Eléctricos. José Manuel Amarilla Álvarez. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Consejo Superior de Investigaciones Científicas

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1 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos José Manuel Amarilla Álvarez Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Consejo Superior de Investigaciones Científicas Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

2 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 // LiCoO 2 (baterías LIB-LCO) Batería LIB: C // LiMn 2 O 4 (baterías LIB-LMS) Batería LIB: C // LiFePO 4 (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 2

3 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011) 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

4 Electrificación del Transporte : Diferentes Tecnologías de Vehículos Eléctricos (Evs) HEVs PHEVs Plug in BEVs 400 Km D Km Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

5 de los Vehículos Eléctricos (Evs) Autonomía. Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Las Baterías, el Nudo Gordiano Aceleración. Tiempo de recarga. Seguridad. Impacto ambiental. Precio. 5

6 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011) Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías de Ión-Litio (LIBs) para la Primera Generación de Vehículos Eléctricos Avanzados 6

7 Elevado voltaje Alta energía específica Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ventajas de las Baterías de Ion Litio (LIBs) Año 2009: 223 Whkg 1 y 620 WhL 1 Ni MH E = 1.2 V Ion Li E 4 V Ni MH Li ion 7 Guía del Vehículo Eléctrico.pdf

8 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos 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). Ventajas de las Baterías de Ion Litio Guía del Vehículo Eléctrico.pdf 8

9 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Electroquímica de la Batería de Ion Litio: C//LiCoO 2 La multinacional Sony comercializó la primera batería LIB en 1992 Reacciones Electroquímicas : Electrodo Positivo Electrodo Negativo Esquema de la Batería : com LiCo 3+ Carga O 2 Li 1-x Co 4+ Co 3+ O 2 + xli + + xe - x 1-x Descarga C + xli + + xe - Carga Descarga carga Li + Li + Li x C descarga (+) LiCoO 2 Mat. Carbonoso (-)

10 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011) Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Funcionamiento de la Batería LIB: C//LiCoO2 Epost. Li1 xcoo2 Eneg. Li+ Li+ Li+ Grafito 10

11 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos C//LiCoO 2 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: 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 Sistema de Baterías de Ión Litio 6831 pilas ordenador (18650) 11

12 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Líneas de Evolución en Baterías LIBs: C // LiCoO 2 Limitaciones Coste elevado. Moderado impacto medioambiental. Problemas de seguridad en sobrecarga. Perdida de ciclabilidad para Li + >0.5 (Q rev., LiCoO 2 = 157 AhKg -1 ). Líneas de investigación : Sustitución con metales de transición. Síntesis de nuevas fases de formula general LiCo 1-y-z M1 y M2 z O 2 Búsqueda de nuevos materiales de electrodo positivo. Cátodos derivados del LiMn 2 O 4 Cátodos derivados del LiFePO 4

13 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías LIBs para la Primera Generación de Vehículos Eléctricos: C // LiMn 2 O 4 6C + LiMn 3+ Mn 4+ carga O 4 LiC 6 + 2Mn 4+ O descarga 2 Voltaje: 4-4.5V, Energía teor = Whkg -1 Ventajas de las espinelas LiMn 2 O 4 y derivados Alto potencial redox (4V a 4.7V). Elevada experiencia industrial en compuestos de manganeso. Bajo impacto medioambiental. Reducido coste.

14 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Limitaciones del electrodo de LiMn 2 O 4 : 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 LiMn 2 O 4 con una elevada ciclabilidad y con una rápida cinética de reacción. Metodología : Síntesis de espinelas de LiMn 2 O 4 dopadas con metales de transición (Cr, Co, Ni) y con tamaño de partícula nanométrico. Desarrollos en baterías C//LiMn2O4

15 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos (coiim_2011)ciclabilidad de Nanoespinelas LiCrYMn2 YO4 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico Capacidad en descarga (mahg -1 ) LiM n 2 O 4 (Comercial) Y= 0.1 Y= % 99.98% 99.5% T = 700ºC, 1h Tamaño de partícula = 45 nm < J = 2.5mAcm 2 (C), 3.4 V < E(V) < 4.4 V Número de ciclos Resultados de J.M. Amarilla et col., ICMM CSIC

16 Sistema de Baterías de Ión-Litio Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos del Plug-in -HEV Chevrolet Volt Especificaciones Técnicas : Química: C // LiMn 2 O 4 -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 16

17 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Baterías LIBs para la Nueva Generación de Vehículos Eléctricos: C // LiFePO 4 En 1997, Goodenough et al. demostraron la aplicabilidad del LiFePO 4 como cátodo de LIBs 6C + LiFe 2+ carga PO 4 LiC 6 + 2Fe 3+ PO descarga 4 Voltaje: 3.3V, Energía teór = 385Whkg -1 Ventajas del Fosfato LiFePO 4 y Derivados Alta ciclabilidad (> 2000 ciclos). Elevada estabilidad estructural. Mayor seguridad. Bajo impacto medioambiental. Reducido coste.

18 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Limitaciones del LiFePO 4 en LIBs Baja conductividad electrónica ( =10-9 S/cm). Lento coeficiente de difusión de iones Li + (D= cm 2 /sg ). Moderado potencial redox (E = 3.44V ). Tecnología LIB con menor madurez. Líneas de investigación Recubrimiento de las partículas de LiFePO 4 con materiales de alta conductividad electrónica. Aumento de la conductividad electrónica por dopado. Diseño y desarrollo de métodos de síntesis de LiFePO 4 nanométrico. 18

19 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011) 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 19

20 Búsqueda de Nuevos Materiales Anódicos para LIBs más Seguras < 20 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

21 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Prestaciones Electroquímicas de la Batería LIB: Li 4/3 Ti 5/3 O 4 // LiCr 0.2 Ni 0.4 Mn 1.4 O 4 Voltaje (V) Energia= 124 WhKg -1 1C Rate MRt = th Capacidad descarga (mah/g-masa total) Capacidad del cátodo en descarga (mahg -1 ) Retención > 90% tras > 1000 ciclos de carga/descarga J.M. Amarilla y col. Instituto de Ciencia de Materiales CSIC Número de ciclos JM Amarilla, D. Tonti Vehículos híbridos y eléctricos. Monografías ASEPA (2009)

22 J.M. Amarilla Álvarez Estado del Arte del Vehículo Eléctrico (coiim_2011) Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Búsqueda de Nuevos Materiales Anódicos para LIBs de Alta Energía MOx 22

23 Mas allá de las Baterías de Ión-Litio, Baterías Recargables Basadas en Ánodos de Litio Metálico 23 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

24 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Ventajas de los Ánodos Basados en Litio Metálico Reacción electroquímica : Li 0 Li + + e - Capacidad 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)

25 Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos Reacciones electroquímicas : descarga Electrodo negativo: Litio metálico Electrolito : Sal de litio disuelta en un disolvente orgánico aprótico Electrodo positivo : Material de carbono poroso con un catalizador soportado Li 0 Li + + 1e - (reacción anódica) 2 Li + + O 2 + 2e - Li 2 O 2 (reacción catódica) carga Electroquímica de una Celda de Li-Aire Energía específica teórica = 3623 Whkg -1 (incl. O 2 ) ; Voltaje = 2.96V 25

26 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 % en los prototipos actuales. Mejorar la Ciclabilidad. Se han demostrado 50 ciclos. Desarrollar baterías seguras. 26

27 Líneas de Evolución de las Baterías Recargables de Litio Cátodo: Mejorar LCO, LMS y LFP, silicatos, fluoruros Ánodo: Mejorar C, TiO x, LTO, MO x SnO, compuestos de Si, aleaciones Cátodo: LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiFePO 4 Ánodo: Grafito 27 Coches Eléctricos, Baterías Recargables y Medio Ambiente J.M. Amarilla Álvarez Universidad Complutense de Madrid

28 Departamento de Energía, Medio Ambiente y Tecnologías Sostenibles Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Dr. José Manuel Amarilla Álvarez T-28 Tfn: , e mail : Baterías Recargables de Litio para Vehículos Eléctricos

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