ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA - lcr.uns.edu.arlcr.uns.edu.ar/fae/images/FAE2018_Clase32_Almacenamiento.pdf · En el futuro se pueden relacionar con la regulación del servicio eléctrico

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

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MATERIAL DEL CAPÍTULO

Bibliografía

R. Hammerschlag y C.P. Schaber. Handbook of energy efficiency and renewable energy.

Energy Storage Technologies. Capítulo 18, sección 18.1, pp. 1-20.

B. Sørensen. Energy storage. Renewable Energy

Capítulo 5, sección 5.2, pp. 530 a 588.

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Introducción

Muy importante en el contexto de las energías renovables

Muchas de las fuentes renovables son intermitentes (p. ej solar y eólica) y no pueden “despacharse” de acuerdo a la demanda.

Las aplicaciones en transporte requieren portabilidad, y su autonomía depende de la capacidad de almacenamiento.

Formas en las que puede almacenarse

Eléctrica

Mecánica

Térmica

Medio o tecnología de almacenamiento

Debe elegirse para recibir y entregar una forma de energía compatible con la fuente y con la aplicación final.

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Calidad del almacenamiento

La forma térmica está condicionada por la temperatura.

Está limitada por el principio de Carnot y no puede convertirse de manera eficiente a las otras dos.

Las tecnologías que reciben o aportan calor deberían utilizarse sólo con fuentes de calor o con producción de calor (p. ej. aplicaciones térmicas de la energía solar).

Las formas eléctrica y mecánica se consideran de mejor calidad.

Pueden convertirse entre ellas y a térmica con alta eficiencia.

Los dispositivos de almacenamiento que reciben y/o entregan energía eléctrica son más versátiles

La energía eléctrica es fácil de transmitir.

Mayor número de aplicaciones finales utilizan electricidad.

Varias tecnologías de renovables entregan energía eléctrica.4


Aplicaciones relacionadas con la energía eléctrica

Regulación del sistema eléctrico

Se necesita gran capacidad para

Satisfacer la demanda cuando las fuentes renovables no generan lo suficiente.

Almacenar el excedente de la generación.

Calidad de energía

Se emplea para mejorar la calidad del suministro (p. ej. compensar caídas de tensión y sobretensiones causadas por perturbaciones en la red, pequeños cortes, regular frecuencia y tensión, etc.)

Requiere respuesta rápida (para evitar daños y disparo de protecciones) con grandes cambios en la salida en un lapso de tiempo relativamente corto.

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Aplicaciones relacionadas con la energía eléctrica (cont.)

Generación distribuida

Habilita la generación y almacenamiento en los lugares de consumo.

Automotriz

Vehículos eléctricos (EV), híbridos (HEV), híbridos plug-in (PHEV), hidrógeno.

En el futuro se pueden relacionar con la regulación del servicio eléctrico.

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Especificaciones de los dispositivos

Todos los dispositivos de almacenamiento se pueden caracterizar por una serie de parámetros comunes (independientes de la tecnología)

Parámetros principales

Tiempo de autodescarga

Tamaño

Eficiencia

Ciclo de vida

Potencia específica y energía específica

Densidad de potencia y densidad de energía

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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS

Parámetros

Tiempo de autodescarga

Es el tiempo que tarda un dispositivo, completamente cargado y desconectado, en alcanzar una determinada profundidad de descarga (DOD, depth of discharge).

Se da en porcentaje de la carga útil: p. ej. 10% DOD significa que le queda un 90% de carga.

La relación entre el tiempo de autodescarga y el DOD en general es no lineal por lo cual los dispositivos deben compararse para DOD uniformes.

Dependiendo de la tecnología puede variar desde minutos (calidad de energía) hasta años (regulación).

Tamaño

Define la escala intrínseca de la tecnología, es decir la cantidad de energía que es posible almacenar con una determinada tecnología.

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Parámetros (cont.)

Tiempo de autodescarga vs. tamaño intrínseco

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día

mes

año

hora


Parámetros (cont.)

Eficiencia

Relación entre la energía que ingresa y la que egresa.

Considerar el sistema completo desde la fuente hasta la carga

Ejemplo parque eólico: almacenamiento en baterías vs. hidrógeno.

Está relacionada con la autodescarga.

Tiempos de autodescarga cortos implican baja de la eficiencia (se requiere inyectar energía para mantener la carga).

Ciclo de vida (vida útil)

Número de ciclos consecutivos de carga y descarga que puede tolerar el dispositivo manteniendo las especificaciones.

Depende de la profundidad de las descargas (DOD).

En general el ciclo de vida es mayor para menores DODs.

Deben compararse teniendo en cuenta el DOD

Ej. HEV a hidrógeno vs. HEV a batería.

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Parámetros (cont.)

Eficiencia vs. ciclo de vida

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Parámetros (cont.)

Energía específica

Es una medida del peso de la tecnología (MJ/kg)

Cuanto mayor es la energía específica más liviano es el dispositivo.

Es necesario incluir todas las partes, como por ejemplo el contenedor.

Potencia específica

Es la tasa o velocidad con la que puede extraerse la energía en función del peso (W/kg).

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Parámetros (cont.)

Densidad de energía

Es una medida del volumen (MJ/l)

Cuanto mayor es la densidad de energía más pequeño es el dispositivo.

También es necesario incluir todas las partes.

Densidad de potencia

Tasa o velocidad con la que puede extraerse la energía en función del tamaño (W/l).

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Parámetros (cont.)

Tiempo de descarga máximo vs. potencia

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Fuente: EPRI PEAC

ALMACENAMIENTO EN ENERGÍA MECÁNICA

Formas y tecnologías disponibles

Energía potencial

Elevación: hidrobombeado

Compresión: aire comprimido (CAES: Compressed Air Energy Storage)

Energía cinética

Rotación: volantes de inercia (flywheels)

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HIDROBOMBEADO

Características

Utiliza dos reservorios separados verticalmente. La energía se almacena moviendo agua del inferior al superior.

Es la tecnología más antigua y más grande (~1000 MW)

Muy práctica en gran escala con ~100GW en operación en el mundo (3% de la potencia instalada).

Tiempos de construcción extensos y grandes inversiones.

Eficiencias del orden del 80%.

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HIDROBOMBEADO

Reservorio sobre-elevado

Reservorios abiertos

Se hacen en zonas montañosas con mucha pendiente.

Descarga en un lago, represa o en el mar.

Componentes

Tubería de presión (penstock)

Chimenea de equilibrio de presiones

Sala de máquinas en caverna

Conducto de descarga

Equipamiento adicional

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HIDROBOMBEADO

Reservorio subterráneo

Superior: lago o mar

Inferior: cavernas naturales o excavadas

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HIDROBOMBEADO

Reservorios de las centrales hidráulicas.

Desplazamiento de carga (no se genera).

Almacenamiento (bombeo hacia el reservorio) cuando hay exceso de energía generada por otras fuentes.

Funcionamiento como centrales de pico.

Se bombea en los valles de consumo y se genera en los picos.

Almacenamiento diario o semanal.

Factibilidad económica relativa a la diferencia de precios de la energía.

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Los Reyunos, Mendoza

HIDROBOMBEADO

Planta de Goldisthal, Alemania

1060 MW

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HIDROBOMBEADO

Planta de Goldisthal, Alemania (cont.)

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HIDROBOMBEADO

Planta Yanbaru, Okinawa, Japón (1999)

30 MW, 50 m, agua de mar.

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AIRE COMPRIMIDO

Características

También conocido como CAES (Compressed Air Energy Storage)

Generalmente se combina con una turbina a gas, dando un sistema híbrido de almacenamiento/generación.

En una unidad de generación eléctrica con turbina a gas se consume parte de la energía mecánica generada para comprimir el aire que ingresa a la cámara de combustión.

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AIRE COMPRIMIDO

Características (cont.) El aire se comprime previamente con energía barata o excedente (valle de

consumo) y luego se inyecta en la cámara de combustión de un ciclo de gas (evitando usar el compresor) para generar electricidad cuando el precio es mayor.

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AIRE COMPRIMIDO

Ejemplo tren para 110 MW

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Compresor alta

Compresor media

Compresor baja

Caja aumento

velocidad

Embragues

Motor/generador

Expansor de baja

Expansor de alta

AIRE COMPRIMIDO

Cavidades

Tipos

Cavernas de sal

Cavernas de roca

Acuíferos

Características

La selección del lugar y su preparación es un proceso delicado

Las propiedades de la cavidad se conocen completamente una vez que se completa la instalación y se realizan los ensayos

La estabilidad de la caverna está influenciada por las variaciones de temperatura y presión (se pueden mantener constantes)

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AIRE COMPRIMIDO

Compresión

Volumen (aproximado) para almacenar 1500 MWh

2.000.000 m3 @10 bar

64.000 m3 @ 100 bar

Formas de realizar la compresión

Adiabática

Isotérmica (suficientemente lento, poco práctico)

La eficiencia está limitada por el calor producido en la compresión y ronda el 70%

No puede funcionar sin combustión. La temperatura del aire sería muy baja a la salida del expansor.

Para hacerlo 100% renovable se pueden utilizar biocombustibles. 27

AIRE COMPRIMIDO

Ciclos con dos enfriamientos en la compresión

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Sin recuperación de calor (Huntorf) Con recuperación de calor

AIRE COMPRIMIDO

Aplicaciones

Planta de Huntorf, Alemania (1978 - 290 MW )

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AIRE COMPRIMIDO

Aplicaciones (cont.)

Planta de Huntorf, Alemania (1978 - 290 MW )

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Cavernas

Máquinas

AIRE COMPRIMIDO

Aplicaciones (cont.)

Planta de Mc Intosh, Alabama (1991 - 110 MW)

Caverna de sal de 5.8 millones de m3, que comienza a 457 m de profundidad, con 230 m de alto y 72 m de diámetro.

Presiones: 45-74 bar

Arranque: 14 minutos

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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)

Generalidades

Almacenan energía cinética en un disco rotante

Se busca minimizar las pérdidas por fricción.

Existen diferencias constructivas de acuerdo a la velocidad de rotación

Baja velocidad

Predomina la inercia J

Se construyen de acero, aluminio, titanio, etc.

Alta velocidad

Predomina la velocidad angular ω

Se construyen de fibra de carbono (baja densidad)32

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2sE J


Características constructivas

La densidad de energía está limitada por el esfuerzo máximo al que puede someterse el material

Densidad de energía

No depende de la velocidad, es mayor para materiales livianos y para σ grandes.

El máximo σ define la máxima energía que se podrá almacenar y de allí la máxima velocidad del disco sin que se deforme o desintegre.

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s mE k

m

m: masa total de la flywheel

σ: máximo esfuerzo aceptable del material

km: factor de forma (depende de la geometría)

ρ: densidad (material homogéneo)


Características constructivas (cont.)

Esfuerzos máximos de diseño para diferentes materiales

Pueden usarse materiales compuestos para reducir las variaciones en el esfuerzo en los distintos radios.

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Características constructivas (cont.)

Componentes principales

Rodamientos magnéticos (activos y/o pasivos)

Se practica vacío en su interior

Motor(carga)-generador(descarga) en el estator

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Características funcionales

Bajo mantenimiento, 20 años de vida útil

Aplicaciones de corto tiempo

Ciclo de vida de más de 10000 ciclos

Rendimientos del 90%

Beacon Power

Disco compuesto de fibra de carbono

8000 a 16000 rpm

25 kWh

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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO

Formas

Directo

Supercapacitores

Superconductores (SMES)

Electroquímico

Baterías secundarias o recargables

Baterías de flujo

Hidrógeno

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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO

Supercapacitores electroquímicos

Fundamentos

Están compuestos por dos electrodos (parte más importante), un electrolito y un separador que aísla eléctricamente los electrodos (similar a batería).

Los electrodos son porosos, tienen área extensa (partículas de carbón o de óxidos metálicos) y se fabrican a escala nanométrica.

A medida que se inyecta carga, se almacena en la interfaz entre la superficie del electrodo y el electrolito formando dos capas cargadas (modelo de Helmholtz). Por esto suelen llamarse de doble capa. 38

Fuente: G. Wang, L. Zhang y J. Zhang. A review of electrode materials for

electrochemical supercapacitors. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, pp. 797-828.


Supercapacitores electroquímicos (cont.)

Energía almacenada

La capacidad de cada doble capa está dada por

Si los electrodos son iguales la capacidad total (serie) es

La energía almacenada y la potencia resultan

La tensión V está limitada (1V electrolitos acuosos y 3-3.5V orgánicos)

39

4i

AC

d

A: superficie efectiva del electrodo poroso

ε: constante dieléctrica

d: separación efectiva entre capas (nm)

/ 2iC C

21

2E CV

V: tensión

Ri: resistencia interna

21

4 i

P VR



Supercapacitores electrostáticos (EDLS)

El almacenamiento es electrostático (descripción anterior), por separación de cargas entre el electrodo y el electrolito (similar a un capacitor convencional).

No existe reacción química durante la carga o descarga, el electrolito aporta los iones y su concentración se mantiene constante.

Los electrodos normalmente son de carbón poroso, para incrementar la superficie. Actualmente se utilizan nanotubos de carbón y otros.

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Pseudocapacitores

Cuando se aplica una tensión se producen reacciones químicas rápidas y reversibles (redox) en los electrodos, que involucra el pasaje de cargas por la capa doble (similar a las baterías).

En lugar de partículas de carbón se utilizan polímeros u óxidos metálicos.

Esta tecnología permite aumentar la tensión, la capacidad (entre 10 y 100 veces) y la densidad de energía respecto al EDLS, pero la densidad de potencia es menor (el proceso es más lento) y no es tan estable ante ciclados.

Híbridos

Un electrodo se construye como EDLS y el otro como pseudocapacitor buscando compatibilizar las ventajas de ambas configuraciones.

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Características

Admiten cargas y descargas rápidas. Baja densidad de energía

Elevada autodescarga (10-40% por día).

Soportan más de 100.000 ciclos, 10-12 años de vida útil.

Costo elevado.

Aplicaciones de calidad de energía y vehículos (en conjunto con las baterías).

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http://www.maxwell.com


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Superconductores (SMES)

Fundamentos

Almacenan energía en el campo magnético generado por una corriente continua en una bobina superconductora

Componentes principales

Bobina de material superconductor (elimina pérdidas efecto Joule).

Sistema de enfriamiento criogénico (mantiene superconductividad).

Acondicionador que controla la corriente desde y hacia el SMES.

Estructura que soporta la bobina frente a las fuerzas magnéticas.

21

2E L I


Superconductores (cont.)

Bobina

Como material superconductor suele usarse una aleación de niobio y titanio (Nb-Ti) que tiene temperatura crítica de 9.2K.

Existen de baja temperatura ~5K (más desarrollada) y de alta temperatura ~70K.

El enfriamiento se realiza con helio o nitrógeno líquido.

La carga es susceptible a las variaciones de temperatura.

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Superconductores (cont.)

Características funcionales

Alta densidad de potencia (~4000W/L). Respuesta rápida, puede alcanzar la potencia máxima en 100 ms.

Bajas pérdidas. Eficiencias de 95-98%.

Larga vida útil, aún con descargas totales.

Costosos

Autodescarga diaria del 10-15%.

Aplicaciones en calidad de energía, almacenamiento por corto tiempo y densidades de potencia muy altas.

Industrias que requieren muy buena calidad de energía (p. ej. fábricas de semiconductores) .

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ALMACENAMIENTO ELÉCTROQUÍMICO

Baterías recargables o secundarias

Fundamentos

La energía eléctrica se transforma en energía química, se almacena y luego puede reconvertirse en energía eléctrica.

La reacción química entre electrodos y electrolito habilita la circulación de electrones por el circuito externo.

Componentes básicos de una celda

Electrodo negativo (aporta electrones)

Electrodo positivo (recibe electrones)

Electrolito (provee las cargas necesarias)

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ALMACENAMIENTO ELÉCTROQUÍMICO

Baterías recargables o secundarias (cont.)

Principales tecnologías

Plomo-ácido

Litio (litio-ion, litio-polímero, etc.)

Níquel-cadmio (NiCd)

Níquel-metal (NiMH)

Sodio-azufre (NaS)

Zebra

…

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BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO

Características generales

Dominaron el mercado por mucho tiempo

Populares en aplicaciones de calidad de energía, renovables, vehículos (arranque). Pocas aplicaciones en gran escala.

Bajo costo relativo y fácil construcción

Vida útil menor que otras tecnologías (1500 ciclos en el mejor de los casos).

Energía específica: 0.09-0.15 MJ/kg (25-40 Wh/kg)

Densidad de energía: 0.25MJ/l (70Wh/l)

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BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)


Tensión nominal de celda 1.2V

Baja resistencia interna (comparada con plomo-ácido).

Alta densidad de potencia. Pueden proveer hasta tres veces más corriente para la misma capacidad.

Los electrodos son de acero y no reaccionan con el electrolito. Robustas, mayor cantidad de ciclos.

Admiten muy bajas temperaturas (hasta -40°C). El electrolito mantiene la densidad.

Efecto memoria. Problemas con ciclado parcial.

El Cd es tóxico, riesgo por deposición final.

Energía específica 0.27 MJ/kg (75 Wh/kg)

Densidad de energía 0.41 MJ/L (110 Wh/L) 49


Estructura básica

Electrodo positivo

Oxidróxido de níquel (NiOOH)

Electrodo negativo

Cadmio (Cd)

Electrolito: hidróxido de potasio (KOH)

No interviene en las reacciones de los electrodos

Permite la conducción de iones oxidrilo y aporta H2O a las reacciones en los electrodos

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www.saftbatteries.com www.sbsbattery.com


Ejemplo a gran escala

Golden Valley Electric Association, Alaska

Sistema de resguardo de 27 MW durante 15 min. Ante una falla en el suministro, da tiempo suficiente para encender los generadores locales.

13760 celdas de Ni-Cd de electrolito líquido (Saft). El tamaño de cada batería es como el de una PC y pesa 75 kg. Peso total 1500 toneladas

Vida útil 20-30 años

51

http://www.gvea.com/about/bess/

BATERÍAS DE NÍQUEL-METAL (NIMH)


Menor efecto memoria que NiCd

No emplea Cd.

Mayor autodescarga que NiCd

Menor eficiencia. Se calientan más durante la carga y descarga

Energía específica >0.29 MJ/kg (>80Wh/kg)

Densidad de energía 0.54 MJ/l (150 Wh/L).

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BATERÍAS DE NÍQUEL-METAL (NIMH)

Estructura básica

Electrodo positivo

Oxidróxido de níquel (NiOOH)

Electrodo negativo

Aleación de hidruro metálico que absorbe y libera hidrógeno

Electrolito

Hidróxido de potasio (KOH)

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BATERÍAS DE LITIO


Importante desarrollo y proyección.

Comenzaron en dispositivos electrónicos portátiles y extienden su penetración en el mercado

Amplio potencial en vehículos eléctricos (Chevrolet Volt, Tesla) e híbridos. También se utilizan en almacenamiento masivo.

Los esfuerzos actuales están dirigidos a mejorar la tecnología: aumentar densidad de energía y seguridad; disminuir costo.

Ventajas

Tensiones de celdas mayores que con otros metales alcalinos (mejor calidad de almacenamiento).

Energías específicas altas (por el bajo peso del litio elemental).

Retención de carga por más tiempo (menor autodescarga)

Desventajas

Problemas por el uso de litio elemental en los electrodos (seguridad, vida útil, etc.) principalmente durante la recarga.

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BATERÍAS DE LITIO

Electrodos

Negativo

Diferentes materiales

Litio (metal): su alta reactividad causa problemas durante la carga. Deposición en lugares indeseados; cambio en la morfología (rugosidad de la superficie); corrida térmica y problemas serios de seguridad.

Carbono: utilizan materiales de carbono que pueden aceptar y donar cantidades significativas de litio. Potencial similar al litio metálico

Aleaciones de litio: utilizan compuestos con estructuras de capas en los cuales se pueden intercalar los iones de litio.

Positivo

Los más utilizados son compuestos que permiten que el litio se inserte o intercale en su estructura durante la descarga, y que se extraiga durante la carga. Ej. MnO2, LiCoO2, LiNiO2. 55

BATERÍAS DE LITIO-IÓN

Electrodos

Ambos electrodos utilizan compuestos que permiten intercalar iones de litio.

Los más difundidos son

Electrodo negativo: litio-carbono (grafito)

Electrodo positivo: óxidos metálicos

Óxido de cobalto (LiCoO2) con 60% Co (costoso, tóxico)

Óxido de manganeso (LiMn2O4) (menos costosa)

Fosfato de hierro y litio (LiFePO4)

LiNiMnCoO2 - 20% Co

LiNiCoAlOO2 - 9% Co

Electrolito: sales de litio disueltas en carbonatos (LiPF6)

Orgánico (litio-ion)

Polimérico (litio-ión-polímero ó litio-polímero).56


Características

Ventajas

Selladas, sin mantenimiento. Vida útil prolongada (>1000 ciclos).

Rango de temperatura amplio (-40 a 60°C). Baja autodescarga (2-8% por mes). Alta eficiencia. Sin efecto memoria.

Se pueden cargar rápido.

Se pueden descargar rápido (típico 1C, hasta 5C o 25C pulsada) y con alta potencia

Tensiones de celda en el rango de 4.2 a 2.5 V.

Alta energía específica (~150 Wh/kg) y densidad de energía (~400Wh/l)

Desventajas

Costo moderado

Se degradan con altas temperaturas (65°C)

Requieren circuito de protección

Pérdida de capacidad y corrida térmica cuando se sobrecargan

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Aplicaciones

Potencialmente aplicables en todos los sectores

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Documents

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