Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio Iñigo Gandiaga CASTELLÓN 28/06/2016

ÍNDICE IK4-Ikerlan Baterías de ion-litio Características principales Tipos de baterías de ión litio Degradación de baterías de ión litio Experiencias industriales Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 2

SOBRE IK4-IKERLAN IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO De carácter privado, con vocación de servicio público, y sin ánimo de lucro. Referente en la transferencia de tecnología a la industria. Creado el año 1974, en el seno de la actual Corporación MONDRAGON. Miembro de IK4 Research Alliance. IK4-IKERLAN Investigación Desarrollo Industrialización Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 4

SOBRE IK4-IKERLAN INVESTIGACIÓN IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO UNIVERSIDAD IK4-IKERLAN Educación Superior Investigación Desarrollo Industrialización Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 5

SOBRE IK4-IKERLAN APLICACIÓN IK4-IKERLAN CENTRO TECNOLÓGICO UNIVERSIDAD IK4-IKERLAN EMPRESAS Educación Superior Investigación Desarrollo Industrialización Aplicación Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 6

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Diagrama de Ragone: -Densidad energética vs potencia Fuente: www.superlib.eu Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 8

GWh SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Mercado mundial de baterías 1990-2015: -Baterías de ión litio: mayor crecimiento e inversiones por parte de la industria -En el año 2000 el mercado de las baterías de ión litio estaba enfocado a la electrónica de consumo -Actualmente existen nuevas aplicaciones que suponen el 40% del mercado (automoción, industrial, integración de renovables, ) Año 2000 Año 2014 Fuente: C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 9

GWh GWh SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Mercado mundial de baterías 1990-2015: -Baterías de ión litio: mayor crecimiento e inversiones por parte de la industria -El ácido plomo continua siendo la tecnología más utilizada (90% del mercado) Fuente: C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 10

Principales características de las baterías de ión litio: Ion-Litio Plomo Ácido Eficiencia (1C - 0.10C) 90% - 99 % 60 % - 90 % Energía específica 100 Wh/kg - 30 Wh/kg - 300 Wh/kg 50 Wh/kg Potencia específica 300 W/kg - 150 W/kg - 1800 W/kg 200 W/kg Rango de temperaturas -30ºC 60ºC -5ºC 40ºC Ciclos de vida (80% DOD) 1000 8000 500 2000 Vida en almacenamiento 5 años - 5 años - 20 años 15 años Coste de energía 300 / kwh - 60 / kwh - 1000 / kwh 250 / kwh SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 11

Principales características de las baterías de ión litio: SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO Ion-Litio Eficiencia (1C - 0.10C) 90% - 99 % Energía específica 100 Wh/kg - 300 Wh/kg Potencia específica 300 W/kg - 1800 W/kg Rango de temperaturas -30ºC 60ºC Ciclos de vida (80% DOD) 1000 8000 Vida en almacenamiento 5 años - 20 años Coste de energía 300 / kwh - 1000 / kwh Formato/diseño de batería Química Fabricante Modo de uso/funcionamiento Necesidad de electrónica asociada Coste???? Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 12

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO Coste de un sistema de almacenamiento de ión litio: -El coste de las celdas es menos del 50% del coste del sistema de almacenamiento -En los próximos 5 años se espera una bajada del precio de las baterías de ión litio Fuentes: -C. Pillot, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2014-2015, AABC 2016, January 25-28 2016, Mainz, Germany -Lux Research Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 13

BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Formato/Diseño de baterías: Celdas cilíndricas: -Diseño muy maduro y estandarizado -Baja densidad energética en pack de baterías -Comparativamente menor precio ( / KWh) -Fabricantes: Saft, Samsung, Sanyo-Panasonic, LGChem Celdas Prismáticas: -Facilidad de montaje en pack de baterías -No existe un formato estándar -Fabricantes: Samsung, Maxell, Toshiba, GSYuasa, Celdas Pouch: -Alta densidad energética -Buenas prestaciones térmicas -Sobrecoste del pack de baterías -Fabricantes: Kokam, Leclanché, LGChem, ATL Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 15

BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Densidad energética de baterías de ión litio: Otros factores a tener en cuenta: Coste Seguridad Vida útil Ciclabilidad Fuente: M. Rosina, Stationary Storage and Automotive Li-ion Battery Packs, 2016, Yole Development Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 16

BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Materiales activos en baterías de ión-litio: Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 17

BATERÍAS DE IÓN LITIO TIPOS DE BATERÍAS Materiales activos en baterías de ión-litio: Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 18

V(V) DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Degradación de baterías de ión litio: -Los parámetros mas importantes que dependen del envejecimiento de las baterías son: Perdida de capacidad: -Disminución de la energía disponible reducción de autonomía Incremento de resistencia interna: -Perdida de prestaciones de potencia -Aumento del calor generado perdida de eficiencia y aceleración del proceso de degradación 4.2 Capacity fade (Tenergy 10Ah) 50 ciclos 4 100 ciclos 150 ciclos 200 ciclos SOC T t DOD C-rate Ah 3.8 3.6 3.4 250 ciclos 300 ciclos 350 ciclos 400 ciclos 450 ciclos 500 ciclos 550 ciclos 600 ciclos 650 ciclos 700 ciclos 3.2 750 ciclos 800 ciclos 850 ciclos 3 900 ciclos 950 ciclos 1000 ciclos 2.8 New 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Capacity (Ah) Data source: Ikerlan 2011 Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 20

DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto del almacenamiento (SOC y temperatura): -En muchas aplicaciones la batería está la mayor parte del tiempo en reposo (por ejemplo, EV aparcado el 95% del tiempo) -Dentro del rango de 15-30ºC y SOC entre el 15-85 % es posible superar los 10 años de vida SOC T t Fuente: FP7-2013-GC-Materials. Grant agreement no: 608931 Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 21

DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto del almacenamiento (SOC y temperatura): -El efecto de los factores de estrés varía en función de la química utilizada SOC T t Influencia de la temperatura (30, 45, 60⁰C) y SOC (30, 65, 100%) Saft VL6P Cylindrical-7Ah A123 Cylindrical-2.3 Ah Kokam Pouch-12Ah LG Chem Pouch-7Ah Lifebatt Cylindrical-8Ah Fuente: Simcal Project Lifebatt Cylindrical-15Ah Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 22

DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la profundidad de descarga: (DOD, Depth of Discharge) DOD C-rate Ah -Relación exponencial con el número de ciclos en operación, siendo la vida más corta (en término de números de ciclos) cuanto mayor es el DOD. Fuente: -E. Sarasketa-Zabala et al., Cycle ageing analysis of a LiFePO4/graphite cell with dynamic model validations: Towards realistic lifetime predictions, J. Power Sources 275 (2015), 573-587 Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 23

FEC DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la profundidad de descarga: (DOD, Depth of Discharge) DOD C-rate Ah -Relación exponencial con el número de ciclos en operación, siendo la vida más corta (en término de números de ciclos) cuanto mayor es el DOD. -En función de su rendimiento operativo, teniendo en cuenta los Ah totales cargados y descargados -Información indispensable para realizar un dimensionado adecuado del sistema de baterías DOD Fuente: -E. Sarasketa-Zabala et al., Cycle ageing analysis of a LiFePO4/graphite cell with dynamic model validations: Towards realistic lifetime predictions, J. Power Sources 275 (2015), 573-587 -M. Ecker et al., Calendar and cycle life study of NCM-based 18650 lithium-ion batteries, J. Power Sources 248 (2014) 839-851 Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 24

DEGRADACIÓN DE BATERÍAS DE IÓN LITIO Efecto de la velocidad de carga/descarga: (C-rate, corriente de carga/descarga de la batería normalizado a la capacidad de la misma) DOD C-rate Ah -El C-rate es un factor de degradación muy importante en baterías con ánodo de grafito, en cambio su efecto puede ser despreciable en las baterías con ánodo de LTO. -La velocidad de carga puede llegar a ser un factor crítico -Por otro lado, a mayor corriente mayor calentamiento de la batería, lo que también acelera la degradación del sistema Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 25

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO IÓN LITIO RESUMEN: -El ión litio se está consolidando como la principal solución de almacenamiento electroquímico: Alta densidad energética y de potencia Muy buena ciclabilidad y vida en almacenamiento X Coste X Estandarización -Las características y coste de las baterías de ión litio varían (mucho) en función de: Formato/diseño de batería Química Fabricante -Modo de uso/funcionamiento es un factor clave en la vida de las baterías de ión litio: La degradación durante el almacenamiento (sin ciclado) puede ser el principal factor de envejecimiento el función del SOC y temperatura El DOD y el rango de SOC utilizado son factores muy importantes en la ciclabilidad de las baterías Almacenamiento electroquímico con baterías de ión litio 26

EXPERIENCIAS INDUSTRIALES SISTEMA DE ALMACENAMIENTO PARA ASCENSORES FUNCIONALIDADES TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO Reducción de potencia Rescate autónomo Incremento de la eficiencia Supercondensadores Ión litio Ácido plomo NiMH PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) Selección y estimación de vida de baterías -Diseño y desarrollo del pack de baterías (BMS, sistema de refrigeración y AC/DC) -Integración y validación del sistema 28

EXPERIENCIAS INDUSTRIALES ESS PARA TRANVIAS Y AUTOBUSES FUNCIONALIDADES TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) Reducción de potencia Incremento de eficiencia Operación sin catenaria (Tram) Reducción del consumo de combustible (Bus) Supercondensadores Ión litio Sistemas híbridos -Selección de baterías -Estimación de vida de baterías en función del modo de operación -Diseño y desarrollo del pack de baterías (BMS, sistema de refrigeración y DC/DC) -Integración y validación del sistema -Gestión térmica y eléctrica del vehículo 29

EXPERIENCIAS INDUSTRIALES PACK DE BATERÍAS PARA VEHICULO ELÉCTRICO LIGERO FUNCIONALIDADES Reducción del consumo de combustible Reducción de la contaminación TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO Ión litio PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) -Selección de baterías -Estimación de vida de baterías -Diseño térmico y mecánico del pack de baterías -Integración y validación del sistema 30

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA PARA PV EXPERIENCIAS INDUSTRIALES FUNCIONALIDADES Planta de energía controlable Integración de PV Integración de renovables TECNOLOGÍA DE ALMACENAMIENTO Batería comercial de ión litio (1 MW) PRINCIPALES TAREAS DE IK4-IKERLAN (Ión litio) -Definición de especificaciones para batería de ión litio de alta potencia -Especificaciones y selección de convertidor DC/AC -Integración del algoritmo de control en la planta fotovoltaica 31

Gracias! Gràcies! Eskerrik asko! igandiaga@ikerlan.es www.ikerlan.es IKERLAN Polo Garaia C/ Goiru, 9 20500 Arrasate-Mondragón IKERLAN Unidad de energía Parque tecnológico de Álava, C/ Juan de la Cierva, 1 01510 Miñano ORONA IDeO - Innovation city Pol. Industrial Galarreta, Parcela 10.5, Edificio A3 20120 Hernani IKERLAN Pº. J. Mª. Arizmendiarrieta, 2 20500 Arrasate-Mondragón Tel.: 943 71 02 12 Fax: 943 79 69 44 Tel.: 945 29 70 32 Fax: 943 79 69 44 Tel.: 943 71 24 00 Fax: 943 79 69 44 Tel.: 943 71 24 00 Fax: 943 79 69 44