Tecnología actual de las baterías de litio. Opinión de Ingenieros de A123.

Transcripción

1 Tecnología actual de las baterías de litio. Opinión de Ingenieros de A123. Fábrica de baterías: En su laboratorio de I + D en Watertown, Massachusetts, la empresa A123 hace pruebas de pequeños lotes de baterías de iones de litio, relegando la producción en gran escala a las instalaciones de fabricación en Asia. (1) Una máquina rompe una bobina de electrodos en tiras estrechas suficiente para adaptarse a la anchura de la última batería. (2) Rollos de electrodo sentarse en bastidores de aluminio en una pared, al igual que la tela en una tienda. (3) La mayoría de los materiales son lo suficientemente seguros y dura lo suficiente como para trabajar al aire libre, como en este ejemplo. (4) Sin embargo, para almacenar los componentes más sensibles, tales como polvos y electrolitos, los investigadores deben recurrir a ambientes bajos de oxígeno, baja humedad, libre de polvo ( caja de guantes). "El primer contingente de vehículos a baterías de iones de litio vendrá en 2009," declara el Gerente de la

2 empresa: Fulop. "En 2010, habrá varios. Para 2015, la mayoría de los híbridos del mundo podrá hacer uso de ellas. " A123 ya tiene contratos de suministro de baterías para varios fabricantes de automóviles europeos y americanos, añade tímidamente el Sr. Fulop y señala que a principios de este año recibió una invitación de General Motors para el primer contrato de trabajo de I + D en pilas de litio-ion. De hecho, en junio, GM abrió el juego, anunciando dos contratos de I + D: un sistema de poder de Troy, Michigan, que tiene previsto utilizar las células del fabricante coreano LG Chem, y la otra a una división de piezas de automóviles del fabricante Alemán, Continental, que proyecta la incorporación de paquetes de baterías de células A123. Los expertos coinciden en que las células de iones de litio potenciaran las generaciones venideras de los coches híbridos, plug-in híbridos y eléctricos puros. En un primer momento las empresas ponen las pilas nuevas en sólo unos pocos híbridos de norma, para probar, o lo utilizan para cubrir los nichos de mercado, al igual que el coche deportivo Tesla. Automóviles no abran disponibles hasta que las pilas sean asequibles, y las baterías no será accesible hasta que aumente la compra de automóviles. Este año, sin embargo, las marcas más importantes del mundo han hecho firmes compromisos con la tecnología de iones de litio. Toyota, una de las empresas más grande del mundo y más rentable compañía de coche, dice que el próximo año pondrá las pilas de iones de litio, sin especificar en un cual vehículo. Asimismo, la prueba de una flota de plug-in híbridos, utilizando níquel-metal-hidruro, que son capaces de correr a pocos kilómetros. El Prius de hoy puede, sólo a velocidades inferiores a 50 km / h. y distancias de 30 Km. General Motors está intentando ponerse al día. A finales de este año, se espera finalmente lanzar su primer híbrido capaz de funcionar también en solo modo eléctrico, el Chevrolet Volt. Por qué las pilas no están listas ya? Hay muchas razones, entre ellas, falta decidir la tecnología y el costo, pero quizás el mayor de todos es la seguridad. Recuerde que en el pasado se quemaron baterías de PC portátiles? Nadie fue herido, pero la consiguiente retirada de millones de baterías de iones de litio fue una dura experiencia para Sony y otros grandes proveedores. La seguridad es clave, y todo se reduce a la prevención de incendios y explosiones. Estas situaciones ocurren cuando una célula de Litio, se calienta, y se inicia una reacción exotérmica de oxidación que aumenta la temperatura a cientos de grados centígrados en una fracción de segundo. El calor entonces se trasmite a otras células para producir una reacción térmica en cadena que puede ser espectacular (sólo pregúntele a Sony). Y, a diferencia de la gasolina, el conflicto no puede ser dominado, porque se tiene el oxígeno en la célula de su química interior. En la practica la existencia de un fallo una vez cada 5 a 10 millones en las células de iones de litio, como el diseño de 18,650, de acuerdo con Brian Barnett, un analista de tecnología Tiax, una empresa de consultoría. Por supuesto, si más células hay en un paquete de baterías, mayor será la probabilidad de un problema. Aunque está claro que las impurezas detectadas durante la fabricación tienen gran parte la culpa, el mecanismo sigue siendo poco claro. Hay varias maneras de hacer la nueva tecnología lo suficientemente segura para automóviles. Una de ellas, tal vez de transición, es establecer un vínculo entre un gran número de pequeñas células en las redes-como el de Tesla -con las salvaguardias para garantizar que un problema en una célula no puede propagar a otras. A123 y otras empresas de nueva creación en lugar optó por centrarse en los fundamentos de las reacciones en la celda.

3 En primer lugar, un poco de química. Al igual que una pila, ésta tiene dos electrodos sentado en una solución rica en iones, el electrolito, véase diagrama, ANATOMIA DE UNA CELULA: En una celda de litio-ion, los dos electrodos se mantienen al margen por un separador, todas de la misma forma cilíndrica y bañado en un electrolito. Cuando el circuito está cerrado, el ánodo emite electrones a través del cable, la entrega de energía positiva y la creación de iones de litio que viajan a la cátodo. En la recarga, el actual se ve obligado en la célula, revirtiendo el proceso. "Los electrodos suelen estar muy juntos, por lo que una película de polímero, llamado separador, evita el

4 contacto y un posible corto circuito. Un circuito de control externo se conecta a los electrodos, y comienza la reacción electroquímica. Los iones se mueven a través del electrolito y el separador Los electrones viajan a través del circuito externo, produciendo un flujo de carga complementaria a la corriente de iones. Durante la recarga, el actual se ve obligado en la célula, revirtiendo el proceso. Las formas varían ampliamente, desde los discos delgados apenas más grandes que una cabeza de alfiler hasta las de gran tamaño y alta potencia. La opinión de consenso en la industria del automóvil es que las baterías consistirán en grupos de hasta 100 células de gran formato de 20 a 50 amperios hora cada uno, con 50 milímetros de ancho y 200 mm de longitud, agrupadas en módulos, que incluyen sensores y electrónica. Los módulos de alimentación de datos a un sistema de gestión electrónica de la batería, que realiza la función crucial de permitir que las células de diversa potencia y tensión trabajen juntos como una unidad. La alternativa de Tesla, los envases de bajo costo de los miles de células, requiere mucho más sensores y software de control, sería práctico para el mercado de vehículos en masa. No hay un solo tipo de batería de iones de litio. Varios diseños compiten, cada uno con ventajas e inconvenientes. "No hay uno que hoy sea el perfecto", dice Klaus Brandt, el director ejecutivo de Gaia, una filial alemana de litio Technology Corp., de Plymouth Meeting, Pa. "diferentes tipos químicos compiten en diferentes nichos y varían en función de los costos, rendimiento y seguridad. El ánodo es normalmente hecho de grafito, pero el cátodo composición varía ampliamente, desde el diseño hasta la composición, y tanto como cualquier otro factor determina la capacidad de una batería. La característica fundamental es la velocidad a la que puede absorber el cátodo y emiten iones de litio libre; este parámetro, a su vez, determina en gran medida de la densidad de potencia. Cada empresa define los materiales catódicos y tiene una diferente combinación de costo, la durabilidad, la susceptibilidad a la temperatura, etc. Cobalto es más reactivo que el níquel o manganeso, lo que significa que ofrece un alto potencial eléctrico junto con ánodos de grafito, lo que permite mayor voltaje. Sin embargo, el cobalto, como el níquel, es caro. El manganeso es más barato, pero es ligeramente soluble en electrolitos-lo que significa una menor vida útil. Los actuales tipos de cátodo: Dióxido de cobalto es la opción más popular hoy en día para las pequeñas celdas. Ha estado en el mercado durante 15 años, por lo que se demuestra y se conocen sus costes. Tiene alto potencial eléctrico y la más alta densidad de energía-de hasta 600 Wh / kg. Por otro lado, cuando está totalmente cargada, es la más propensa de todas las alternativas de cátodo a la oxidación térmica y la posterior destrucción. Su impedancia, una medida de comportamiento contra una corriente alterna-también aumenta con el tiempo. Están siendo fabricados por decenas de empresas de China, Japón y Corea del Sur. Las de níquel-manganeso-cobalto son más fácil de hacer. La sustitución de níquel y manganeso por cobalto mejora el potencial eléctrico sólo ligeramente, pero es suficiente para permitir que los fabricantes ajustar la celda, ya sea de mayor potencia o de una mayor densidad de energía, pero no ambas al mismo tiempo. (Recuerde que el total de la energía determina la gama del vehículo, mientras que la potencia disponible determina su aceleración.). Es susceptible a la fuga térmica, aunque menos que el dióxido de cobalto. Su durabilidad a largo plazo todavía no está clara, y el níquel y el manganeso son caros, por el momento. Los fabricantes son, Hitachi, Panasonic y Sanyo. De níquel-cobalto-aluminio es similar, con un menor coste sustituye al aluminio manganeso. Las empresas que fabrican las células NCA incluyen Toyota y Johnson ControlsSaft, joint venture entre una empresa de Milwaukee y una empresa francesa. Óxido de manganeso celular ofrece más potencia a un costo inferior al cobalto, ya que sus tres dimensiones, estructura cristalina proporciona más superficie, que permita más flujo de iones entre los electrodos. La

5 desventaja es una densidad de energía sólo ligeramente mejor de 450 Wh / kg. GS Yuasa, LG Chem, NEC- Lamilion Energía, y Samsung ofrecen las células con esos cátodos. Fosfato de hierro puede ser la más prometedora, gracias a su estabilidad y seguridad. Esto es lo que está utilizando A123 en sus baterías. Otros fabricantes incluyen Gaia Valence y Tecnología, en Austin, Texas. El compuesto es barato, y porque los vínculos entre el hierro, fosfato, y átomos de oxígeno son mucho más fuertes que las existentes entre el cobalto y átomos de oxígeno, el oxígeno es mucho más difícil de separar. Por lo tanto, cuando falla, lo hace sin sobrecalentamiento. Estas células trabajan a un menor voltaje que las de cobalto, por lo que varias de ellos deben interconectarse conjuntamente para impulsar un motor. Esto significa que las baterías de fosfato de hierro necesitan más interconexiones y sensores para controlar el sistema. Una manera de evitar ese problema en A123 es el uso de nanoestructuras en el cátodo. Este método produce una mejor propiedad de poder y una vida útil más larga que las generaciones anteriores de células de fosfato de hierro, dice Andy Chu, investigador A123. Además, debido a que el espaciamiento de las dos fases está más cerca, el estrés físico de la celda se reduce, sobre todo en una profunda carga y descarga. Las células deben durar más tiempo. Una sombra se cierne sobre el fosfato de hierro, es la extensión de la cobertura de las patentes, labor realizada por el pionero investigador en el campo, John Goodenough, actualmente en la Universidad de Texas en Austin. A123 insiste en que su trabajo no viola las patentes. Gaia, por otra parte, compras los materiales de fabricación bajo licencia del titular de la patente. Una de las características de la falla pilas de litio-ion, es la cobertura del ánodo, se produce cuando una celda recargable de iones de litio, vierte mas electrones de lo que el ánodo puede absorberlos. Este problema puede ser causado ya sea por bajas temperaturas, lo que frenaría la velocidad de difusión, o por sobrecarga, lo que ralentiza la velocidad de absorción. Una de las funciones de trabajo del sistema de gestión es mantener bajo control la sobrecarga. A123 dice que sus ánodos de carbono combinan una alta tasa de carga proporcionados por graphitic con la larga vida de nongraphitic tipos. No se dan detalles de su propia formulación, diciendo solamente que es un ajuste fino de la estructura y tamaño de las partículas. Altair Nanotecnologías de Reno, realizan un acoplamiento estándar en ánodos placas de óxido de cobalto y cátodos de titanato de litio en vez de grafito. El cátodo no reaccionan con el oxígeno, y también permite cargas rápidas y dura mucho tiempo. Sin embargo, la densidad de energía, las primeras etapas de desarrollo es sólo la mitad de la norma cobalto células, y es un poco mejor que la de níquel-metal-hidruro de células. Basados en células de cobalto para PC portátiles, estimamos que pierden como 20 por ciento de su capacidad cada año, a partir de la fecha de fabricación. Que puede ser tolerable para teléfonos móviles y otros portátiles que se sustituyen cada tres o cuatro años, pero no para un coche, que se espera que dure 15 años. El Consejo de Recursos Atmosféricos de California requiere, que un tren de fuerza para vehículo dure durante 10 años o km con los componentes originales. GM ha dicho, por su parte, que espera baterías para su Volt concept car al final, con por lo menos ciclos de descarga completa. Eso es bueno, pero podría no ser lo suficientemente bueno. En un ciclo de carga-descarga por día, el paquete tendrá una duración de 11 años-aunque es raro el coche que funcione los 365 días del año durante una década. Peor aún, los encargados de la batería de iones de litio para autos, no tienen el lujo de invertir 10 años en pruebas. Mientras tanto, los diseñadores están sobredimensionando sus baterías para asegurarse de que el coche va a poder funcionar incluso, después de la degradación proyectada. Por supuesto, esta estrategia añade costos y peso.

6 EL VOLT: Grupo de diseñadores del Chevrolet Volt, un auto concepto híbrido que trabaja empresa de baterías, A123. Luego está el último obstáculo: el costo. Por el momento, baterías de 12 V plomo-ácido cuesta en EE.UU. $ 40 a $ 50 por kwh.. De níquel-cadmio y níquel-metal-hidruro, células para la electrónica portátil costará $ 350/kWh; células de iones de litio para el mismo mercado va por $ 450/kWh. Para mover a los vehículos híbridos, sin embargo, la más resistente de níquel-metal-hidruro baterías se dispara hasta cerca de $ 700/kWh. Eso es más del doble de los 300 dólares objetivo fijado por los mercados de batería avanzadas de litio-ion. Los fabricantes esperan alcanzar ese objetivo para el año 2015, pero en las primeras etapas de la producción el precio será probablemente varias veces superior. La política mundial juega un papel importante en algunos de esos costos, especialmente los precios de las materias primas. Litio no es un "metal estratégico," a diferencia de níquel-cuyo precio depende de la creciente demanda de acero inoxidable. En la actualidad, Chile y Argentina cubren la mayor parte del suministro mundial de carbonato de litio, pero Bolivia y China también tienen grandes reservas. La geografía importa de otro modo, A123 esta dando una ventaja: su sede y laboratorios de investigación están en los Estados Unidos. Los fabricantes de automóviles no quieren depender de un proveedor tan lejano. Las empresas europeas tienen la intención de alimentar sus vehículos con estas baterías en sus propios patios traseros, A123 está centrando sus esfuerzos de marketing y ventas en esas regiones. Y esto claramente ha empezado a dar sus frutos. A123 confía en que puede competir con los grandes. Es totalmente mundial, concentrando sus actividades de investigación y desarrollo en América del Norte y de fabricación en Asia. Ya Europa continental se basará en células A123 baterías. Entonces, como es el desarrollo? El objetivo sigue siendo el mismo: aumentar el poder de células más allá de los actuales 3,5 V, tan alta como permita la nanoestructura fosfato, mientras se trabaja hacia la vida de células más allá de los 10 años y ciclos de descarga completa. Si las células A123 pueden entregar el poder y la energía que las mejores variedades de cobalto con mucho menos riesgo de una fusión espontánea, la empresa podría desarrollar una gran participación en la rentable industria de componentes de automóviles. A123 no revelará los detalles de su I + D, por supuesto, pero ha dicho que espera nuevas mejoras significativas en la química y las estructuras moleculares. Gabriel González Barrios ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE