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INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS
ECOLOGICOS
Dr.-Ing. Ricardo A. CardonaUMSA-UTB-EMACOM INGENIERIA
2010
SIGNIFICADO DE LAS BATERIAS LITIO
• Las baterías de litio ( BL ) fueron lanzadas masivamente hace más de 10 años, 1998
• Sin BT los dispositivos portátiles habrían permanecido como en forma de ladrillos
• I&D&In unió investigación electroquímica de USA con empresa japonesa
• Progenitor fue el Móvil Senator ´82 Nokia como un conjunto de baterías con 9,8 kg
BL ACTUALES EN DISPOSITIVOS PORTATILES ( cámaras, computadoras )
• Hoy un teléfono móvil pesa 100 gr.debido al avance de la tecnología de baterías
• Debido especialmente a la llegada de las baterías de iones de litio ( BIL ) recargable
• Estas BIL son los caballitos de batalla de la revolución digital actual
• Estas BIL pequeñas y livianas pueden almacenar más energía en menos espacio
COMPARACION DE BATERIAS• Un móvil moderno funciona varios días con BIL
tamaño de 10 tarjetas personales• Una batería Ni metal hidruro de capacidad
similar pesa y tiene un tamaño doble• Igualmente otras de Ni-Cd y de ácido Pb • BIL no sufre “efecto memoria de la batería”• Existe pérdida de capacidad cuando se recarga
la batería sin que se haya descargado totalmente
DEL LABORATORIO AL USO COMERCIAL
• Las BL recargables tienen reacciones electroquímicas en los electrodos (bornes + -)
• La batería se carga con aplicación de corriente eléctrica que la pone en estado de “alta energía”
• Mientras se descarga ( la reacción electroquímica opera a la inversa ) liberando energía y retornando la batería al estado de descarga y al nivel de “baja energía”
LITIO TIENE ATRACTIVO PARTICULAR
• El litio ( Li ) es el metal más electropositivo, significa que se puede hacer baterías con voltajes más altos (4 voltios) en los bornes
• El Li es metal más 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 energía y puede almacenarse gran cantidad envasada
• Por eso alimentan envases chicos y livianos en relojes, implantes médicos, calculadoras, etc., desde los 70. Pero no eran recargables.
TRANSITO A BATERIAS RECARGABLES
• En 1972 Exxon usó sulfuro de titanio como electrodo positivo y litio metal como negativo
• El sulfuro de titanio es una sustancia con estructura cristalina en capas ( intercalación )
• O sea, éste puede absorber otras partículas • La descarga genera átomos cargados (iones) de
litio, alojándose en el entramado a través de un electrolito, liberando energía.
• La recarga provoca que los iones de litio se desplacen y re-adhieran al electrodo negativo
DESVENTAJAS DE LAS BL
• La desventaja de las BL es que luego de sucesi-vos ciclos el litio se adhiere en forma dentrítica
• Este litio dentrítico irregular causa explosiones• Este problema nunca fue resuelto según el
Berkeley Laboratory de California• Al reemplazar el electrodo negativo con una
aleación de Li-Al se redujo el riesgo de explosión, pero la batería se volvió menos eficiente y con menor vida útil
NUEVO ENFOQUE EXITOSO HACIA LAS BIL ( BATERIAS DE IONES LITIO, IL )
• Fines 80s se adoptó un segundo compuesto de intercalación para albergar los iones de litio ( IL ) del electrodo negativo
• Con esto los IL se desplazaban entre los dos compuestos de intercalación, liberando energía en una dirección y absorbiéndola en la otra
• Esta técnica de ida y vuelta fue conocida como mecedora “ rocking – chair “, y permitió diseñar baterías más seguras que las anteriores
DECADA EXITOSA DE LOS 90
• En 1990 John Goodenough, Universidad Texas, descubrió una nueva familia de compuestos de intercalación ( óxidos de Mn, Co, Ni )
• Sony lanzó la primera batería comercial BIL en 1991, mecedora, que usaba óxido de Li-Co como e-positivo y grafito ( C ) como e-negativo
• Cargar hace que iones litio salgan del entramado de óxido de cobalto y se deslicen entre las capas de los átomos de carbono ( en el e-grafito ), con un estado de mayor energía potencial
MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LAS BIL
• Descargar la BIL provoca que los iones litio regresen liberando así energía en el proceso
• Por su versatilidad las BIL son muy usadas, y así el Dr. Goodenough recibió el Japan Prize
• Descargar o almacenar demasiados iones litio provoca formación de partículas de litio, con posibles consecuencias peligrosas
• Se usa un polímero poroso que se funde si se sobrecargara la batería 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
GRAFICO DE FUNCIONAMIENTO DE BIL
MEJORAS Y COSTOS MAS BAJOS
• Reemplazo del electrolito líquido por un separador poroso humedecido con gel
• También se usa electrolito de polímero sólido que debe ser muy angosto para competir
• Estas mejoras se hacen evidentes en nuevos diseños más planos y angostos, pudiendo unirse la batería directamente al teléfono u otro artefacto portátil ( tipo sandwich )
FUTURO DE BATERIAS RECARGABLES
• Según Dr. Armand las tecnologías basadas en baterías litio recargables recién empiezan
• El futuro son las mejoras continuas• Se están descubriendo nuevos materiales
prometedores, nuevos compuestos de intercalación para el electrodo positivo, geles, electrolitos especiales y nuevas aleaciones para el electrodo negativo
BIL EN AUTOMOVILES ELECTRICOS
• Si las BIL son livianas y potentes, ¿ porqué no usarlas para automóviles eléctricos ?
• Según Dr. Mac Larnon el problema es costos• Un conjunto de baterías de iones litio, capaz de
alimentar un auto eléctrico, cuesta alrededor de 10.000 dólares
• Por esta razón los automóviles eléctricos puros no son demasiado populares, por la competencia de los vehículos híbridos (gasolina/eléctricos) con beneficio similar
• Por eso las BIL están nuevamente en carrera
VEHICULOS HIBRIDOS CON BIL
• Los vehículos híbridos ( VH ) necesitan un paquete de energía mucho menor, reduciendo el costo de una BIL por debajo de 1.000 dólares
• Se debiera optimizar antes su capacidad de entregar y absorber descargas repentinas de energía, disminuyendo así el desgaste en BIL
• Para ésto se usa dispositivos electrónicos• Las BIL poseen una serie de mejoras graduales• Así se evitó la entrega y absorción de grandes
cantidades de energía a un ritmo constante
EL FUTURO SERA HIBRIDO
• Autos Prius Toyota que combinan electricidad y combustible son cada día más populares
• Desde 1997 se han vendido más de 250.000• Prius es el primer híbrido producido en serie,
alimentado tanto por un motor de combustión interna como por uno eléctrico
• El Prius 2005 de 2da generación fue premiado• El Prius consume la mitad de combustible de uno
similar y libera la mitad de CO2• Tiene una mejor electrónica poderosa de control
para coordinar los dos sistemas de propulsión
ANATOMIA HIBRIDA
• Prius tiene mejor tecnología híbrida que la competencia Civic-Honda y Escape-Ford
• Simple es el “stop-start” o “micro” híbrido• Este sólo cuenta con un motor de combustión
interna para la propulsión. Cuando se detiene un generador integrado enciende el motor
instantáneamente, posando el acelerador* Peugeot tiene una versión “micro” al mismo
precio de un Citroën convencional
HIBRIDO SUAVE
• Civic y Accord tienen un híbrido “suave”, con función “stop-start”, el que además posee un motor eléctrico que brinda estímulo al motor durante la aceleración
• En el frenado, el mismo motor se duplica actuando como generador, capturando energía que se perdería de otra manera. Y la usa para recargar las baterías de litio del auto híbrido “suave”
• Como el motor eléctrico se acopla al motor de combustible, nunca dirige las ruedas por sí mismo
• Compite con el Prius por ser menos costoso y posee la mayoría de sus beneficios. Recorre 48 millas por galón, o sea 37% mejor que el Civic convencional
HIBRIDO TOTAL I
• El híbrido “total” que es el Prius de Toyota ( HSD, Hybrid Synergy Drive ) es más complejo y similar al Escape de Ford• Un dispositivo especial o “división de energía” (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 eléctrico y las ruedas
* El generador gira para recargar las baterías de litio cuando no se necesita la máxima energía del motor para dirigir las ruedas
HIBRIDO TOTAL II
• Las baterías también se recargan totalmente cuando el vehículo está en punto muerto o frenado, con el motor eléctrico actuando de generador
• Por esta razón el Prius tiene mejor índice de economía de combustible en ciudades ( 60 millas por galón ), que en carreteras ( 51 m/g )
• Este proceso es lo opuesto a un vehículo convencional
GRAFICO DE LA ANATOMIA HIBRIDA
HIBRIDO ENCHUFABLE I
• El híbrido “enchufable” ( plug-in ) existe y no constituye una desventaja muy grande evidente
• A diferencia de los autos eléctricos 90, ninguno de los autos híbridos actualmente necesita ser enchufado ( aunque no es opción mala )
• Pudieran funcionar como puramente eléctricos en distancias cortas ( 60 millas y con un paquete de baterías lo suficientemente grande ) pero convertibles a híbridos de ser necesario
• Así pudieran ser recargados durante la noche, cuando la electricidad es más barata, evitando usar combustible, salvo en grandes distancias
HIBRIDO ENCHUFABLE II
• Según el EPRI ( Instituto de Investigación sobre Energía Eléctrica ), los híbridos enchufables podrían ser los más ecológicos y eficientes
• Los bloques de baterías más grandes suben los costos respecto a otros híbridos, pero se los pudiera recuperar según el combustible
• Según ABI Research el 5% de los autos vendidos en USA el 2020 serán híbridos, si se mantiene los precios elevados del combustible y la rigurosidad de las normas ambientales
HIBRIDOS DIESEL I
• En Europa los autos diesel redujeron el consumo de combustible, detuvieron las emisiones de efecto invernadero y ahorraron dinero en la estación de servicio
• Debido a que el diesel contiene más energía por unidad, la economía es del 30%
• La inyección de combustible “common rail” controlada electrónicamente, los mejora, y son el 45% de todos los autos nuevos
HIBRIDOS DIESEL II
• Problema son los óxidos de nitrógeno donde los filtros no son confiables y aquéllos deben igualar necesariamente a los autos a gasolina. Se puede alcanzar 70 m/g con emisión CO2 de sólo 90 gr/km
• El ITM (Instituto Tecnología Massachussets ), prevé que en 2020 los híbridos de diesel pudieran alcanzar a los autos de pila combustible hidrógeno, proveniente del gas natural, tanto en eficiencia como en emisiones
• Son más caros por el tren de mando híbrido, pero la tecnología híbrida diesel está disponible frente a la tecnología del hidrógeno que todavía es futuro
USO DE GASOLINA EN HIBRIDOS
VEHICULOS DE HIDROGENO (VH) I
• Los vehículos de hidrógeno prometen ser el medio de transporte más ecológico, ya que eliminan las emisiones nocivas del caño
• La ANC-USA calcula que la transición llevará décadas, ya que primero se debe resolver cómo producir, almacenar y distribuir el H2
• Sin embargo, los autos híbridos ofrecen muchos de los beneficios de los VH, con la gran ventaja de que están ya disponibles
VEHICULOS DE HIDROGENO (VH) II
• La belleza del Prius radica no se requiere cambiar comportamientos del conductor ni infraestructura de entrega del combustible
• Los VH no reemplazarán a los híbridos pero serán descendientes de la tecnología común (componentes)
• O sea los sistemas de control hasta de los motores. Según J. Romm del CESC-Virginia, “los híbridos son la plataforma sobre la que evolucionarán vehículos ecológicos del futuro”
FIN
• Muchas Gracias por su amable atención• Conclusiones: • Es posible construir baterías de litio en Bolivia• Un millón de baterías de ion litio para autos tipo
Prius significara un ingreso bruto de mil millones de dólares
* HAGAMOSLO DE INMEDIATO!!!
EMACOM INGENIERIACODEPANAL
UNIVERSIDAD TECNICA DE BERLIN - UMSA
Dr.-Ing. Ricardo A. [email protected]
