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Monografia de Baterias Litio

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN

MARCOS
FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

|MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE IONES DE LITIO


COMO FUENTE DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
RENOVABLE |

|PLANEAMIENTO, PROGRAMACIÓN Y CONTROL DE OPERACIONES |


2020-0
Docente: Ing. Juan Manuel Rivera Poma

Alumnos:

- HAPARCO BALLASCO GEORGE BRANDON 16170223


- VIDAL AGUI ROCIO GERALDINE 16170185
MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 3
CAPÍTULO I: GENERALIDADES 4
OBJETIVO GENERAL 4
OBJETIVO ESPECÍFICO 4
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 4
HISTORIA 4
CARACTERÍSTICAS GENERALES 9
2.2.1. Iones de Litio 9
2.2.2. Baterias de Litio 10
CAPÍTULO III: ENERGÍA RENOVBLE BATERÍA LITIO 15
FUNCIONAMIENTO 15
4.1.1. Procesos de carga y descarga 16
BENEFICIOS DE SU APLICACIÓN 16
INCONVENIENTES 18
COMPARACIÓN CON OTRAS ENERGÍA RENOVABLES 19
APLICACIÓN DE LAS BATERÍAS DE LITIO 20
CAPÍTULO VI: APLICACIÓN EN EL SECTOR AUTOMOTRIZ 23
4.1. Contexto 23
4.2. Funcionamiento y constitución 24
4.3. REQUERIMIENTOS Y COSTOS SEGÚN EL MODELO DE AUTO 28
4.4. BENEFICIOS DE LA ELECTROMOVILIDAD 29
4.4.1 Sostenibilidad Ambiental 29
4.4.2 Menor costo total de propiedad 30
4.4.3 Mayor eficiencia 30
4.4.4 Mayor conveniencia 30
CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 31
CONCLUSIONES 31
RECOMENDACIONES 32
BIBLIOGRAFÍA 32

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

INTRODUCCIÓN

La forma en que producimos y usamos la energía hoy en día no es sostenible.


Nuestras principales fuentes de combustibles fósiles: petróleo, carbón y gas, son
recursos naturales finitos, y los estamos agotando a un ritmo acelerado.

Además, son los principales contribuyentes al cambio climático, y la carrera por


los últimos recursos fósiles “baratos” evoca los desastres para el ambiente natural
tales como el reciente caso del derrame de petróleo de la empresa BP en el Golfo de
México.

En el mundo en desarrollo, la desertificación regional y local es causada por el


agotamiento de leña y otras fuentes de biomasa a menudo usadas de manera muy
ineficiente, sustantiva y millones de muertes cada año.

Una fuente de energía renovable sostenible es la única manera en la cual


podemos garantizar energía para las personas, en la mayoría de países en vías de
desarrollo la demanda de energía es cada vez mayor y difícil de generar.(Benjamin
Sovacool, 2018)

Por ello, surge la búsqueda de nuevas tecnologías para mejorar el


almacenamiento de energía para ser utilizada cuando se necesite, en el presente
trabajo se expondrá los aportes de la implementación de las baterías de iones de litio
como una fuente de almacenamiento renovable y amigable con el planeta.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

CAPÍTULO I: GENERALIDADES

OBJETIVO GENERAL
 Informar acerca de las baterías de iones de litio como fuente de
almacenamiento de energía renovable y sostenible.

OBJETIVO ESPECÍFICO
 Conocer el funcionamiento de las baterías de iones de litio.
 Conocer los beneficios del uso de baterías de iones de litio.
 Conocer las aplicaciones actuales que tienen las baterías de litio.
 Conocer la aplicación actual de las baterías de litio en la industria automotriz.

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

HISTORIA

El litio fue descubierto en 1817 por el químico sueco Johan August


Arfwedson (1792-1841) quien lo individualizó con el nombre de litio (del griego
λιϑοϛ, piedra), para indicar que dicho elemento proviene de un mineral. Arfwedson
estudió en la Universidad de Upsala, donde se graduó en Leyes en 1809 y en
mineralogía en 1812. En Estocolmo, conoció al químico Jöns Jakob Berzelius,
quien le permitió el acceso a su laboratorio privado. Allí descubrió el litio en el año
1817, mientras analizaba una muestra de petalita.
La petalita o castorita es un feldespato con fórmula LiAlSi4O10. Además
de este mineral, también son fuentes del litio la espodumena LiAlSi2O6; la
lepidolita, una de las micas con fórmula genérica K(Li,Al)3(Si,Al)4O10(F,OH)2 y la
ambligonita, un fosfato cuya fórmula es LiAlPO4F.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

En realidad el contenido de litio de la corteza terrestre ha sido estimado en


65 partes por millón. Aproximadamente 145 minerales existentes en ella contienen
litio, pero sólo algunos lo poseen en cantidades comerciales. Además de los ya
anotados se pueden mencionar la trifilita (LiFe2+PO4), la zinwaldita
[KLiFe2+Al(AlSi3)O10(OH,F)2 ] y la eucriptita (LiAlSiO4).

El litio está disuelto en el agua de mar, que contiene aproximadamente 0,17


ppm, pero debido a que este metal tiende a fijarse en las arcillas que se depositan
en los fondos marinos una de sus fuentes principales son las salmueras, como las
que se encuentran en Chile, Bolivia y Argentina; por ejemplo, en el núcleo del
Salar de Atacama, se encuentran las salmueras que contienen las más altas
concentraciones de litio y potasio que se conocen, además de considerables
concentraciones de sulfato y boro. A su vez los recursos de litio de Bolivia están
en salmueras, que tienen una densidad aproximada a 1.200 gramos por litro (g/l),
por lo que una concentración de litio de 0,1% en peso equivale a 1.000 partes por
millón (ppm) y 1,2 g/l. Estas salmueras están en los salares y se debe decir que
un salar es un lago superficial en cuyos sedimentos dominan las sales, que se
precipitan por la fuerte evaporación, que a largo plazo siempre es mayor que la
entrada de las aguas en la cuenca.

Aunque el litio fue descubierto en 1817, debido a su analogía con dos de


su grupo: sodio y potasio, apenas en 1818 Humphry Davy y William Thomas
Brande consiguieron aislar el elemento mediante electrólisis del óxido de litio.
Posteriormente, en 1855, Robert Bunsen y Augustus Matthiessen consiguieron
obtener litio en grandes cantidades, mediante electrólisis del cloruro de litio, en un
pequeño crisol de porcelana, usando un fino hilo de hierro como cátodo y una
varilla de carbón como ánodo [7,8].

Ya en 1898 en Estados Unidos se inició la producción comercial de


minerales de litio con el envío de 30 toneladas de espodumena proveniente de la

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

mina ETTA de Dakota del Sur y en 1923, en Alemania, se inició la producción


comercial de litio para la fabricación de lubricantes.

La obtención de las sales de litio a partir de minerales, como la


espodumena, implica la extracción de la roca, su trituración y molienda. Se
continúa con la calcinación, la lixiviación en presencia de ácido sulfúrico y la
filtración para obtener salmuera de Li2SO4, la cual se hace reaccionar con
Ca(OH)2 y Na2CO3. Por filtración se separan el CaCO3 y el Mg(OH)2 y luego se
remueven las otras impurezas por intercambio iónico o precipitación, para obtener
el Li2CO3 de grado técnico (es decir, que contiene mínimo 99%), que es la
materia prima para las industrias del vidrio, las cerámicas y los esmaltes; también
es material básico para fabricar otros productos de litio, como catalítico para
esterificación, aditivo y fundente para electrodos de soldadura, aditivo en las
fusiones electrolíticas de aluminio y aditivo para el cemento de fraguado rápido.
Si se purifica más se obtiene el Li2CO3 grado batería (99%).

De otro lado, en el caso de la salmuera, se empieza con la evaporación, la


filtración y remoción de impurezas y la concentración de LiCl, que por electrólisis
produce el litio. Se comprende, entonces, que es mucho menos costoso procesar
las salmueras que los minerales.

De todas maneras se puede señalar que los principales países productores


de litio son Australia, Chile, Argentina, China, Zimbabwe, Portugal y Brasil.
En el año 2015 Australia produjo 13400 toneladas métricas de litio; allí está el
proyecto Greenbushes, operado por empresas de China y Estados Unidos; esta
es la reserva singular de litio más grande el mundo, y ha estado en operación por
más de 25 años. Además de litio para las empresas asiáticas, Australia exporta
espodumena a China.

Por ahora Chile es el segundo productor de litio, con 12.900 toneladas en


el año 2015. Se dice que tiene las mayores reservas de litio del mundo, más de

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

7,5 millones de toneladas de este metal, es decir, cinco veces más que Australia.
Estos depósitos están sobre todo en las salmueras del desierto de Atacama, más
fáciles de explotar que las minas de Australia, debido a que la región es muy árida
y facilita la evaporación de la sal.

En el año 2015 Argentina produjo 3.800 toneladas de litio y sobrepasó a


China, ubicándose como tercer país productor. Es sabido que Bolivia, Argentina y
Chile comparten el “triángulo del litio”, y Argentina se beneficia de las mismas
condiciones geológicas que han creado los salares que han impulsado la
producción de Chile, y su más importante fuente es el “Salar del Hombre Muerto”,
ubicado en el sur de la Puna de Atacama sobre el límite septentrional y occidental
de la provincia de Catamarca con la provincia de Salta. Un salar sólo puede existir
si hay ríos que desembocan en él y con ello depositar allí los minerales. En el caso
del Salar del Hombre Muerto, el principal afluente es el río Los Patos.
A su vez China produjo 2.300 toneladas de litio en 2015, y aunque es el mayor
consumidor, todavía no tiene una gran industria extractora. La mayoría de este
metal lo obtiene de las planicies de Chang Tan en el oeste del Tibet, donde el lago
Drangyer Tsaka, tiene concentraciones de sales de litio hasta de 600 ppm, por
eso se dice que las reservas de China son de unas 3.500.000 toneladas. Pero
mientras tanto la mayoría del litio lo importa de Australia, donde han invertido en
yacimientos.

La producción de Zimbabwe en 2015 fue de 900 toneladas. Las principales


minas son las de Bikita y Kamative, el principal mineral de la primera es eucriptita
y de la segunda, la petalita.
La producción total de Portugal en 2015 fue de 300 toneladas de litio, que se
extrae del campo Gonçalo, de aplita-pegmatita, ubicado al norte del país.

Finalmente se debe señalar que Brasil produjo 160 toneladas de litio en


2015. Se sabe que hay depósitos de minerales litio al norte del país, incluyendo
Minas Gerais y Ceará, pero no se sabe mucho más sobre las reservas de litio de

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Brasil.
En Estados Unidos existe el depósito de Silver Peak de 12,2 km de largo
por 6,5 km de ancho con un promedio de cloruro de litio de 0,244% y se conocen
reservas de 3.800.000 toneladas de litio. En ese país existen además otros
depósitos de salmuera como Searles Lake en California, que en su parte central
tiene 31 km² de superficie, constituido su mayor parte por cloruro de sodio y un
espesor medio de 21 m, formado por mantos salinos casi horizontales. El
contenido de litio oscila entre 0,006 y 0,0011% de litio y las reservas se han
calculado en 42.000 toneladas [9-11].
Recientemente se ha descubierto un nuevo depósito en Afganistán y se dice que
este país llegará a ser una de las principales fuentes de litio, aunque la situación
presente no haga fácil su explotación.

En la Figura 2 se muestran las principales aplicaciones del litio en 2015,


donde ya la aplicación en baterías de ión litio representa un 39% y se dice que,
mientras los otros usos no aumentarán mucho, el de las baterías mencionadas
será tal que en 10 años se necesitará10 veces más litio que ahora.

Figura 2. Uso del litio en 2015 [12].

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

CARACTERÍSTICAS GENERALES

2.2.1. Iones de Litio

En la tabla periódica de los elementos, el litio encabeza el grupo IA, el de los


metales alcalinos, constituido por litio (Li), sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb),
cesio (Cs) y francio (Fr), los cuales se caracterizan por tener un sólo electrón en
un orbital s más allá de la capa central electrónica, con tendencia a perderlo
(debido a su poca afinidad electrónica y baja energía de ionización) y así formar
un ion monopositivo M+.
Los metales alcalinos presentan densidades muy bajas y son buenos conductores
del calor y la electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, el oxígeno y otras
sustancias químicas, y nunca se les encuentra como elementos libres (no
combinados) en la naturaleza. Los compuestos típicos de los metales alcalinos
son solubles en agua y están presentes en el agua de mar y en depósitos salinos.
Como estos metales reaccionan rápidamente con el oxígeno, se venden en
recipientes al vacío y por lo general se almacenan bajo un aceite mineral como
querosén.
El litio metálico, es de color blanco plateado y blando, como se muestra en la
Figura 1. Es el metal más liviano que se conoce, densidad de 0,531 g/cm³ -flota
en el agua- de número atómico 3 y peso atómico 6,941. Posee el mayor punto de
fusión (186°C) y ebullición (1.336°C) del grupo de los metales alcalinos; posee
además, el calor específico más alto de este grupo (0,784 cal/g°C a 0°C). En
estado natural existen dos isótopos estables: 7Li en proporción de 92,4 % en peso
y 6Li con 7,6 % [2].

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Figura 2. El Litio [3].

2.2.2. Baterias de Litio

Las baterías son artilugios muy antiguos pues mucho antes de Volta, en el
imperio de los Partos (247 a. C. - 224 d. C.) se produjo la llamada batería de
Bagdad o pila de los Partos que, en realidad es el nombre dado a una colección
de artefactos descubiertos en 1936 cerca de Bagdad. Estos son una jarra
cerámica, un cilindro de cobre y una barra de hierro, que se cree constituían una
batería basada en el par electroquímico del cobre y el hierro y se han propuesto
varios jugos de frutos, fermentados como electrolitos, como se muestra en la
Figura 3 [13-15].

Figura 3 La pila de Bagdad a) Imagen b) Esquema

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Luego, a partir de la pila de Volta (1796) el desarrollo de las baterías ha


sido continuo y uno de los últimos avances es la batería de ion de litio.
Las baterías de litio fueron idea de M. S. Whittingham, mientras trabajaba en la
Exxon en el decenio de 1970, quien usó sulfuro de titanio y litio metálico como
electrodos [17]. Sin embargo, esta batería recargable nunca llegó a la práctica
porque el mencionado sulfuro es difícil de fabricar y era muy caro en esa época.
Al mismo tiempo su reacción forma sulfuros de hidrógeno que huelen muy mal.
Por estas y otras razones, la Exxon no avanzó en el desarrollo de este tipo de pila
[18]. Además, las baterías con electrodos de litio metálico presentaban problemas
de seguridad porque este elemento es muy reactivo; arde en la atmósfera normal
en la presencia de humedad y oxígeno. Fue por ello que la investigación se enfocó
en buscar, en vez del litio metálico, compuestos que fueran capaces de liberar el
ion litio.
Entre tanto J. O. Besenhard et al [19,20] descubrió la intercalación
reversible en grafito y en óxidos catódicos. Los compuestos de intercalación en
grafito son materiales compuestos, de fórmula CXm, donde el ion Xn+ o Xn- se
intercala entre capas de carbono con carga opuesta, como se muestra en la
Figura 4. En general m es mucho menor que 1. Besenhard propuso la aplicación
de estas técnicas a las pilas de litio, pero la descomposición del electrolito y la co-
intercalación del solvente fueron limitantes muy grandes para la vida de las
baterías.

Figura 4. Compuesto de intercalación potasio grafito KC8. a) Vista lateral b) Vista superior

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Por la misma época -en 1973- el ingeniero Adam Heller, de la Universidad


de Texas, patentó la batería de cloruro de tionilo (SOCl2), que todavía se usa en
implantes médicos y sistemas militares con vida superior a 20 años.
Ya en 1977, Samar Basu, que entonces estaba en la Universidad de
Pennsylvania, trabajó en la intercalación electroquímica de litio en grafito;este
científico indio pasó luego a los laboratorios Bell donde se desarrolló un electrodo
de grafito con litio intercalado (LC6), lo que proporcionó una alternativa para las
baterías con electrodo de litio metálico [24,25]. En la actualidad Basu es profesor
en el Colegió Bengalí de Ingeniería, en la India.
Posteriormente en 1979, un grupo de investigación de la Universidad de Stanford,
liderado por Ned A. Godshall fabricó una celda recargable de litio con un voltaje
de 4 V, usando óxido de cobalto litio (LiCoO2) como electrodo positivo y litio
metálico como cátodo-
Al año siguiente el grupo de John Goodenough y Koichi Mizushima en la
Universidad de Oxford presentó resultados similares.Esto hizo posible la
comercialización de las baterías de litio porque el LiCoO2 es un material estable
que libera iones de litio, o sea que se puede usar con un material negativo
diferente al litio metálico, lo cual abrió un amplio abanico de posibilidades. El
mismo grupo de Godshall había encontrado una aplicación similar para los óxidos
de litio-metal de transición, como las espinelas LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2,
LiFeO2, LiFe5O8, and LiFe5O4(y luego litio-cobre-óxido y litio-níquel-óxido, como
cátodos) [26]. En 1982 obtuvieron una patente para esto. Estas celdas se siguen
utilizando.
El francés Rachid Yazami, de origen marroquí, trabajando con el CNR en
1980, fue el primero en descubrir la intercalación reversible de litio en grafito
en una celda electroquímica, usando un polímero como electrolito, que es el más
usado todavía. Yazami también trabajó con otras formas de materiales grafíticos
para cátodos, como el óxido de grafito y el fluoruro de grafito [28]. Durante 1985,
en los laboratorios de la Kawasaki en el Japón, Akira Yoshino armó un prototipo
de pila usando como electrodo un material carbonáceo dentro del cual se pueden

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

insertar iones de litio y el otro electrodo hecho de óxido de litio cobalto (LiCoO2),
los cuales son estables en el aire. Así con materiales sin litio metálico, se aumentó
la seguridad y eso permitió la producción en gran escala [29].
Los ya mencionados John Goodenough y Arumugan Manthiram,
trabajando en la Universidad de Texas, en 1989 mostraron que los electrodos
positivos que contenían polianiones como los sulfatos producen voltajes más
elevados que los óxidos, debido al efecto de inducción del polianión [30].
Lo cierto es que, desde que en 1991 las compañías Sony y Asahi Kasei
comercializaron las primeras baterías de ion de litio. El desarrollo de éstas ha sido
continuo y su mejoramiento es constante. En resumen y de manera muy simple,
en la Figura 6 se esquematiza una batería de ion de litio con ánodo de grafito y un
cátodo de óxido de litio y cobalto. En la fase de descarga un átomo de litio, en el
cátodo, se divide en un ion de litio y un electrón; el ion de litio migra a través de la
estructura interna del material de la batería, se inserta en el cátodo -por ejemplo
(LiCoO2)-, en tanto que el electrón deja la batería y fluye por el circuito al que está
unida la pila. Durante la fase de carga, los iones de Li se intercalan entre las capas
individuales de grafeno (del grafito) para formar hexacarburo de litio (LiC6).

Figura 5. Esquema de una batería de ion de litio

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Los principales usos actuales de las baterías de ion litio se esquematizan en la


Figura 6, donde se observa que su aplicación en los vehículos automotores
todavía es, en cierto modo incipiente, pero las mejoras que se hacen y que se
harán aumentarán enormemente esta demanda.

Figura 6. Evolución de la venta de baterías de ion de litio.

De todas maneras el desarrollo de las baterías de litio requiere cambios en las


estructuras químicas y mejoras en la seguridad, la sostenibilidad ambiental y el
contenido energético, todo lo cual sólo se puede lograr renovando por completo el
concepto de batería de ion de litio, que hasta ahora se basa principalmente en la
química de la inserción. Se debe tener en cuenta que los electrodos de inserción
se basan en metales 3d sostenibles, como Ti (TiO2, Li4Ti5O12) o Fe (LiFePO4),
que se obtienen partir de minerales que requieren energía para su extracción y
fabricación, lo cual incide sobre la sostenibilidad a largo plazo.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

CAPÍTULO III: ENERGÍA RENOVBLE BATERÍA LITIO


FUNCIONAMIENTO

La imagen esquematiza una batería de ion litio con ánodo de grafito y un


cátodo de óxido de litio y cobalto.

Figura 7 : Esquema de una batería de litio

Pero pueden existen diferentes materiales para el cátodo y para el ánodo, y en


función de cómo se combinen, se obtienen determinadas características. En
el caso del electrolito, se debe utilizar un material que limite la auto descarga
de los iones de litio y permita el movimiento rápido de los iones entre ambos
electrodos, utilizándose normalmente una mezcla de LiPF6 y solventes orgánicos
tales como el carbonato de dietilo (DEC) o carbonato de etileno (EC) [Castaño,
2014,p10].

El almacenamiento de energía en una batería de Li-ion se basa en el


proceso químico denominado intercalación. La intercalación consiste en la
inserción de los iones de litio (Li ) en las estructuras moleculares de los
electrodos. En concreto, se dopa tanto el electrodo positivo como el negativo
con iones de litio.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4.1.1. Procesos de carga y descarga

La tasa C representa la intensidad de corriente de descarga de una batería


en el tiempo de una hora, es importante porque determina la rapidez de los
procesos de carga y descarga.
En la fase de descarga un átomo de litio, en el cátodo, se divide en un ion
de litio y un electrón; el ion de litio migra a través de la estructura interna del
material de la batería, se inserta en el cátodo -por ejemplo (LiCoO2)-, en tanto
que el electrón deja la batería y fluye por el circuito al que está unida la pila.
Durante la fase de carga, los iones de Li se intercalan entre las capas
individuales de grafeno (del grafito) para formar hexacarburo de litio (LiC6).
Las baterías de litio traen incorporados circuitos de protección contra
descargas y sobrecargas, suelen desconectar la batería cuando la tensión
alcanza unos valores determinados.

BENEFICIOS DE SU APLICACIÓN

Las baterías de Ión-Litio de fosfato de hierro (LiFePO4) son las baterías más
seguras de entre las baterías de Ión-Litio. Y por tanto son las baterías que más
posibilidades ofrecen en el campo de las energías renovables. Sus principales
ventajas respecto a las baterías de plomo-ácido tradicionales son:

 3 Veces más densidad de energía por unidad de peso que las de plomo-
ácido

Es decir, que para un mismo tamaño, las baterías de litio son capaces de
almacenar hasta 3 veces más energía. Esto es debido principalmente al reducido
peso atómico del litio [6,9] frente al plomo [209]. Mientras una batería de plomo-
ácido puede almacenar 40 wh/kg, una batería de Ión-Litio puede almacenar
hasta 120wh/kg.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

 Voltaje Mayor

El litio es el elemento químico más electronegativo que hay, ofreciendo la mayor


capacidad de oxidación. El litio tiene 3,16 voltios en contraste con los 2 voltios
del plomo. Así, una batería de LiFePO4 tiene una tensión nominal de 12,8 voltios
tras la unión en serie de 4 celdas. O 25,6 voltios tras la unión de 8 celdas. En
cambio, las baterías de plomo ácido tienen tensiones nominales de 12 o 24
voltios.

 Mayor rapidez en la carga y en la descarga

Al disponer de un mayor voltaje en la celda, necesitan menor corriente para


introducir la misma energía. Mientras una batería de plomo-ácido puede
necesitar entre 8 y 12 horas, las de litio necesitan un máximo de 4 horas.

 Funcionamiento sin carga completa

A las baterías de plomo les va bien situarse en la franja superior de carga. Con
un 20% de descarga es cuando más vida útil tienen. Por contra, las baterías de
litio funcionan perfectamente con cargas no completas. De hecho, es incluso
preferible no llegar al 100% de carga.
Pueden descargarse casi al completo sin apenas sufrir daños (en contraposición
a las baterías de plomo-ácido que sólo soportan descargas de hasta el 50%).

 Mayor vida útil

4000 ciclos con el 80% de profundidad de descarga. Una batería monoblock de


plom-ácido abierta tiene 500 ciclos. Una batería monoblock de ciclo profundo tiene
unos 2000 ciclos. Y un a batería de plomo-ácido estacionaria tiene 4000 ciclos
aunque con el 50% de descarga máxima.
Estas ventajas hacen de las baterías de Ión-litio una excelente solución para las
instalaciones fotovoltaicas. Con las baterías de Ión-Litio el autoconsumo
energético descentralizado es más fácil.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

INCONVENIENTES

A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el


almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser:

 Duración media

Depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su


uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de
su carga máxima (en realidad, cualquier batería, independientemente de su
tecnología, se deteriora si se almacena sin carga. Basta con recordar el proceso
de sulfatación que ocurría en las antiguas baterías de zinc-carbón cuando se
almacenaban al descargarse completamente).

 Soportan un número limitado de cargas

Entre 300 y 1000, menos que una batería de níquel cadmio e igual que las de
Ni-MH, por lo que ya empiezan a ser consideradas en la categoría de
consumibles.
Son costosas: su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de
Ni-MH, si bien el precio en la actualidad baja rápidamente debido a su gran
penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento. Podemos decir
que se utilizan en todos los teléfonos móviles y ordenadores portátiles del mundo
y continúa extendiéndose su uso a todo tipo de herramientas portátiles de baja
potencia.

 Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar

Están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a


detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos
electrónicos que controlen en todo momento su temperatura.
Peor capacidad de trabajo en frío: ofrecen un rendimiento inferior a las baterías
de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un
25%.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

 Tensión muy variable

Debido a que la variación de la tensión de celda es muy grande, se hace


imprescindible usar un pequeño convertidor CC/CC en función de la aplicación
de la que se trate si se quiere tener una tensión de salida constante.

COMPARACIÓN CON OTRAS ENERGÍA RENOVABLES

Según el último reeport de Bloomberg (New Energy Outlook 2018) se


espera que para el año 2050 la tecnología eólica y solar suministre el 50% del
total de la electricidad a nivel mundial. Desde la Unión Europea, se ha establecido
una hoja de ruta que pretende la descarbonización en el sector energético de cara
a 2050. Las baterías y acumuladores, junto con las energías renovables juegan
un papel crucial. Con lo que el total de la electricidad sin emisiones de carbono
alcanzará el 71%.

En una sociedad cada vez más comprometida con el medio ambiente y los
impactos sociales, económicos y ambientales que se producen por las formas de
obtención de energía, la necesidad de un nuevo modelo energético es cada vez
mayor. A continuación, queremos proporcionar una visión sobre las posibilidades
y tipos de baterías y acumuladores que existen en el mercado.

El cambio climático es la razón y el argumento moral más importante que


puede cambiar la visión de la sociedad hacia las fuentes de energía
contaminantes. La contaminación ambiental está precipitando un cambio en los
sistemas naturales, aumentando progresivamente la huella ecológica de los
humanos sobre el ecosistema.

Con el paso del tiempo y la mejora en las tecnologías, el suministro de


energía limpia cada vez son más eficientes. Actualmente la contaminación
ambiental es en gran medida producida por el transporte y el empleo de energía
sucia, anticuada y finita. Por ello, desde el barrio La pinada, proponemos un
cambio en los modelos de producción energética es clave para proporcionar un
futuro más sostenible.
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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Tipo Baterías Densidad Potencia Durabilidad


Energética Específica (ciclos carga-
descarga)
Plomo-Ácido 60-100 W·h/L 180 Wh/kg 500-800 ciclos

Níquel-Cadmio 50–150 W·h/L 150 W/kg 2000 ciclos

Níquel-Hidruro 140–300 W·h/L 250–1,000 W/kg 500-2000 ciclos


Metálico

Li-ion 250–730 W·h/L 250-~340 W/kg 1200 ciclos


Polímero de 300 W·h/L Hasta 10 kW/kg >1000 ciclos
Litio
ZEBRA 160 W·h/L 155 kW/kg, peak 3000 ciclos
power 335 C
Aluminio-Aire N/A (Fase 200 W/Kg N/A (Fase
experimental) experimental)

Zinc-Aire 1480-9780 100 W/kg No data (Fase


Wh/L experimental)

Baterías con No data (fase No data (fase No data (fase


nano experimental) experimental) experimental)
tecnologías
Supercondens No data (fase No data (fase No data (fase
adores experimental) experimental) experimental)

Tabla 1 : Tabla comparativa de tipos de batería

APLICACIÓN DE LAS BATERÍAS DE LITIO

Actualmente, las baterías están presentes en la mayoría de las actividades. En


función del tipo de aplicación donde se destine una batería se puede clasificar en
uno de estos grandes grupos:

 Aplicación en dispositivos móviles.


 Aplicación industrial.
 Aplicación en automoción.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

DISPOSITIVOS
INDUSTRIAL AUTOMOCIÓN
MÓVILES
• Desde el 2004 el • Gran aumento de • BWNi,
100% de baterías uso de baterias Gildemeister y
son de iones de de Li-ion en 5 Nissan a fines de
litio. años. 2018 firmaron un
• Herramientas compromiso de
portátiles, fomentar la
robots, alarmas electromoviidad.
son de Li-ion.

Algunas aplicaciones:

TESLA MOTORS
ENDESA Y SAFT

• En marzo 2013 • En 2015 presento dos


implementó un sistema sistemas de
de almacenamiento de alamcenamiento de
energía eólica y solar. energía renovanle de
Cada vez que el sol y el instalaciones
viento escaseen, la fotovoltaicas o eólicas.
electrica ordena al • El uso de baterías de
sistema que devuelva el litio lo hace ser el doble
sobrante a la red, de de eficiente que el
manera que se logre modelo Toyota.
estabilidad. • Fabrica más baterías de
iones que el resto d elas
fábricas del mundo.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

RED
VEHÍCULOS ENCGANCHADOS A LA
NISSAN LEAF
• Incremenó la capacidad • Nissan, BMW y Honda estan
de la baterías de coches explorando los vehículos tio
eléctrico en un 55% más V2G en colaboración con
manteniendo el mismo compañias de nergía y
tamaño. software.
• Inplemneta diferentes • Estos vehículos tienen
estaciones de carga
formas con números bidireccionañ(acopio y
distintos de celdas que devolución).
permiten optimizar el • Implementación de una red
espacio disponible de requerimientos de
energía.
• El uso de baterías de litio lo
hace ser el doble de
eficiente que el modelo
Toyota.
• Fabrica más baterías de
iones que el resto d elas
fábricas del mundo.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

CAPÍTULO VI: APLICACIÓN EN EL SECTOR AUTOMOTRIZ


4.1. Contexto

Este vital elemento se encarga de almacenar y entregar la energía para la


propulsión del automóvil. Se espera que hacia el 2037 el consumo de litio en
baterías representaría entre el 75% y 80% de la demanda mundial.

El futuro de la industria automotriz parece ser eminentemente eléctrico.


Prácticamente todos los fabricantes de autos están desarrollando vehículos de
este tipo o híbridos, con el objetivo de cumplir con las cada vez más demandantes
normas de emisiones y así ayudar a combatir el calentamiento global. Es por esto
que las baterías de ion-litio utilizadas tanto en los automóviles como en algunos
dispositivos electrónicos se han masificado, lo que ha contribuido para que el
segmento de baterías represente el 40% de la demanda del litio a nivel mundial.
Cifra que se espera vaya en aumento en los próximos años. “El crecimiento futuro
de la demanda de litio se explicará principalmente por el uso de este en baterías
para autos eléctricos. Hacia 2037 estimamos que el consumo de litio en baterías
representaría entre el 75% y 80% de la demanda mundial”, explica Daniela
Desormeaux, experta en la materia y socia fundadora de SignumBOX Inteligencia
de Mercados. El motivo por el que este tipo de baterías se ha impuesto a otra
como las de Plomo-Ácido o Metal-Níquel, es que su voltaje, densidad energética,
potencia específica, carga utilizable, eficiencia de recarga y ciclo de vida es
superior, a la vez que tiene un índice de descarga inferior. Sin embargo, estas
tienen una menor robustez ante variaciones de voltaje, lo que obliga a incorporar
costosos sistemas de gestión de las baterías para su protección y correcto
funcionamiento. Lo que sumado a su propia composición química incrementa su
costo de producción. Un elemento clave en el desarrollo de los vehículos
eléctricos.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4.2. Funcionamiento y constitución

La batería de Ion-Litio es una célula electrolítica, una célula electrolítica, es


una celda electroquímica que almacena energía eléctrica. Es una reacción
química espontánea, que no está impulsada por una fuente externa de corriente.
Una pila de Ion-Litio consta de dos electrodos diferentes, separados entre si por
un electrólito. Y un electrólito es un conductor iónico y aislante electrónico.

La descarga de las células electrolíticas convierte la energía química en


energía eléctrica. Los paquetes de baterías contienen varias células en serie
individuales. La célula de Ion-Litio genera un alto voltaje 3,7 V, está capacidad
permite la fabricación de baterías con menos cantidad de células, menos
conexiones asociadas y una electrónica mucho mas compacta que las baterías
de Ion-Níquel, que generan un voltaje de células de 1,2 v.

Figura 8:Batería de Litio – ion

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

Las células de Ion –Litio constan de tres componentes:

1. El ánodo: en la descarga cede electrones al circuito externo y se oxida (la


oxidación es la pérdida de electrones), en la reacción electroquímica. El mismo
está construido de un material compuesto, por una aleación de carbono /base de
electrodos de grafito, también se utiliza aleaciones de metal (Titanio de Litio).
2. El Cátodo: en la descarga acepta electrones del circuito externo y se reduce (la
reducción es la ganancia de electrones) durante la reacción electroquímica.
3. El electrólito: es un conductor iónico, pero a su vez aislante electrónico, que
separa los dos electrodos y proporciona el medio para la transferencia de carga,
dentro de la célula entre el ánodo y el cátodo. Es un líquido acuoso inorgánico
disolvente que contiene una sal de litio disuelto. La tecnologia de baterías de litio
está aún en desarrollo, existe un potencial considerable de nuevas mejoras, la
investigación principal se centra en el desarrollo del material del cátodo.

4.2.1. Utilización en modo eléctrico

Están diseñadas para la entrega máxima de energía, funcionando a máxima


potencia, incluso con dos cargas amplias que llegan al 80%, para garantizar su
longevidad.

4.2.2. Utilización en modo híbrido

La batería de Ion –Litio deberá entregar en este modo (motor de combustión


interna/motor eléctrico) elevadas potencias repetitivas, descargas del 50% micro
ciclos y aceptar a su vez un alto rango de recarga del motor y de los frenos
(proceso regenerativo). El rango de operación varía entre 15% y el 50%.

De la figura 8 tenemos las siguientes partes:


1) Toma de conexión
2) Potencia electrónica
3) Dispositivo de carga
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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4) Covertidor DC DC
5) Motor eléctrico del eje delantero
6) Transmisión del eje delantero
7) Turbo diesel
8) Motor eléctrico del eje trasero
9) Enbrague doble de transmisión DCT
10) Generador termo eléctrico
11) Tanque de combustible
12) Baterías de Litio - Polímetro

Figura 9: Descomposición de los componentes en un auto hibrido (combustión


eléctrico)

4.1.3 Baterías de litio - polimero

Existe también una nueva versión de baterías, la de Litio-polímero, las


mismas son más duraderas y eficientes con menor espacio y peso que las otras
baterías híbridas. En comparación con las baterías de níquel-hidruro/metálico las
de Litiopolímero ofrecen la misma potencia con un menor peso de 20-30% menos,

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

un volumen menor en un 40% y un 10% de mayor rendimiento.

Las baterías de Litio polímetro ofrecen 1,7 veces más densidad de energía
que las baterías de hidruro de níquel–metal, son más resistentes a los cambios
de temperatura, lo que mejora el ciclo de vida, la tasa de autodescarga es un tercio
inferior También tienen significativas ventajas sobre las de litio-Ion, como la
densidad de energía más alta, bajo costo de fabricación, es más resistente al daño
físico y puede manejar más ciclo de carga-descarga antes de que su capacidad
de almacenamiento empiece a disminuir.

Es más resistente y posee mayor seguridad térmica. La diferencia clave es


la elaboración general de la célula, tanto el ánodo, como el cátodo, el electrólito,
y el material de la carcasa de la batería. En lugar de utilizar un electrólito líquido,
lo que requiere una resistente carcasa de metal, la batería de Litio -polímetro
utiliza un gel de polímetro como electrolítico, que permite el uso de un
revestimiento delgado y liviano de aluminio. Dentro de cada célula de Litio-
polímero, el cátodo, y el ánodo son laminados juntos, permitiendo una fabricación
mucho más simple y eficiente, el paquete de batería es de un 20% menor que un
paquete de Iones de Litio Las baterías con tecnología de Litio -polímero tienen
una mayor estabilidad térmica y mecánica que los sistemas existentes en la
industria automotriz, lo que significa una mayor seguridad y rendimiento.

CARACTERÍSTICAS
Tensión 3,7V las de (cloruro de Tionilo).

La densidad de energía: 280-290 Wh/Kg.

Rango de temperatura -55ºC a + 70ºC.

Tabla 2: Características de rendimiento de la batería de litio.- polímero

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4.3. REQUERIMIENTOS Y COSTOS SEGÚN EL MODELO DE AUTO

Con más de 60.000 vehículos que recorren carreteras en todo el mundo,


Tesla lanzó el Model X, una camioneta que ingresó a producción masiva en 2015
(Figura 10). Según la empresa el Model X es el vehículo deportivo utilitario (SUV)
más seguro, rápido y poderoso de la historia. Con tracción en las cuatro ruedas y
una batería de 90 kWh que brinda 470 kilómetros de autonomía. El Model X cuenta
con amplios asientos para siete adultos con todo su equipo. Es
sorprendentemente rápido, acelera de 0 a 100 kph en tan sólo 3,4 segundos.

Figura 10. Model X de Tesla Motors [40].

Respecto a la tecnología de estos carros, hay que anotar que una batería de
ion de litio requiere 0.3 kg de metal Li o 1.5 kg de Li2CO3 por kWh de potencia de
la batería. Un auto híbrido promedio utiliza unos 5 kWh en baterías, esto es 1.5 kg
de litio o 7 kg de Li2CO3 por auto. Pero un auto totalmente eléctrico requiere
baterías de 90 kWh, esto es 3 kg de Litio o 13 kg de Li2CO3 por auto. Se debe
anotar que el precio de las baterías de ion de litio va desde 300-800 US/kWh
(comparada con 50-100 US$/kWh para la tecnología de plomo ácido).
Se hace énfasis en que los dueños de autos Tesla gozan del beneficio de
poder cargarlos en casa, por lo que nunca tienen que visitar una gasolinera ni
gastar un centavo en gasolina. Para recorridos de grandes distancias, la red de
estaciones Supercharger de Tesla ofrece un acceso conveniente y gratuito a
carga de alta velocidad, donde pueden obtener la mitad de una carga en tan sólo
20 minutos. Las estaciones Supercharger ahora conectan rutas populares en
Norteamérica, Europa y Asia Pacífico. Pero los carros son relativamente pocos,
sobre todo por su costo.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4.4. BENEFICIOS DE LA ELECTROMOVILIDAD

4.4.1 Sostenibilidad Ambiental

A. Disminución de emisiones de CO2

Figura 11. Fuente: U.S. Department of Energy2. Elaboración: GPAE-Osinergmin

B. Disminución de la contaminación local

Como consecuencia a la disminución de la emisión de CO2, la localidad


sufre de menor contaminación debido a que los combustibles serian
sustituidos por una batería que almacena energía renovable.

Fuente y elaboración: Semana Económica6.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

4.4.2 Menor costo total de propiedad

Fuente: U.S. Department of Energy. Elaboración: GPAE-Osinergmin.

4.4.3 Mayor eficiencia

Otra de las ventajas de los vehículos eléctricos es su mayor eficiencia


energética, debido a que el motor eléctrico aprovecha la energía de los
frenados, que normalmente se perdería mediante la disipación del calor y
la fricción, mejorando de manera notable la eficiencia de los vehículos
tradicionales.

4.4.4 Mayor conveniencia

La conveniencia hace referencia a la comodidad y practicidad que presenta


manejar un auto eléctrico. El principal aspecto está relacionado a la
reducción del ruido, que se debe al propio diseño del motor, aunque dicha
reducción está asociada, sobre todo, a la velocidad de conducción.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

 Se ha dado a conocer la historia de las baterías de litio, incluyendo las


características entre baterías primarias y secundarias, y dentro de estas
últimas entre las que contienen metal como electrodo que permitan al lector
diferenciarlas.
 La aplicación de esta nueva fuente de almacenamiento de energía
renovable en la industria automotriz beneficia a la localidad de modo habría
menor contaminación debido a que los combustibles serian sustituidos por
una batería que almacena energía renovable.
 La eficiencia de un vehículo eléctrico con batería de Litio, aumentaría
debido a los mecanismos de aprovechamiento de las energías que se
disipan dentro del funcionamiento de este.
 Podríamos decir que si bien es cierto se toma como materia prima esencial
en la elaboración de papel a la fibra vegetal, al ser tan esencial e importante
no solo en el sector industrial sino también en la vida de cada uno de
nosotros lleva a la producción en exceso de está produciendo así mayor
contaminación del medio y la tala indiscriminada.
 Los procesos de carga y descarga de una batería de litio constituyen
uno de los condicionantes más importantes para determinar su capacidad
efectiva y otros aspectos que varían ligeramente en función de cómo se
produzcan las cargas y las descargas.
 Al igual que al resto de baterías, no conviene hacer descargas muy
profundas a las baterías de iones de litio.
 Para los vehículos híbridos la tecnología actual de Li-ion cubre las
necesidades en cuanto a potencia.

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MONOGRAFÍA DE BATERÍAS DE LITIO

RECOMENDACIONES

 El exceso de insumos puede dar como resultado una mala calidad de


producto final, por eso se recomienda hacer las medidas exactas y
precisas para este tipo de proyectos.
 El uso de la recarga rápida en corriente continua, acelera algo el proceso
de degradación, pero no se muestra una diferencia fundamental por el uso
frecuente de este tipo de recarga. Sin embargo, la pérdida de capacidad
sí es superior si se combina con el uso del vehículo en climas cálidos.
 Algunos de los coches eléctricos del mercado permiten programar el
porcentaje de recarga al que se quiere llegar cada vez que se conecta al
cargador. Es aconsejable utilizar un límite de carga de aproximadamente
el 90% cuando se realiza la carga diaria de la batería y aprovechar todo el
potencial de la batería, el 100%, cuando se tenga que realizar un
desplazamiento diferente del habitual y se quiera asegurar llegar al
destino.

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