ENERGIA ALTERNA BATERIAS DE ION-LITIO. Universidad Mayor de San Andres Conferencia a llevarse a cabo el 9 de Octubre, Ing. Juan R.

Transcripción

1 ENERGIA ALTERNA BATERIAS DE ION-LITIO Universidad Mayor de San Andres Conferencia a llevarse a cabo el 9 de Octubre, 2014 Ing. Juan R. Cuba CONSULTOR PROFESIONAL EN PROCESOS QUIMICOS, ENERGIA Y TECNOLOGIA DEL AGUA

2 CONTENIDO Systemas Fotovoltaicos-Almacenaje de Energia Baterias de Ion-Litio: Introduction, diseno, construccion. Materia Prima Materiales de los componentes de bateria Eficiencia de carga y descarga Simulacion:Introduccion al Diseno de Baterias de Ion Litio: Otras baterias Conclusiones y comentarios.

3 USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS

4 USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS

5 USOS DE BATERIAS DE ION LITIO SYSTEMAS FOTOVOLTAICOS COMPONENTES TIPICOS

6 SISTEMA SIMPLE

7 SYSTEMA AUTONOMO

8 SYSTEMA AUTONOMO

9 SISTEMA AUTONOMO CON RESERVA

10 SISTEMA CONECTADO A LA RED

11 INDUSTRIA ELECTRICA

12 INDUSTRIA ELECTRICA

13 INDUSTRIA ELECTRICA

14 INDUSTRIA ELECTRICA

15 INDUSTRIA ELECTRICA

16 ALMACENAJE DE ENERGIAS

17 BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION

18 CELDAS ELECTROQUIMICAS

19 BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION Primera bateria Recargable Nuevas baterias recargables

20 BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION Como satisfacer los requisitos de la industria electronica, automotriz y de la red de almacenamiento a gran escala? Cual es el mayor impedimento a disenar mejores baterias? Que otros tipos de almacenaje de energia pueden ser utilizados?

21 CELDAS ELECTROQUIMICAS Cu e Cu: E 0 = V Zn e Zn: E 0 = 0.76 V Zn + Cu2+ Zn2++ Cu E 0 = V

22 CELDAS ELECTROQUIMICAS

23 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS CONSTRUCCION: Tres componentes funcionales. Anodo, Catodo, Electrolito.

24 CONSTRUCCION: Una bateria de Ion Li+, tiene tres componentes funcionales. El anodo, el catodo y el electrolito. El anodo es de carbon (grafito), aunque en algunas baterias se esta utilizando anodos de silicon. El catodo es un oxido del metal y el electrolito es una sal de Li en un solvente organico. El catodo es generalmente hecho de uno de los siguientes materiales: Una capa de oxido (tales como el Oxido de Cobalto y Litio), un polianion (tales como el Fosfato de Litio y Hierro), o un espinelo (tal como el oxido de manganeso y litio). El electrolito es tipicamente una mezcla de carbonatos tales como el carbonato de etileno o carbonato de dietilo, conteniendo complejos de iones litio. Estos electroltios no-acuosos generalmente utilizan sales anionicas no-coordinadas tales como el hexafluorofosfato de litio (LiPF6). heaxfluoroarsenato de litio mono hidratado (LiAsF6).H2O, perclorato de litio (LiClO4), tetrafluoroborato de litio (LiBF4), triflato de litio (LiCF3SO3). El voltaje, capacidad, periodo de vida y seguridad depende del matrial selecionado. Actualmente la nano tecnologia esta siendo utilizada para mejorar el rendimiento.

25 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS Las baterías vienen en una variedad de químicas y diseños. Baterías vienen en una variedad de diseños con una variedad de químicas, pero su anatomía básica y su operación son los mismos. Cada bateria consta de un electrodo positivo, un conductor ionico (electrolito) y un electrodo negativo, que reacciona para producir electricidad. Utilizando los principios fundamentales, se puede determinar el rendimiento teorico de estas celdas electroquimicas para hacer un buen diseno y construccion. Proveer energia para aplicaciónes que van desde cámaras digitales y teléfonos móviles, vehículos eléctricos y almacenamiento de la energía renovable, Baterías convierten la energía química en energía eléctrica para producir una corriente continua. Li + e Li 0

26 BATERIAS DE ION-LITIO INTRODUCCION Mas ventajas sobre otras tecnologías de baterías recargables. Altas densidades de energía (por lo general dos veces mayor que la de las baterías de NiCd) y altos voltajes de celda (3,6 V). Requieren poco mantenimiento. El ánodo se somete a oxidación, liberando electrones, mientras que el cátodo se reduce por los electrones. Los iones de litio se mueven entre los dos electrodos a través del electrolito, Existen ventajas y desventajas que hacen que esto sea imposible, Algunas baterías están diseñadas para alta potencia, otras para capacidad de alta energia, y así sucesivamente. Densidad de energía, Cantidad de electricidad que la bateria puede suministrar. Se rige por la eleccion del material del catodo. Densidad de potencia cuantifica la velocidad a la que una batería suministra corriente eléctrica, Depende de los materiales utilizados para el electrolito y ambos electrodos. los electrones viajan a un circuito eléctrico externo para cargar o alimentar un dispositivo. El electrolito es electrónicamente aislante Química y diseño de la bateria es funcion del rendimiento, densidad de energia, de potencia, seguridad, ciclo de vida, costo para la aplicación de interés. Seguridad se refiere principalmente a la estabilidad termica de los electrodos. A altas temperaturas el material de los electrodos se degradan en componentes que pueden reaccionar con un electrolito inflamable. Hay muchas maneras de que una batería falle, la mayoria de los componentes dentro la bateria influenciaran el cciclo de vida.

27 INDUSTRIA ELECTRICA OTRAS BATERIAS DE ION LITIO BATERIA LiFePO4: Llamada tambien bateria LFP,, utiliza la sal LiFePO4 como catodo. Utilizados en autos electricos. BATERIA LITIHIUM ION POLYMER: Abreviado como Li Poly, Li Polymer. La diferencia es que el electrolito de las sales de iones litios no estan en un solvente organico, sino en un polimero tales como el oxido de polietileno y el poliacrilonitrilo. BATERIA NANOWIRE: Esta bateria utiliza acero inoxidable cubierto con nano-alambres de silicon como anodo en vez del grafito. BATERIA LITHIUM AIR: Li-O bateria. Emplea un catodo donde el principio quimico es la reduccion con oxigeno formando un producto de descarga.

28 ESTRUCTURA BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS Cada electrodo constan de un material activo en forma de pasta o de recubrimiento sobre un colector de corriente de metal. La característica esencial del material activo es que sufre una reaccion electroquímica, o transferencia de carga, ren su interface con el ion conductor El material activo positivo (cátodo) se reduce por los electrones desde el circuito externo. El material activo negativo (ánodo) se oxida, liberando electrones que viajan a través del circuito externo. La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es el voltaje. El conductor de iones proporciona un medio para que los iones viajen entre los dos electrodos, pero no los electrones, ya que esta electrónicamente aislado. Los colectores de corriente conectadas a los electrodos proporcionan caminos para que los electrones viajan a los circuitos eléctricos externos. Las baterías se pueden clasificar como primaria o secundaria, y a veces se clasifican como acuosa o no acuosa. Una batería primaria se descarga una vez y se desecha. Mientras que una batería secundaria se puede recargar. + - Li + e Li 0 Baterías acuosas utilizan agua como el disolvente para la fase conductora de iones

29 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS ESTRUCTURA Baterías acuosas utilizan agua como el disolvente para la fase conductora de iones (por ejemplo, ácido sulfúrico), mientras que las baterías no acuosos utilizan líquidos orgánicos con sales disueltas (por ejemplo, hexafluorofosfato de litio en una mezcla de carbonato de etileno y carbonato de dimetilo), polímeros conductores de iones ( óxido de polietileno), o conductores de iones inorgánicos (oxinitruro de fósforo y litio, o conductores superiónicos de litio)..

30 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS QUIMICA Y DENSIDAD DE ENERGIA Densidad de energía Potenciales de reacciones electroquímicas Reacciones de inserción Energía libre de Gibbs de reacción

31 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS La densidad de energía gravimétrica teórico (ED) está dada por: EDgrav = 0 nf(epositivo-enegativo) Wequiv reactantes 0 La densidad de energía gravimétrica teórico de la oxidación de litio y un par de reducción de flúor se calcula a partir de la ecuación. 3 como EDgrav = C/mol (287 V -(-3.05 V)(1000g/Kg) = 6106 Wh/Kg (3600 s/h)(6.941 g/mol-19.0 g/mol) Un buen indicador de la reversibilidad de las cineticas de las baterias es el intercambio de densidad de corriente (A/m2), el cual es la cooriente fluyendo en el equilibrio cuando las reacciones de oxidacion y reduccion son llevadas a cabo a la misma velocidad

32 BATERIAS DE ION LITIO-PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA Un buen indicador de la reversibilidad de las cineticas de las baterias es el intercambio de densidad de corriente (A/m2), el cual es la cooriente fluyendo en el equilibrio cuando las reacciones de oxidacion y reduccion son llevadas a cabo a la misma velocidad La desviación del volaje de su valor de equilibrio se llama polarización, o sobrepotencial (n): n = E -E 0 El sobrepotencial esta relacionado a la velocidad neta de una reaccion de transferencia de carga por la ecuacion de Buttler Volmer Los coeficientes de transferencia de los electrodos quantifican la fraccion de energia electrica a traves la interface entre el electrodo y el ion conductor/

33 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA La ley de Ohm: Perdidas asociadas con transporte de carga. Separador de bateria es usado para soporte del conductor ionico, su porosidad y tortuosidad (t) es tomado en cuenta usando la ecuacion El efecto del transporte de masa sobre la velocidad carga o descarga debe ser considerado

34 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA ELECTROLITO: Transporte en el Electrolito: Electrolitos no acuosos utilizados en celdas de ion Li tienen bajas difusividades de sal (10E-6 cm2/s) y un numero de transporte de Litio de 0.4. este numero indica la fraccion de la carga neta transportada in el electrolito por el ion litio. Si el valor es <1 un gradiente de concentracion de sal se formara. La unica forma de operar baterias a velocidades utiles con electrolitos no acuosos es usar electrodos y separadores delgados (<100um, <30um), pero esto reduce significativamente la densidad de energia. El uso de electrolitos no acuosos introduce significantes preocupaciones de seguridad. ELECTRODOS Las limitaciones de transferencia de masa debido al transporte en fase solida pueden ser considerados. Coeficientes de difusion e fase solida estan alrededor de 10E-13 m2/s Para alcanzar significsntes densidades de energia volumetrica las cubiertas de los electrodos deben ser mas espesas que el separador y los colectores de corriente.

35 BATERIAS DE ION LITIO PRINCIPIOS BASICOS DISENO DE CELDA, CINETICA Y DENSIDAD DE POTENCIA Otros componentes Varios otros componentes además de los materiales del electrodo y el conductor de iones. Separadores Colectores de corriente Embalaje Aditivos

36 MATERIA PRIMA

37 BATERIAS DE ION LITIO - MATERIA PRIMA CONSIDERACIONES GENERALES

38 PRODUCCION, RESERVAS Y RESERVAS BASE EN EL MUNDO FUENTE: U.S.G.S.

39 BATERIAS DE ION LITIO - MATERIA PRIMA CONSIDERACIONES GENERALES Litio Carbon Grafito Aluminio Titanio Azufre Fosforo Manganeso Niquel Cobalto Silicio Cobre Vanadio Hierro

40 BATERIAS DE ION LITIO - MATERIA PRIMA CONSIDERACIONES GENERALES Litio principal elemento para las baterias de ion litio. Su normal abastecimiento debe garantizar la produccion de baterias Obtencion de Litio: The rocas mineralogicas y de salmueras grafito La estructura cristalina de capas de grafito proporciona canales de conductividad de dirección a través del cual fluyen los iones de litio. Esto hace que sea un material de ánodo ideal. cobalto Cobalto (en combinación con el níquel y el manganeso) es uno de los elementos metálicos de menor importancia en avanzadas químicas de la batería de iones de litio.

41 BATERIAS DE ION LITIO - MATERIA PRIMA PRODUCCION DE CARBONATO E HIDROXIDO DE LITIO DE MINAS DE SALMUERA RE-INJECCION DE LA SALMUERA AL SALAR POZOS DE SALMUERA LAGUNAS DE EVAPORACION SOLAR PLANTA DE CARBONATO DE LITIO LAGUNA DE SALMUERA DE LITIO LAGUNAS DE POTASIO ALMACENAJE DE SALES DE POTASIO PLANTA DE HIDROXIDO DE POTASIO PLANTA DE HYDROXIDO DE LITIO

42 BATERIAS DE ION LITIO - MATERIA PRIMA PRODUCCION DE CARBONATO DE LITIO DEL MINERAL ESPUDEMENO

43 BATERIAS DE ION LITIO CARGA/DESCARGA El voltaje de una celda individual esta determinada por la química de la batería. La corriente es una función de la velocidad de la reacción química en la batería, I (amp)se caracteriza por la resistencia equivalente en serie (ESR). Por la ley de Ohm, podemos ver que, para una tensión fija, la corriente es: I = V/ESR La capacidad de la batería se define como la cantidad de corriente que la bateria entrega en determinado tiempo. Amp-Hr es la cantidad de amperios que una batería puede producir por una hora o el número de horas que una batería puede producir un amperio. Por ejemplo, si una batería tiene un valor de 10 Ah (Amp-Hr), significa que puede proporcionar: 1 amperio durante 10 horas o 10 amperios durante 1 hora.

44 BATERIAS DE ION LITIO CARGA/DESCARGA La capacidad se define generalmente en standars C-tasa (velocidad de carga/descarga). La cual es la velocidad de carga/descarga (en amperios) que la batería proporcionará. Por ejemp C/2= 15 Amp, significa que la bateria se descargara en 30 horas.

45 BATERIAS DE ION LITIO CARGA/DESCARGA

46 BATERIAS DE ION LITIO EFICIENCIA CARGA/DESCARGA EFICIENCIA CULOMBICA: EC= QC/QD Eficiencia culómbica: Medida de la cantidad de la carga eléctrica que la bateria utiliza para producir trabajo. Se determina usando voltaje por que este es constante.

47 BATERIAS DE ION LITIO EFICIENCIA CARGA/DESCARGA Ineficiencia Culombica CIE = 1 - Qc/Qd Ciclos de las celdas a 60 C a diferentes velocidades La grafica muestra la eficiencia culombica de los ciclos de celdas de MoLi en funcion del tiempo a diferentes velocidades de carga/descarga. Las CIEs difieren por la misma cantidad como la diferencia es sus cambios ciclicos El tiempo es el principal parametro afectando la CE.

48 Como mejorar CE? Aditivos BATERIAS DE ION LITIO EFICIENCIA CARGA/DESCARGA Cada celda de Ion Litio contiene aditivos quimicos en los electrolitos para diferentes propositos Carbonato de vinileno, Carbonato de vinil-etileno: Menos oxidacion del electrolito sobre el electrodo positivo. Reductores de impedancia: Trimethoxyboroxine, 1,3 propane sultone Agentes mojantes: Ayuda al electrolito a mojar los electrodos (fosfato de trietilo) Carbonato de vinileno Trimethoxyboroxine Carbonato de vinil-etileno 1,3 Propane sultone Numerosos otros aditivos que rinden algun otro beneficio en la vida de la celda, rendimiento a baja o alta temperatura y seguridad. Fosfato de trietilo

49 BATERIAS DE ION LITIO EFICIENCIA CARGA/DESCARGA

50 BATERIAS DE ION LITIO EFICIENCIA CARGA/DESCARGA

51 MATERIALES DE LOS COMPONENTES DE LA BATERIA DE ION LITIO

52 BATERIAS ION LITIO

53 CATODOS

54 ANODOS

55 ANODOS

56 SEPARADORES: PROPIEDADES TIPICAS

57 DISENO Y OPERACION USANDO SIMULACION OBJETIVO: Mayores densidades de energia y mas larga vida de duracion Edificando la complejidad dentro el modelo de las celdas. Comenzar por lo mas simple Investigar las propiedades electroquimicas del sistema Obtener el cuadro completo del proceso

58 DISENO Y OPERACION USANDO SIMULACION Integrar el modelo de la bateria con otros fenomenos fisicos! Transporte de especies quimicas! Cinetica de las reacciones electroquimicas! Balance de corriente en los electrodos y en el electrolito.! Interfaces de la bateria! Flujo de fluido! Transferencia de calor Mathematical modeling of a lithium ion battery with thermal effects in COMSOL Inc. Multiphysics (MP) software

59 Mathematical modeling of a lithium ion battery with thermal effects in COMSOL Inc. Multiphysics (MP) software Balance de materia en el material activo solido Balance de materia electrolito binario en fase liquida Balance de carga en la fase solida Balance de carga en la fase liquida Flux de la pared poroza Balance de Energia

60 Mathematical modeling of a lithium ion battery with thermal effects in COMSOL Inc. Multiphysics (MP) software Balance de materia en el material activo solido Balance de materia electrolito binario en fase liquida Balance de carga en la fase solida Balance de carga en la fase liquida Flux de la pared poroza Balance de Energia

61 COMSOL 4.4 MULTIPHYSICS MODELS

62 COMSOL 4.4 MULTIPHYSICS MODELS

63 FIN