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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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
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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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
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
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
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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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
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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ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
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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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
Parámetros (cont.)
Tiempo de autodescarga vs. tamaño intrínseco
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día
mes
año
hora
ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
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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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
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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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
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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ESPECIFICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS
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
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 (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
VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
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)
VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
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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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
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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VOLANTES DE INERCIA (FLYWHEELS)
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.
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
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)
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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
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
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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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
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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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
Supercapacitores electroquímicos (cont.)
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).
42
http://www.maxwell.com
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
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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
ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
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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ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO DIRECTO
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)
Características generales
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
BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
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
BATERÍAS DE NÍQUEL-CADMIO (NICD)
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
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http://www.gvea.com/about/bess/
BATERÍAS DE NÍQUEL-METAL (NIMH)
Características generales
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
Características generales
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
BATERÍAS DE LITIO-IÓN
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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