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INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS ECOLOGICOS Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona UMSA-UTB-EMACOM INGENIERIA 2010

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  • INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS ECOLOGICOS Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona UMSA-UTB-EMACOM INGENIERIA 2010
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  • SIGNIFICADO DE LAS BATERIAS LITIO Las bateras de litio ( BL ) fueron lanzadas masivamente hace ms de 10 aos, 1998 Sin BT los dispositivos porttiles habran permanecido como en forma de ladrillos I&D&In uni investigacin electroqumica de USA con empresa japonesa Progenitor fue el Mvil Senator 82 Nokia como un conjunto de bateras con 9,8 kg
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  • BL ACTUALES EN DISPOSITIVOS PORTATILES ( cmaras, computadoras ) Hoy un telfono mvil pesa 100 gr.debido al avance de la tecnologa de bateras Debido especialmente a la llegada de las bateras de iones de litio ( BIL ) recargable Estas BIL son los caballitos de batalla de la revolucin digital actual Estas BIL pequeas y livianas pueden almacenar ms energa en menos espacio
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  • COMPARACION DE BATERIAS Un mvil moderno funciona varios das con BIL tamao de 10 tarjetas personales Una batera Ni metal hidruro de capacidad similar pesa y tiene un tamao doble Igualmente otras de Ni-Cd y de cido Pb BIL no sufre efecto memoria de la batera Existe prdida de capacidad cuando se recarga la batera sin que se haya descargado totalmente
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  • DEL LABORATORIO AL USO COMERCIAL Las BL recargables tienen reacciones electroqumicas en los electrodos (bornes + -) La batera se carga con aplicacin de corriente elctrica que la pone en estado de alta energa Mientras se descarga ( la reaccin electroqumica opera a la inversa ) liberando energa y retornando la batera al estado de descarga y al nivel de baja energa
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  • LITIO TIENE ATRACTIVO PARTICULAR El litio ( Li ) es el metal ms electropositivo, significa que se puede hacer bateras con voltajes ms altos (4 voltios) en los bornes El Li es metal ms liviano y almacena 3.860 amp/hr de carga por kg peso, comparados con 260 del metal Pb, por ejemplo. La BL posee alta densidad de energa y puede almacenarse gran cantidad envasada Por eso alimentan envases chicos y livianos en relojes, implantes mdicos, calculadoras, etc., desde los 70. Pero no eran recargables.
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  • TRANSITO A BATERIAS RECARGABLES En 1972 Exxon us sulfuro de titanio como electrodo positivo y litio metal como negativo El sulfuro de titanio es una sustancia con estructura cristalina en capas ( intercalacin ) O sea, ste puede absorber otras partculas La descarga genera tomos cargados (iones) de litio, alojndose en el entramado a travs de un electrolito, liberando energa. La recarga provoca que los iones de litio se desplacen y re-adhieran al electrodo negativo
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  • DESVENTAJAS DE LAS BL La desventaja de las BL es que luego de sucesi-vos ciclos el litio se adhiere en forma dentrtica Este litio dentrtico irregular causa explosiones Este problema nunca fue resuelto segn el Berkeley Laboratory de California Al reemplazar el electrodo negativo con una aleacin de Li-Al se redujo el riesgo de explosin, pero la batera se volvi menos eficiente y con menor vida til
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  • NUEVO ENFOQUE EXITOSO HACIA LAS BIL ( BATERIAS DE IONES LITIO, IL ) Fines 80s se adopt un segundo compuesto de intercalacin para albergar los iones de litio ( IL ) del electrodo negativo Con esto los IL se desplazaban entre los dos compuestos de intercalacin, liberando energa en una direccin y absorbindola en la otra Esta tcnica de ida y vuelta fue conocida como mecedora rocking chair, y permiti disear bateras ms seguras que las anteriores
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  • DECADA EXITOSA DE LOS 90 En 1990 John Goodenough, Universidad Texas, descubri una nueva familia de compuestos de intercalacin ( xidos de Mn, Co, Ni ) Sony lanz la primera batera comercial BIL en 1991, mecedora, que usaba xido de Li-Co como e-positivo y grafito ( C ) como e-negativo Cargar hace que iones litio salgan del entramado de xido de cobalto y se deslicen entre las capas de los tomos de carbono ( en el e-grafito ), con un estado de mayor energa potencial
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  • MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LAS BIL Descargar la BIL provoca que los iones litio regresen liberando as energa en el proceso Por su versatilidad las BIL son muy usadas, y as el Dr. Goodenough recibi el Japan Prize Descargar o almacenar demasiados iones litio provoca formacin de partculas de litio, con posibles consecuencias peligrosas Se usa un polmero poroso que se funde si se sobrecargara la batera y la apaga evitando el transporte de los iones de litio Un cargador inteligente con software especial evita la sobrecarga y por tanto son comunes actualmente
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  • GRAFICO DE FUNCIONAMIENTO DE BIL
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  • MEJORAS Y COSTOS MAS BAJOS Reemplazo del electrolito lquido por un separador poroso humedecido con gel Tambin se usa electrolito de polmero slido que debe ser muy angosto para competir Estas mejoras se hacen evidentes en nuevos diseos ms planos y angostos, pudiendo unirse la batera directamente al telfono u otro artefacto porttil ( tipo sandwich )
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  • FUTURO DE BATERIAS RECARGABLES Segn Dr. Armand las tecnologas basadas en bateras litio recargables recin empiezan El futuro son las mejoras continuas Se estn descubriendo nuevos materiales prometedores, nuevos compuestos de intercalacin para el electrodo positivo, geles, electrolitos especiales y nuevas aleaciones para el electrodo negativo
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  • BIL EN AUTOMOVILES ELECTRICOS Si las BIL son livianas y potentes, porqu no usarlas para automviles elctricos ? Segn Dr. Mac Larnon el problema es costos Un conjunto de bateras de iones litio, capaz de alimentar un auto elctrico, cuesta alrededor de 10.000 dlares Por esta razn los automviles elctricos puros no son demasiado populares, por la competencia de los vehculos hbridos (gasolina/elctricos) con beneficio similar Por eso las BIL estn nuevamente en carrera
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  • VEHICULOS HIBRIDOS CON BIL Los vehculos hbridos ( VH ) necesitan un paquete de energa mucho menor, reduciendo el costo de una BIL por debajo de 1.000 dlares Se debiera optimizar antes su capacidad de entregar y absorber descargas repentinas de energa, disminuyendo as el desgaste en BIL Para sto se usa dispositivos electrnicos Las BIL poseen una serie de mejoras graduales As se evit la entrega y absorcin de grandes cantidades de energa a un ritmo constante
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  • EL FUTURO SERA HIBRIDO Autos Prius Toyota que combinan electricidad y combustible son cada da ms populares Desde 1997 se han vendido ms de 250.000 Prius es el primer hbrido producido en serie, alimentado tanto por un motor de combustin interna como por uno elctrico El Prius 2005 de 2da generacin fue premiado El Prius consume la mitad de combustible de uno similar y libera la mitad de CO2 Tiene una mejor electrnica poderosa de control para coordinar los dos sistemas de propulsin
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  • ANATOMIA HIBRIDA Prius tiene mejor tecnologa hbrida que la competencia Civic-Honda y Escape-Ford Simple es el stop-start o micro hbrido Este slo cuenta con un motor de combustin interna para la propulsin. Cuando se detiene un generador integrado enciende el motor instantneamente, posando el acelerador * Peugeot tiene una versin micro al mismo precio de un Citron convencional
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  • HIBRIDO SUAVE Civic y Accord tienen un hbrido suave, con funcin stop- start, el que adems posee un motor elctrico que brinda estmulo al motor durante la aceleracin En el frenado, el mismo motor se duplica actuando como generador, capturando energa que se perdera de otra manera. Y la usa para recargar las bateras de litio del auto hbrido suave Como el motor elctrico se acopla al motor de combustible, nunca dirige las ruedas por s mismo Compite con el Prius por ser menos costoso y posee la mayora de sus beneficios. Recorre 48 millas por galn, o sea 37% mejor que el Civic convencional
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  • HIBRIDO TOTAL I El hbrido total que es el Prius de Toyota ( HSD, Hybrid Synergy Drive ) es ms complejo y similar al Escape de Ford Un dispositivo especial o divisin de energa (power split), divide la salida del motor de gasolina y se usa tanto para dirigir las ruedas directamente como para girar el generador,, el cual a su vez dirige el motor elctrico y las ruedas * El generador gira para recargar las bateras de litio cuando no se necesita la mxima energa del motor para dirigir las ruedas
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  • HIBRIDO TOTAL II Las bateras tambin se recargan totalmente cuando el vehculo est en punto muerto o frenado, con el motor elctrico actuando de generador Por esta razn el Prius tiene mejor ndice de economa de combustible en ciudades ( 60 millas por galn ), que en carreteras ( 51 m/g ) Este proceso es lo opuesto a un vehculo convencional
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  • GRAFICO DE LA ANATOMIA HIBRIDA
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  • HIBRIDO ENCHUFABLE I El hbrido enchufable ( plug-in ) existe y no constituye una desventaja muy grande evidente A diferencia de los autos elctricos 90, ninguno de los autos hbridos actualmente necesita ser enchufado ( aunque no es opcin mala ) Pudieran funcionar como puramente elctricos en distancias cortas ( 60 millas y con un paquete de bateras lo suficientemente grande ) pero convertibles a hbridos de ser necesario As pudieran ser recargados durante la noche, cuando la electricidad es ms barata, evi