electroquímica de la Batería de Ion‐Litio: C//LiCoO2
La multinacional Sony comercializó la primera batería LIB en 1992
Reacciones Electroquímicas :
Electrodo
Positivo
Electrodo
Negativo
LiCo3+O2
C+
xLi+
+
Carga
Descarga
xe-
3+ O + xLi+ + xeLi1-xCo4+
Co
2
x
1-x
Carga
LixC
Descarga
Esquema
de la Batería :
carga
Li+
Li+
descarga
www.panasonic‐com
(+) LiCoO2
Mat. Carbonoso
(-)
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Funcionamiento de la Batería LIB: C//LiCoO2
Epost.
Li1‐xCoO2
Eneg.
Li+
Li+
Li+‐Grafito
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Sistema de Baterías de Ión‐Litio C//LiCoO2 del Tesla Roadster
Especificaciones Técnicas :
Tensión nominal : 375V
Numero de Módulos: 11 (6831 cel, 9S‐ 69P)
Capacidad: 141 Ah
Energía : 53 kWh
Peso : 450 kg
Energía específica: 117.8 Whkg‐1
Potencia máxima : 230 kW Tiempo de recarga : 3.5 h (rápida)
Tiempo de vida: 5 años
Autonomía: 350 Km (mixto autopista/ciudad)
Modulo(9S 69P) 11 Módulos
6831 pilas ordenador (18650)
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Líneas de Evolución en Baterías LIBs:
C // LiCoO2
Limitaciones
Coste elevado.
Moderado impacto medioambiental.
Problemas de seguridad en sobrecarga.
Perdida de ciclabilidad para Li+ >0.5 (Qrev., LiCoO2= 157 AhKg-1).
Líneas de investigación :
Sustitución con metales de transición. Síntesis de
nuevas fases de formula general LiCo1-y-zM1yM2zO2
Búsqueda de nuevos materiales de electrodo positivo.
Cátodos derivados del LiMn2O4
Cátodos derivados del LiFePO4
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías LIBs para la Primera Generación
de Vehículos Eléctricos: C // LiMn 2O 4
6C +
LiMn3+Mn4+O4
carga
descarga
LiC6 + 2Mn4+O2
Voltaje: 4 - 4.5V , Energíateor= 425 - 480Whkg-1
Ventajas de las espinelas LiMn2O4 y derivados
 Alto potencial redox (4V a 4.7V).
 Elevada experiencia industrial en compuestos de
manganeso.
 Bajo impacto medioambiental.
 Reducido coste.
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Desarrollos en baterías C//LiMn2O4
Limitaciones del electrodo de LiMn2O4 :  Perdida progresiva de capacidad durante el ciclaje.
 Disminución de la capacidad a elevadas
intensidades de corriente.
Objetivos del ICMM‐CSIC:
Preparación de electrodos positivos basados en la
espinela LiMn2O4 con una elevada ciclabilidad y con
una rápida cinética de reacción.
Metodología : Síntesis de espinelas de LiMn2O4 dopadas con metales
de transición (Cr, Co, Ni) y con tamaño de partícula
nanométrico.
-1
Capacidad en descarga (mAhg )
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ciclabilidad de Nanoespinelas LiCrYMn2‐YO4
99.97%
120
100
99.98%
80
99.5%
60
LiM n 2 O 4 (Com ercial)
Y= 0 .1
Y= 0 .2
40
20
0
10
20
30
40
50
60
Núm ero de ciclos
T = 700ºC, 1h
Tamaño de partícula = 45 nm <
Resultados de J.M. Amarilla et col., ICMM‐CSIC
‐2
J = 2.5mAcm (C) , 3.4 V < E(V) < 4.4 V
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Sistema de Baterías de Ión-Litio
del “Plug-in”-HEV Chevrolet Volt
Especificaciones Técnicas :
Química: C // LiMn2O4-tipo.
Tensión nominal: 300V .
Número de Celdas : 220 celdas.
Energía específica: 16 kWh.
Autonomía: 65 km (+ 950 km térmico)
Tiempo de vida estimado: 10 años
Compact Power
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías LIBs para la Nueva Generación
de Vehículos Eléctricos: C // LiFePO4
En 1997, Goodenough et al. demostraron la aplicabilidad del
LiFePO4 como cátodo de LIBs
6C +
LiFe2+PO4
carga
descarga
LiC6 + 2Fe3+PO4
Voltaje: 3.3V , Energíateór= 385Whkg-1
Ventajas del Fosfato LiFePO4 y Derivados
Alta ciclabilidad (> 2000 ciclos).
Elevada estabilidad estructural. Mayor seguridad.
Bajo impacto medioambiental.
Reducido coste.
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Limitaciones del LiFePO4 en LIBs
Baja conductividad electrónica ( = 10-9 S/cm).
Lento coeficiente de difusión de iones Li+ (D= 10-14cm2/sg ).
Moderado potencial redox (E = 3.44V ).
Tecnología LIB con menor madurez.
Líneas de investigación
Recubrimiento de las partículas de LiFePO4 con materiales
de alta conductividad electrónica.
Aumento de la conductividad electrónica por dopado.
Diseño y desarrollo de métodos de síntesis de LiFePO4
nanométrico.
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías de Ión-litio C//LiFePO4 para
los Coches Eléctricos de BYD
Especificaciones Técnicas
Celdas de 120 Ah y 3.3V
Consumo: <18kWh/100km
Energía: 72 kWh del pack
Autonomía: > 300km
Carga rápida: 50% en 10 min
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Búsqueda de Nuevos Materiales Anódicos para LIBs más Seguras
<
20
Li4/3Ti5/3O4 // LiCr0.2Ni0.4Mn1.4O4
3.4
MRt = 1.1
3.2
3.0
2.8
Energia= 124 WhKg-1
2.6
1C Rate
0
10
120
280th
20
30
40
Capacidad descarga (mAh/g-masa total)
Capacidad del cátodo
-1
en descarga (mAhg )
Voltaje (V)
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Prestaciones Electroquímicas de la Batería LIB:
100
Retención > 90% 80
tras > 1000 ciclos de carga/descarga
60
20
10
0
J.M. Amarilla y col. Instituto de Ciencia de Materiales – CSIC
http:// www.icmm.csic.es
0
200
400
600
800
1000
1200
Número de ciclos
JM Amarilla, D. Tonti “Vehículos híbridos y eléctricos. Monografías ASEPA (2009)
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Búsqueda de Nuevos Materiales Anódicos para LIBs de Alta Energía
MOx
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Mas allá de las Baterías
de Ión-Litio ,
Baterías Recargables
Basadas en Ánodos de
Litio Metálico
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ventajas de los Ánodos
Basados en Litio Metálico
Reacción electroquímica : Li0
Li+ + eCapacidad específica : 3861 Ahkg-1
Litio es el elemento más reductor. E= -3V vs. NHE
Battery 500 Project (IBM)
Electrodo con alta reversibilidad.
G. Girishkumar et al. J. Phys. Chem. Letters 1 (2010) 2193 24
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Electroquímica de una Celda de Li-Aire
Electrodo negativo:
Litio metálico
Electrolito :
Sal de litio disuelta en un
disolvente orgánico aprótico
Electrodo positivo :
Material de carbono poroso
con un catalizador soportado
Reacciones electroquímicas :
descarga
Li0
2 Li+ + O2 + 2e-
Li+ + 1e- (reacción anódica)
carga
Li2O2 (reacción catódica)
Energía específica teórica = 3623 Whkg-1 (incl. O2) ; Voltaje = 2.96V
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Retos en el Desarrollo de las
Baterías Recargables de Li-Aire
Aumentar la energía específica. Actualmente 362 Whkg-1
Aumentar la densidad de
potencia. Actualmente
0.46Wkg-1
Aumentar la eficiencia eléctrica.
60-70% en los prototipos
actuales.
Mejorar la Ciclabilidad. Se han demostrado 50 ciclos.
Desarrollar baterías seguras.
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J.M. Amarilla Álvarez – Universidad Complutense de Madrid
Coches Eléctricos, Baterías Recargables y Medio Ambiente Líneas de Evolución de las
Baterías Recargables de Litio
Cátodo: Mejorar LCO, LMS y LFP,
silicatos, fluoruros
Ánodo: Mejorar C, TiOx, LTO, MOx
SnO, compuestos de Si , aleaciones
Cátodo: LiCoO2, LiMn2O4,
LiFePO4
Ánodo: Grafito
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Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Departamento de Energía, Medio Ambiente y Tecnologías Sostenibles
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Dr. José Manuel Amarilla Álvarez
Tfn: 91 334 90 74 , e‐mail : [email protected]
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