Diapositiva 1 - Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación

FACTIBILIDAD DEL DESARROLLO Y
CONSTRUCCIÓN DE CELDAS DE LITIO-ION EN
ARGENTINA
Dr. Juan R. Collet Lacoste
Dr. Alberto Lamagna
Gerencia Área Investigación y Aplicaciones No Nucleares.
Centro Atómico Constituyentes-CNEA.
Av. Gral. Paz 1499, Pcia. de Buenos Aires.
San Salvador de Jujuy, 2011
Tipos de celdas que usan
litio
Celdas Primarias
Litio
Litio
Litio
Litio
Litio
Litio
tionilo: Li/SOCl2 (CR2032 o CR1216)
dióxido de azufre: Li/SO2
dióxido de manganeso: Li/MnO2
disulfuro de hierro: Li/FeS2
freones: Li/(CF)n
iodo: Li/I2
Celdas secundarias
Litio-ion: LixC6/LiNiO2( o LiCoO2, LiFePO4)
Litio dióxido de manganeso: Li/MnO2
Litio disulfuro de hierro: Li(Al)/FeS2
Litio sulfuro de hierro: Li(Al)/FeS
CELDAS DE LITIO-ION
1- COMPONENTES
PRINCIPALES
Electrodos
 Electrolitos
 Carcasa
3- KNOW HOW EN CNEA SOBRE
CARACTERIZACIÓN
 Medición de capacidad diferencial
 Ciclados (carga-descarga)
 Medición de la impedancia
5- CAPACIDADES EN CNEA
 Caracterización
 Desarrollo de prototipos
2- MATERIALES Y
PROCESOS
 Electrodos
Carcasas
4- APLICACIONES A SATÉLITES
 Recepción e inspección en área
limpia
 Mediciones de termovacío de celdas
satelitales
 Bastidor
 Cableado eléctrico
1- COMPONENTES PRINCIPALES

ELECTRODO POSITIVO: Foil de Al (20m) con óxidos metálicos
mixtos de litio (LiMO2 donde M puede ser Co, Ni, Mn o mezclas de éstos)
LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1- xCoxO2 , LiFePO4

ELECTRODO NEGATIVO: Foil de Cu (20m) con carbón poroso con
Li incorporado en su matriz. Tienen apilamientos desordenados,
incluyendo estructuras tipo hexagonal (grafito 2H, apilamiento ABAB…),
rombohedral (grafito 3R, apilamiento ABCABC…) y al azar.
Binder: PVDF (Poli Floruro de Vinilideno)
Electrolitos
Tipos de electrolitos:

Líquidos. Soluciones no acuosas que contienen sales
de Li (LiPF6, LiClO4), solventes (propil carbonato,
etil carbonato, dimetil carbonato, etil-metil
carbonato y dietil carbonato)

Geles

Poliméricos

Cerámicos
Aditivos:
Para mejorar aún más el rendimiento de la batería
BF4, Hexametildisilazano
SEPARADORES. (ELECTROLITO LÍQUIDOS)
 Películas delgadas (10 a 30 µm), microporosas para
aislar eléctricamente los electrodos positivo y negativo.
 Están hechos de polietileno (PE), polipropileno (PPE) o
laminados de polietileno y polipropileno.
Celgard 3501
2- MATERIALES Y PROCESOS

ELECTRODO POSITIVO:
Fabricación en seco polvos de óxidos metálicos (NiO, CoO,
etc.) +LiO, por molienda y T.T. en oxígeno
Laminado en Foil de Al (20mm) + binder polimérico PVDF
(Poli Floruro de Vinilideno)

ELECTRODO NEGATIVO:
Carbón poroso de 5 a 25 mm de grano (grafítico)
Laminado con Foil de Cu (20mm) + binder polimérico.
PVDF (Poli Floruro de Vinilideno)
Formatos prismáticas y cilíndricas
3- KNOW HOW EN CNEA SOBRE CARACTERIZACIÓN
Ciclado de celdas de litio-ion

El cargador de la batería de Li-ion es un dispositivo
limitador de tensión

La mayoría de las celdas Li-ion modernas se cargan
hasta 4,20V
Idescarga = cte
4.2V
4.1V
Tensión V
Corriente I
3V
Fase G
Fase P
Carga
Descarga
Descanso
descarga
Icarga
Descanso
carga
I corte
Tiempo
Medición de la capacidad diferencial
CAPACIDAD DIFERENCIAL GENERAL
CARGA 20ºC
58% DOD
120
100
80
60
1651
1653
1648
1657
1652
1660
1647
Carga/descarga 20ºC
90% DOD
21% DOD
100
40
20
0
3,0
3,2
3,4
3,6
Tensión [V]
3,8
4,0
4,2
CAP DIF [Faradios]*1000
CAP DIF [Faradios]*1000
140
80
60
1651
1653
1648
1657 90% DOD
1652
1660
1647
60% DOD
20% DOD
40
20
0
3,0
CAPACIDAD DIFERENCIAL GENERAL
DESCARGA 20ºC
3,2
3,4
3,6
Tensión [V]
3,8
4,0
4,2
Medición de la impedancia faradaica. EIS
R3
R1
W1
W2
R2
Rs
CPE2
Ldis
CPE1
Celdas Prismáticas 12 Ah
C
Diagrama de impedancia Celda 1651
Diagrama de impedancia Celda 1647
0.012
0.008
Experimental
Teórico
Experimental
Teórico
0.010
0.006
2
Im Z (cm )
0.004
2
Im Z (cm )
0.008
0
0.002
-2
0.000
0.004
0
0.002
-1
1
0.006
-1
2
1
2
0.000
-0.002
0.000
3
0.002
-0.002
0.004
0.006
2
Re Z (cm )
0.008
0.010
-2
3
0.002
0.004
0.006
0.008
2
Re Z (cm )
0.010
0.012
Rack de medición HP VXI
Conjunto de equipos agrupados para llevar a
cabo las medidas de las celdas electroquímicas
Osciloscopio
Multímetro
Filtro Kemo
Lunartron
Celdas
PC
FRA (Solartron)
4- APLICACIONES A SATÉLITES
Celda de litio-ión Yuntong de 19 Ah.
Celda de litio-ión Yardney de 12 Ah.
Celda de litio-ión 18650 Sony de 2,2 Ah.
Productos comerciales del litio
 Hexafluoro fosfato de litio. LiPF6
 Fabricación de Cloruro de litio (LiCl). Usado en la tecnología nuclear
 Hidróxido de litio. (LiOH). Naves espaciales tripuladas y submarinos para
depurar el aire extrayendo el dióxido de carbono
 Reactivos
para química orgánica. Organolitios: como reactivo de
Grignard.
 Componente de aleaciones de aluminio, cadmio, cobre y manganeso
empleadas en aeronáutica
 Obtención de Tritio a partir de Li-6 con bombardeo de neutrones
Una Ton. de litio: en 2003: 350 USD, en 2009: 3.000 USD.
Valor agregado; En una celda de Li-ion el Li vale 500 a 1000
veces más.
Gerencia de Investigaciones y Aplicaciones
No Nucleares – CNEA
Centro Atómico Bariloche
Centro Atómico
Constituyentes
Contexto en el cual se hace estos desarrollos tecnológicos :
mas de 600 personas en la Gerencia entre profesionales de
staff CNEA, Conicet, Universidades, contratos y becarios
Espacio temático donde esta inserta
nuestra Gerencia de I+D
Micro y NanoTecnología
Aceleradores
de Iones
Aplicaciones
Robótica
Espaciales
Avanzada
Materia
Pierre Auger,
Física Nuclear y
SubNuclear
Condensada
Temas en los cuales trabaja la gerencia. Nuestro perfil institucional y
nuestra vocación hace que, en casi todos estos temas además de realizar
investigación básica y aplicada, nos interesa llegar a desarrollar algún
producto para transferir a la industria , como lo demuestran los siguientes
ejemplos
Diseño y construcción de un acalerador de
iones para el tratamiento del cancer por BNCT
Distribución del
Potencial Eléctrico
Componentes
del Módulo
Distribución del
Campo Eléctrico
Generadores
Fuentes de alta tensión
Ejes giratorios aislantes
Soportes aislantes
Dispositivo de
Producción de
Neutrones y Sala de
Irradiacion.
Tubo Acelerador con
Cuadrupolos
Simulaciones del Transporte
del Haz
Fuente de Iones
Estructura
Estructuramecanica
Avances 2010
Primer
generador
Blanco
Blanco de produccion
Fuente de iones
Fabricación Paneles solares para un satélite
conjunto NASA-CONAE
Departamento Energía Solar
Misión Satelital Aquarius/SAC-D
 Se completaron los ensayos de
aceptación de los paneles solares
 Se realizó estudio estadístico de 3000
celdas utilizadas para la fabricación
 Puesta en órbita: Junio 2011
La CONAE en el año 2003 solicito a CNEA un
Estudio pre-factibilidad técnico-económica de la
producción de baterías de Ni-H
La CNEA y el INIFTA estudiaron la tecnología y
en Febrero del 2004 entregaron un informe
detallado para la producción a escala planta pilto
de estas baterías
Estudio pre-factibilidad técnica y
económica
•Análisis de la batería, desmontaje, materiales,
caracterización estructural, química, eléctrica, diseño,
ensayos, etc....
•Estudio de la disponibilidad de los materiales en el
mercado nac./int., precios FOB?
•Existen los RRHH en INIFTA y CNEA? Estimación de
RRHH, tiempo, presupuesto para la etapa 2.
•Existen las maquinarias/equipos ? Donde ? (que nos
falta, costo?)
•Informe antes del 10 Dic. 2003
Centro Atomico Constituyentes
Esquema de producción industrial de baterías Ni-H
Deptos involucrados en el estudio CNEA
• Física
• Química
• Materiales
• Ensayos No Destructivos
El resultado del estudio dio que era técnica y
económicamente viable, sin embargo se desechó iniciar la
fabricación de estas baterías porque a la época (2004)
esta tecnología (Ni-H) fue reemplazada el Litio. Entonces,
se iniciaron los estudios sobre el Litio, desarrollando las
baterías que se vieron anteriormente. También se avanzo
en el conocimiento de la fabricación en el país de las
celdas unitarias de Litio para estas las baterías.
Grupos involucrados en la tecnología de baterías
de Litio en la CNEA
 Fabricación de electrodos positivos. Dpto. de cerámicos y
Depto. Micro y Nanotec. (ex grupo MEMS)
 Fabricación de electrodos negativos. Experiencia en
electrodos de Fuel Cell y electrolizadores. Depto. Micro y
Nanotec (ex- grupo MEMS)
 Desarrollo de carcasas metálicas. Depto. Materiales
 Desarrollo y estudio de plásticos aislantes. Depto. Materiales
 Electrónica (ecualizadores y cableado). Div. Robótica
Avanzada
 Caracterización eléctrica de celdas. Depto. Micro y Nanotec (ex
grupo MEMS)
…desde Jujuy se podrían
vender dos productos con
distinto grado de valor
agregado, los productos
mineros y las baterías de Litio.
Propuesta de como hacer….
En lo operativo para producir baterías de Li
Años
CNEA
INIFTA
INVAP
otros
2011
2012 2013 2014 2015 2016
2 da TT
tiempo
Batería
convencio
nal
Planta de producción industrial
de baterías de litio
3 er
TT
CONICET
UNIVERSI
2019
producto
Desarrollo de prototipo pre-competitivos para
transferir a la industria
1 er TT
Empresa
pensar
modelo
SA
mixta?
2017 201
8
Nuevo
producto
innovador
Programa de Investigación y Desarrollo de las baterías de
Litio del futuro que reemplazaran las de hoy existentes en el
mercado
I+D
Productos
materiales
avanzado
s
¡Gracias por su atención!