Baterías de Ni Hidruro Metálico. Baterías de ión-litio (LIBs) de LiCoO 2. Baterías LIB para la próxima generación de EVs

Transcripción

1 Desarrollo de Nuevas Baterías Bt para Vhí Vehículos José Manuel Amarilla Álvarez Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Consejo Superior de Investigaciones i Científicas Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos J.M. Amarilla Álva rez El Vehículo Eléctrico COIIM

2 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Esquema Introducción Baterías en los EVs actuales Baterías de Pb - Ácido Baterías de Ni Hidruro Metálico Baterías de ión-litio (LIBs) de LiCoO 2 Baterías LIB para la próxima generación de EVs Baterías LIB: C // LiMn 2 O 4 y derivados Baterías LIB: C // LiFePO 4 Líneas de evolución de las baterías LIBs 2

3 Actualmente, más de la mitad de la población mundial vive en grandes ciudades. Para 2050, se espera que el 80% de la población mundial viva en grandes urbes. J.M. Am marilla Álvarez El Veh hículo Elécttrico COIIM M Desarrollo o de las Nu uevas Bateerías para V Vehículos Contaminación en las Grandes Ciudades Madrid ~ 6 millones París T-3 México DF ~ 20 millones ~ 11 millones

4 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Electrificación del Transporte : Diferentes Tecnologías de Vehículos (Evs) HEVs PHEVs Plug in BEVs 400 Km D Km

5 Características de los Evs dependientes di de las Bt Baterías Autonomía. Tiempo de recarga. Aceleración. Precio. Impacto medioambiental Kg kwh 5 Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos J.M. Amarilla Álva rez El Vehículo Eléctrico COIIM

6 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Qué es una Batería? Una batería es un dispositivo capaz de almacenar electricidad en forma de energía química. Esta energía, contenida en los electrodos, la puede transformar directa y espontáneamente en energía eléctrica mediante reacciones de electroquímicas de oxidación-reducción 6

7 Cómo Es y como Funciona una Batería? E post. E neg. Li + Li + Potencial (V), Capacidad (AhKg 1 ), Energía especifica (WhKg 1 ), Número de ciclos 7 Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos J.M. Amarilla Álva rez El Vehículo Eléctrico COIIM

8 marilla Álvarez El Veh hículo Elécttrico COIIM M J.M. Am o de las Nu uevas Bateerías para V Vehículos Desarrollo REVA I, el Coche Eléctrico (BEV) Urbano mas Vendido del Mundo Ficha Técnica : Autonomía : de 65 a 80Km 80Km. Velocidad máxima : 80Km/h Potencia : 13kW (18CV). Tipo de batería : 8 baterías Pb-Ácido. 48V, 195 Ah y 9.4 kwh Tiempo de carga : 8h (enchufe 230V, 230V 16A) Tiempo de carga rápida : 2.5h el 80% Consumo : 1 cada 100 km Número ciclos : ciclos Precio : desde Eur 8

9 Baterías de Plomo Ácido para EVs Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Reacción electroquímica : carga* 2Pb(SO 4 ) + 2H 2 O Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 descarga E nominal = 2V, Q teor = 83AhKg 1, Energía= 166 Whkg 1 Ventajas: * Reacción carga izq. der. Batería recargable con mas bajo coste. Tecnología muy contrastada. Limitaciones: Electrolito : H 2 SO 4 (37 %peso) Baja energía específica (10 35 Whkg 1 ). Moderado número de ciclos de vida para profundidades de descarga elevadas ( ciclos). Presencia de compuestos tóxicos. 9

10 Baterías de Ni Hidruro Metálico Vhí l Híb id Toyota Prius 1 Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos rez El Vehículo Eléctrico COIIM M para Vehículos Híbridos Toyota Prius 2 Toyota Prius HEV (2005), - 1 millón Prius en J.M. Amarilla Álva

11 J.M. Am marilla Álvarez El Veh hículo Elécttrico COIIM M Desarrollo o de las Nu uevas Bateerías para V Vehículos Baterías Ni MH del Toyota Prius 3 Especificaciones Técnicas : Tensión nominal : 201.6V (168 celdas x 1.2V) N Numero de d Módulos Mód l : 28 (6 celdas) ld ) Capacidad: 6.5 Ah Energía : kwh Peso : 45 kg Energía específica : 28.9 Whkg 1 Potencia máxima : 27 kw. 9 Reducción de la contaminación de hasta un 30%. Panasonic 11

12 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Baterías de Níquel Hidruro Metálico para HEVs Reacción electroquímica : carga M + x Ni(OH) 2 MH x + x NiOOH descarga E nominal = 1.2V, Q teór = 165 Ahkg 1 ;W= 198 Whkg 1 Electrolito : KOH (6M) Ventajas: Notable aumento de la energía especifica respecto bt baterías Pb ácido áid (de 35 Whkg 11 a 80Whkg 11 ). Reducción del impacto medioambiental por la eliminación del cadmio y no utilizar plomo. Limitaciones: Moderadas prestaciones electroquímicas para elevadas intensidades de corriente. Moderado número de ciclos de vida ( ). 12

13 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Ficha técnica Motor eléctrico : 288CV (215kW) Aceleración de Km/h : 3.7 sg. Velocidad máxima: 200 Km/h. Autonomía (idd/ (ciudad/autopista) i : 365 Km Roadster Baterías (TH!NK) 6831baterías Li ion ion formato 18650conectadas enla configuración (11S 9S 69P). Almacena 53kWh a 375 V Densidad de energía : 117 WhKg 1 Tiempo de recarga : 3h y media con el cargador rápido. Tiempo de vida : 5 años o 80000km retiene 70% de su capacidad. Precio :

14 marilla Álvarez El Veh hículo Elécttrico COIIM M J.M. Am o de las Nu uevas Bateerías para V Vehículos Desarrollo Sistema de Baterías de Ión Litio 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 g específica: p Whkgg 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)) 6831 pilas ordenador (18650) 11 Módulos 14

15 Ventajas de las Baterías de Ion Litio (LIB) Elevado voltaje. Alta densidad dd de energía. Año 2009: 223 Whkg 1 1 y 620 Whl 1 1 Ni MH Ion Li E = 1.2 V E 4 V Guía del Vehículo Eléctrico.pdf 15 Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos J.M. Amarilla Álva rez El Vehículo Eléctrico COIIM

16 Batería de Ión Litio: C // LiCoO 2 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Reacción electroquímica global : carga 6C + LiCo 4+ O 2 LiC 6 + Co 3+ O 4 descarga Voltaje: 3.8V, Q teor. = 158Ahkg 1, Energía= 600Whkg 1 Grafito LiCoO 2 Limitaciones : Coste elevado. Problemas de seguridad en sobrecarga. Perdida de ciclabilidad para ΔLi + >0.5 (Q rev., LiCoO2 = 157 AhKg 1 ). Moderado impacto medioambiental. Líneas de investigación : Dopado con metales de transición. Nuevas fases LiM yco 1 yo 2 Búsqueda de nuevos materiales de electrodo. Cátodos derivados del LiMn 2 O 4. Cátodos derivados del LiFePO 4.

17 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Baterías LIBs para la Nueva Generación de Vehículos : C // Nuevo Cátodo Baterías LIBs basadas en la espinela LiMn 2 O 4 M Vehículos : C // Nuevo Cátodo 6C + LiMn 3+ Mn 4+ carga O 2 LiC 6 + 2Mn 4+ O descarga 4 Voltaje: 4 4.5V, Q teor. = 106Ahkg 1, Energía= Whkg 1 Baterías LIBs basadas en el fosfato LiFePO 4 carga 6C + LiFe 2+ PO 4 LiC 6 + 2Fe 3+ PO 4 descarga Voltaje: 3.3V, Q teor. = 117Ahkg 1, Energía= 385Whkg 1 teor. Ventajas vs Batería LIB C//LiCoO 2 : Menor coste. Mayor seguridad. Menor impactomedioambiental.

18 J.M. Am marilla Álvarez El Veh hículo Elécttrico COIIM M Desarrollo o de las Nu uevas Bateerías para V Vehículos Sistema de Baterías de Ión Litio del Plug in HEV Plug in HEV Chevrolet Volt Especificaciones Técnicas : Tensión nominal: 300V Número de Módulos : (220 celdas) Capacidad: Energía: 16 kwh Peso: 181 Kg Energía específica: 88.4 Whkg 1 Ti Tiempo d de recarga : 6h ((+ motor térmico). é i ) Tiempo de vida: estimado en 10 años Autonomía: 65 Km (+ 950 Km térmico) Compact Power 18

19 Cómo se pueden mejorar las Baterías LIBs? Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Líneas de Desarrollo Futuro Abaratamiento de costes. Aumento de la energía específica. Mejora de la seguridad. d Aumento del dltiempo de vida. Reducción del tiempo de carga. Reducción del impacto medioambiental. 19

20 Desarrollo o de las Nu uevas Bate erías para Vehículos rez El Veh hículo Eléct trico COIIM J.M. Am marilla Álva Prestaciones Electroquímicas de la Batería LIB: Li 4/3 Ti Voltaje (V) Ti 5/3 O 4 // LiCr 0.2 Ni 0.4 Mn 1.4 O MRt = Energia= 124 WhKg C Rate 280th Capacidad descarga (mah/g-masa total) el cátodo o Cap pacidad d (mahg -1 ) en descarga O 4 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)

21 21 Desarrolloo de las Nuevas Baterías para Vehículos J.M. Amarilla Álva rez El Vehículo Eléctrico COIIM