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

1. INTRODUCCION A LAS BATERIAS DE LITIO Y VEHICULOS HIBRIDOS ECOLOGICOSDr.-Ing. Ricardo A. CardonaUMSA-UTB-EMACOM INGENIERIA 2010

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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”

6. 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.

7. 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

8. 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 Laboratoryde 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

9. 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

10. 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

11. 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. Goodenoughrecibió el JapanPrize • Descargar o almacenardemasiados iones litio provoca formaciónde 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

12. GRAFICO DE FUNCIONAMIENTO DE BIL

13. 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 )

14. 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

15. 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 noson demasiado populares, por la competencia de los vehículos híbridos (gasolina/eléctricos) con beneficio similar • Por eso las BIL están nuevamente en carrera

16. 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

17. 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 • Priuses 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 Priusconsume 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

18. ANATOMIA HIBRIDA • Priustiene 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

19. 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 Priuspor ser menos costoso y posee la mayoría de sus beneficios. Recorre 48 millas por galón, o sea 37% mejor que el Civic convencional

20. HIBRIDO TOTAL I • El híbrido “total” que es el Prius de Toyota ( HSD, HybridSynergy Drive ) es más complejo y similar al Escape de Ford • Un dispositivo especial o “división de energía” (powersplit),divide la salida del motor degasolina y se usa tantopara dirigir las ruedas directamente como para girar el generador,, el cual a su vezdirige 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

21. 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

22. GRAFICO DE LA ANATOMIA HIBRIDA

23. 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

24. HIBRIDO ENCHUFABLE II • Según el EPRI ( Instituto de Investigación sobre Energía Eléctrica ), los híbridos enchufablespodrían 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

25. 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 “commonrail” controlada electrónicamente, los mejora, y son el 45% de todos los autos nuevos

26. HIBRIDOS DIESEL II • Problema son los óxidos de nitrógeno donde los filtrosno 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

27. USO DE GASOLINA EN HIBRIDOS

28. 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

29. 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”

30. 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 Priussignificara un ingreso bruto de mil millones de dólares * HAGAMOSLO DE INMEDIATO!!!

31. EMACOM INGENIERIACODEPANALUNIVERSIDAD TECNICA DE BERLIN - UMSADr.-Ing. Ricardo A. Cardonarancardo@yahoo.esemacomingbolivia@yahoo.es591-2-2793075591-765-89831