Bateria d’ió liti

Des de la seva introducció a principis del 1990, les ba-teries d’ió liti han gaudit d’un creixement i èxit sense precedents. Les seves prestacions semblen excel·lents, ateses l’alta potència específica (fins a 2.600 W/kg) i alta energia específica (fins a 200 Wh/kg), aspec-te que les ha convertit en el producaspec-te escollit per a ordinadors portàtils i telèfons cel·lulars. Quelcom similar pot passar en l’àmbit del transport. Dins el camp militar i l’espai, són les tecnologies d’ió liti i liti-polímer les més destacades. En aplicacions industrials i de sistemes de transport, les bateries basades en el liti estan substituint ràpidament les d’àcid-plom i les de níquel-hidrur metàl·lic (Ni-Mh). Les bateries d’ió liti es poden construir amb una varietat de materials molt amplia:

Figura 62. Vehicles elèctrics RAV4 i Prius amb bateries Ni-Mh.

Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics

• Òxid de cobalt de liti, el material més utilitzat en el càtode per a aplicacions de consum (LCo carbó/gra-fit a l’elèctrode negatiu, LiNiCoAlO i cobalt-níquel i altres òxids metàl·lics a l’elèctrode positiu). Té la major potència elèctrica i eficiència energètica (fins a 600 Wh/kg). Per temes de seguretat, en aplica-cions a VE es proven altres variants.

• Níquel, cobalt i manganès (NCM), en què se subs-titueixen el níquel i el manganès per una mica de cobalt; això fa incrementar el potencial elèctric fins al valor de compromís desitjat pel fabricant.

• Níquel, cobalt i alumini (NCA), similar al NCM, però substituint el manganès per alumini per reduir el cost.

• Liti-manganès spinel (LMS), que ofereix major potència a menor cost que el cobalt. L’inconvenient rau en què la densitat energètica només està per sobre dels 450 Wh/kg.

• Liti i fostat de ferro (LFP, fosfat de ferro al positiu i titanat de liti al negatiu), pot ser el nou càtode més prometedor, gràcies a la seva estabilitat i seguretat.

Comparant amb el cobalt i el manganès, que són propicis a tenir problemes de deriva tèrmica, aquí els enllaços entre els àtoms de ferro, fosfat i oxigen són molt més forts.

• I finalment, esmentem les de liti i titani (LTO), liti i níquel (LNi) i les de manganès i titani (MNS i MS).

La química basada en el grafit/niquelat permet fer cel·les amb la més alta densitat d’energia i capacitat de potència. Pel que fa a la possibilitat de càrrega ràpi-da, tant la d’òxid de titanat de liti com la de fosfat de ferro es poden recarregar de manera ràpida en uns 10 minuts. La rapidesa de la química d’òxid de titanat és superior a la química de fosfat de ferro, tant pel que fa a l’augment de la temperatura durant la recàrrega com a la capacitat en Ah.

La figura 63 il·lustra una cel·la típica d’ió liti, consis-tent en un ànode de carbó grafit i un càtode que és un material d’òxid de metall, com l’òxid de cobalt de liti (LiCoO₂) o un material amb una estructura túnel (com l’òxid de liti manganès). El LiCoO₂ té unes ca-racterístiques excel·lents, però l’elevat preu del cobalt les fa massa costoses per a les grans bateries dels VE,

per això en canvi s’utilitza l’òxid manganès de liti, el qual és de menor cost i amb un impacte ambiental limitat.

Durant la càrrega el material positiu s’oxida i el negatiu es redueix. És a dir, el liti se separa del càtode (+) i és transferit a través del separador via l’electròlit i injectat a l’ànode. Durant la descàrrega el procés s’inverteix.

La quantitat de liti emmagatzemat en cadascun dels materials està relacionat amb la capacitat (mAh/g). La velocitat amb la qual el liti es transfereix d’un elèctrode a l’altre es relaciona amb la potència.

Per poder augmentar l’energia de la bateria es poden seguir tres camins: augmentar la tensió del càtode, dis-minuir la tensió de l’ànode, i/o augmentar la capacitat de la cel·la. De totes maneres, la termodinàmica de les reaccions electroquímiques fixa límits a aquestes quantitats. Les bateries actuals d’ió liti s’acostumen a anomenar limitades per càtode, és a dir, que la capa-citat del càtode (140 mAh/g per al LiCoO₂) limita la capacitat de la bateria al ser molt menor que la capaci-tat de l’ànode (372 mAh/g per al grafit). Això implica que el càtode té un impacte més alt comparativament sobre l’augment de l’energia de la cel·la.

La càrrega de les bateries ha de ser una càrrega con-trolada, de manera que la majoria de les bateries contenen un circuit de protecció per evitar sobre-càrrega (màxima tensió de sobre-càrrega 4,3 V) i sobre descàrrega (mínima tensió de descàrrega entre 2,7 i 3V per bateria). Aquesta circuitería conté un sensor tèrmic, que desconnecta la càrrega si la temperatura

Tipus de tecnologia Voltatge (V) Densitat energètica (Wh/kg) Densitat de potència (W/Kg)

LFP – fosfat de ferro 3,6-2,5 90 1.100

NCM – níquel, cobalt, manganès 4,2-3,0 140 900

LTO - titani 2,8-1,5 70 700

Figura 63. Principi de funcionament de les bateries d’ió liti.

Taula 11. Comparació del comportament de la cel·la de bateries d’ió liti.

arriba als 90 ºC. Les bateries d’ió liti perden cons-tantment capacitat quan s’exposen a temperatures superiors als 65 ºC.

En la figura 64 pot veure’s com l’electrònica controla que en una primera etapa la càrrega sigui a corrent constant fins que la tensió puja als 4,1–4,2 V. Ales-hores comença una càrrega a tensió constant, fins que el corrent de càrrega es redueix fins al 3 % del corrent nominal.

La química i el disseny de la cel·la és el mateix per a tots els tipus de cel·les d’automoció. S’enrotllen capes fines de càtode, separador i ànode en un suport cen-tral, i s’insereixen en un envàs cilíndric. Els espais són recoberts per una solució rica en ions (electròlit).

La innovació en les bateries d’ió liti pot tenir lloc per dues vessants diferents, bé sigui per la via d’avenços

en camps d’enginyeria reduint el gruix del separador, i/o innovant en materials utilitzats com a elements actius. Per exemple, la química utilitzada avui per a bateries de telèfons cel·lulars i portàtils (LiCoO₂ /gra-fit), té una densitat energètica teòrica d’uns 360 Wh/

kg (tenint en compte només el pes del material ac-tiu). La densitat energètica d’una cel·la encapsulada 18.650 és d’uns 190 Wh/kg. Fa quinze anys aquest valor era de 90 Wh/kg, utilitzant els mateixos ma-terials, és a dir, que en quinze anys els avenços han permès doblar la densitat energètica de les bateries d’ió liti. Per realitzar nous desenvolupaments caldrà trobar una combinació de materials que sigui òptima per a vehicles elèctrics.

A títol d’exemple podem esmentar diversos avenços i millores realitzades en aquesta tecnologia tan prome-tedora per als VE, proposades pel MIT o per empreses tan importants com hitachi:

Figura 64. Electrònica incorporada a un paquet de bateries d’ió liti i perfil de càrrega.

Figura 65. Estructura d’una cel·la d’ió liti i esquema de funcionament.

Electròlit Càtode

Corrent Càrrega

Separador

Electrons

Ànode Coberta

Pol positiu

Contenidor

Separador

Terminal positiu

Pol negatiu

Ànode (capa negativa)

Càtode (capa positiva) Anella d’aïllament

Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics

• Pel que fa a la millora en el seu temps de recàrrega, arrel de les modificacions realitzades per un grup d’investigadors de l’Institut Tecnològic de Massa-chusetts, es podria recarregar el VE en períodes de temps tan breus com són cinc minuts. Tot això mi-llorant el problema que tenen els ions de liti en el seu moviment a través de la bateria, s’ha aconseguit realitzant un camí alternatiu lateral per als ions que els permeti viatjar de pol a pol de la bateria amb més rapidesa, aconseguint una distribució espacial de l’energia per cada un dels racons del dispositiu en pocs segons. Tot això introduint a la vegada un element que millora la conductivitat dels ions ano-menat fosfat de liti-ferro (LiFePO₄).

• hitachi ha anunciat la creació d’una quarta gene-ració del seu sistema de bateries amb una densitat de potència de 4.500 W/kg, gairebé el doble que les actuals bateries d’ió liti. Això ho fa utilitzant càtodes de manganès i elèctrodes més prims, juntament amb un nou mètode de captació de l’electricitat. Podem copsar la rapidesa com està evolucionat el sector afegint que la tercera generació de bateries d’ió liti, amb una densitat de potència de 3.000 W/kg, co-mençarà la seva producció en massa l’any 2010.