INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE
LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS
ECOLOGICOS
Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona
UMSA-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 “stopstart”, 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
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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 INGENIERIA
CODEPANAL
UNIVERSIDAD TECNICA DE BERLIN UMSA
Dr.-Ing. Ricardo A. Cardona
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BATERIAS litio cardona