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(1)MATERIALES y ENERGIA: retos t y oportunidades t id d. Emilio Morán Departamento de Química Inorgánica F lt d de Facultad d Ciencias Ci i Q Químicas í i Universidad Complutense de Madrid. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 1. 1. Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 2. 2.

(2) Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos. Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 3. 3. 1. Energía: g hitos y fuentes MADERA. FUEGO. SOL. NÚCLEO CARBÓN. MUSCULO. MAREAS. PETRÓLEO. VIENTO ELECTRICIDAD. GEOTERMICA Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 4. 4.

(3) Fuentes de energia Sol  Combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural..) y no fósiles (madera, p. químicos..)  Energías E í renovables: bl hid hidroeléctrica, lé i eólica, óli biomasa,…  Energía nuclear (fisión, fusión)  Otras: geotérmica, geotérmica mareas, mareas etc. etc . Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 5. 5. Energía y sociedad . Consumo:. Fuente: www. Cienciateca.com (Pedro Gómez Romero) Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 6. 6.

(4) El petróleo se agota….. A. B Producción de petróleo en: A) USA B) resto del mundo Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 7. 7. Energía y sociedad: Problemas/Retos IIncremento de d la l población bl ó y demanda. d d Países emergentes (BRIC)  Agotamiento de los recursos fósiles  Irregular distribución geográfica de recursos  Incremento de los precios  Repercusiones en el medio ambiente: i.e.: efecto f invernadero, i d contaminación, i ió gestión ió de residuos nucleares, etc. . Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 8. 8.

(5) Energía y sociedad: soluciones Economizar el consumo  Mayor eficiencia  Búsqueda de energías alternativas  Energías renovables  Nuevas ideas, nuevos dispositivos,  Nuevos materiales . Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 9. 9. Energía eléctrica: ¿qué haríamos sin ella?. Vista nocturna de la Tierra (mapa compuesto; fuente: NASA). Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 10.

(6) Materiales y Energía eléctrica Producción: Generadores electromagnéticos, g , Dispositivos p fotovoltaicos, Pilas de combustible…  Almacenamiento: Baterías, Baterías supercondensadores…  Transporte: cables superconductores… . Energías g renovables en USA: NREL http://www.nrel.gov. 11. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 11. Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 12. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 12.

(7) Semiconductores: Dispositivos p Fotovoltaicos. Semiconductores: Dispositivos Fotovoltaicos.

(8) TiO2 Rutilo. Semiconductores III-V y II-VI: no sólo silicio. Band-gap modulable. Michael Grätzel (EPFL, LausanaSuiza) Células solares sensibilizadas con Colorante( dye-sensitized solar cells) Eficiencia: 10% Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 16.

(9) Semiconductores: diodos emisores de luz (LED s) (LED’s). Dispositivo fotovoltaico inverso. Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 18. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 18.

(10) Thomas Johann Seebeck Reval (Tallin): 1770 –Berlín:1831. Jean Charles A. Peltier Ham 1785, Paris 184. William Thomson, Thomson 1st Baron Kelvin Belfast 1824, Largs 1907. ∆V = α (TH – TC) TH. TH > TC. + Una diferencia de temperatura Produce una diferencia de potencial (2 conductores). Lord Kelvin predijo que la presencia de un gradiente de temperatura en un único material daría lugar a una diferencia de potencial. TC. -. Una corriente produce un Cambio de temperatura (2 conductores). Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. GENERADORES TERMOELÉCTRICOS ((TEG)) Dispositivo termoeléctrico reversible que convierte un ggradiente térmico en electricidad. V = T. Fuente: M. A. Alario-Franco. 19.

(11) Entre 1909 y 1911, Altenkirch(*), demostró que los materiales termoeléctricos deben tener : Coeficiente de Seebeck elevados (para maximizar el voltaje) : α >>>> Conductividad eléctrica elevada (para minimizar las pérdidas por efecto Joule):  >>> Conductividad térmica baja (para mantener un gradiente térmico elevado):  <<<. Las tres propiedades, que no son independientes se reunen en una Figura de Mérito Z. T ZT ZT  2. ZT = 1 actuales;. ZT= 2-3 Investigación;. ZT = 3-4 competitivos. La Figura de Mérito es una cantidad id d que se usa, en generall en ingeniería, i i para establecer bl las l prestaciones i de d un dispositivo, material o método y se emplea en relación a su utilidad relativa frente a otros. Fuente: M. A. Alario-Franco. Hacen falta semiconductores altamente dopados: [portadores]~ 1020 (buen conductor eléctrico). Segundo Problema:  tiene que ser pequeño (mal conductor térmico). Fuente: M. A. Alario-Franco. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 22.

(12) Ejemplos de Materiales Termoeléctricos. NaxCoO2 “strongly correlated materials”. I. Terasaki et al. Phys. Rev. B 56, (1997), R12685. Na0.3CoO2 1.3 H2O Tc = 4.5 K.

(13) Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 25. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 26.

(14) Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 27. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 27. Pila Daniell (1836). ANODO(‐) ‐ Eo = + 0 76 V Oxidación: Zn → Zn2+ (aq) 0.76 ( )+2e. CÁTODO (+). Reducción: Cu2+(aq) + 2 e‐ → Cu. Eo = + 0.34 0 34 V. Ecelda = 1.10 V. Celda galvánica: Dispositivo capaz de convertir energía química (de un proceso redox) en energía eléctrica. Estrategia Separación de los procesos de oxidación y de reducción (puente Estrategia: salino). Conexión electrónica externa. Batería: celda o conjunto de celdas conectadas (sin puente salino).Fuente de energía í eléctrica é a potencial constante. 28. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 28.

(15) Pila Pil de d Volta V lt (1800). 1801: Volta presenta su pila eléctrica a Napoleón. 29. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 29. Baterías primarias: Leclanché (1866) (Pila Seca). 1870. 1,5 Voltios Ánodo: Zn(s)  Zn2+ (aq) + 2 e‐ Cátodo: 2 NH4+ (aq) + 2 MnO2 (s) + 2 e‐  Mn2O3 (s) + 2 NH3 (aq) + H2O (l) 30. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 30.

(16) Baterías secundarias : Acumulador de Plomo G t Planté Gaston Pl té (1859) (1859), (70% de la producción mundial). Ánodo: Pb(s) + SO42‐ (aq) PbSO4 (s) + 2 e‐ Cátodo: PbO2(s) + 4 H+ (aq) + SO42‐ (aq) + 2e‐  PbSO4 (s) + 2 H2O (l) Voltaje (por celda): 2 Voltios. 12 Voltios ( 6 celdas) 31. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 31. Baterías: Parámetros característicos : • Capacidad: función del nº de electrones intercambiados y del P.M. Amperios x hora / kg. • Voltaje: V lt j diferencia dif i d de potencial i l entre llos pares redox. d • Energía específica: Watios x hora / kg • Densidad de energía: Watios x hora / litro • Potencia: Watios/ kg • Requisitos:. ó Watios/litro (potencia específica). tamaño, peso, seguridad, durabilidad, coste…… 32. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 32.

(17) Baterías:: Aplicaciones y Energía demandada Baterías Relojes y pequeños dipositivos: 0.1 – 0.5 Wh  Teléfonos móviles: 2 – 4 Wh  Ordenadores Od d portátiles: á il 30 – 100 Wh  Automóviles eléctricos: 5 – 10 KWh  Autobuses: > 100 Kwh  Centrales C t l urbanas: b MWh . 33. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 33. Baterías recargables      . Densidad de energía elevada. Ligeras y de tamaño reducido. Funcionando a T ambiente Estabilidad: ausencia de riesgos Larga duración (nº (n ciclos alto) Impacto medioambiental bajo.. 34. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 34.

(18) Baterías recargables: tipos          . Acumulador de Plomo: Pb + Pb4+↔ 2 Pb2+ 2V Níquel/ Cadmio: 2NiOOH + Cd + 2H2O↔ 2 Ni(OH)2 + 2 Cd(OH)2 1.4V Níquel q / MH NiOOH + LaNi5H6↔ Ni(OH)2 + LaNi5 1.2V Sodio/Azufre 2 Na + x S ↔ Na2Sx (x: 3 – 5 ) (350ºC !!) 2.6V Ión Litio: LiCoO2 + C ↔ Li1-x-CoO2 + LixC 3.2 – 4.2 V. 35. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 35. ¿Cómo Funciona una Batería recargable? J. M. Amarillas. ICMM. CSIC. Eposit.. Eneg.. Li+. Li+. Etapa Descarga : Li+Eneg. + Eposit. +  Li+Epost.+ Eneg. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 36.

(19) ¿Cómo Funciona una Batería recargable? J. M. Amarillas. ICMM. CSIC. Eposit. posit. Eneg. neg. Li+ Li+. Etapa Carga : Li+-Eposit. + Eneg.  Eposit. + Li+Eneg.. 37. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Comparación de baterias recargables. 38. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 38.

(20) Baterías de litio:Ventajas j.         . Li muy ligero (P.A = 6,94) , por tanto más ligeras. Muyy alta capacidad p Li muy reductor (Eº Li+/Li = 3 V). Altos voltajes por celda (~ 4 V) Alta densidad de energía, por tanto más pequeñas. Alta ciclabilidad (>1000 ciclos; aprox. aprox 3 años) Amplio rango de temperaturas (de -20 a 60 ºC) Ausencia de «efecto memoria» B autodescarga Baja d Menos contaminantes (ausencia de metales pesados aunque muchas contienen Co). Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 39. Baterías de litio: Inconvenientes       . Total ausencia de humedad. explosión Riesgos de explosión. Reservas limitadas de Li (Bolivia, Afganistán..) Reservas limitadas de Co (guerras del Coltán…) Dificultad Difi l d en cambios bi a nivel i l iindustrial d i l Costes / precio. etc. 40. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 40.

(21) Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 41. Baterias de sodio. V. Palomares et al. Energy & Environmental Science, 5 (2012), 5884. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 42.

(22) Baterías : áreas de investigación NUEVOS ELECTRODOS (+)cátodo y  ((-)) ánodo  NUEVOS ELECTROLITOS  NANOMATERIALES  NUEVOS DISEÑOS  NUEVAS APLICACIONES  OPTIMIZACIÓN OPT ZAC Ó . 43. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 43. Nuevos materiales como electrodos en baterías de litio.. +. Cátodo óptimo: Li Ni1/3Mn1/3Co1/3 O2 : 200 mAh g‐1. 44. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 44.

(23) Materiales catódicos (inserción): LiCoO2 (J.J Goodenough Goodenough,, 1990). Alto potencial redox. Emedio= 3.9 V Elevada evada capac capacidad dad reversible. eve s b e. Q Q=142 AhKgg-1 Elevada ciclabilidad. (> 1000 ciclos ). Pero: • Elevado coste • Toxicidad. Alto coeficiente de difusión. D=10-7-10-8cm2s-1 45. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 45. Materiales catódicos alternativos a LiCoO2: espinelas de Li/Mn. LiMn3+Mn4+O4. ↔. 2 ‐Mn4+O2 + Li+ + e‐. Síntesis sencilla, Alto voltaje (4 V); Capacidad moderadamente alta (120 mAhg‐1), b j costo, b bajo bajo j impacto i medioambiental,…. di bi l P Pero: Pérdida progresiva de capacidad al ciclar o con elevadas intensidades (ENVEJECIMIENTO) 46. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 46.

(24) Materiales catódicos alternativos a LiCoO2: fosfatos de Fe y Li J. Goodenough Goodenough.. 1997. Estructura tipo olivino. LiFe2+PO4 ↔ Fe3+PO4 + Li+ + e‐ • Baja conductividad electrónica ( l recubriendo b i d con C) (resuelta • Alta capacidad: 160 mAg 34V • Alto voltaje : 3.4 • Heterogeneidad de reacciones • Alta seguridad • Nula toxicidad • Bajo coste • Ha H propiciado i i d la l búsqueda bú d de d otros materiales: eg. LiFeSiO4. Hi h Power High P LiFePO4 LiF PO4 - 3.2V 3 2V 20AH tto 1000Ah ffrom EUR20 BMS BMS, chargers, h 12V b batteries tt i - www.ev-power.eu 47. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 47. Comparación C ió entre t baterías b t í recargables bl Fuente: web de M2Power (Amsterdam) 2009 LiFePO4. LiMn2O4. LiCoO2. PbA (Lead acid)). ENERGY STORAGE. Good. Good. Veryy Good. Bad. CYCLELIFE. 1500. 300-800. 300-500. 200-300. TOTAL COST OF Very Good OWNERSHIP. Acceptable. Acceptable. Acceptable. SAFETY. G d Good. Unsafe during high discharge. Unsafe during high discharge. G d Good. SIZE. Acceptable. Good. Very Good. Bad. WEIGHT. Good. Good. Very Good. Bad. OPERATING TEMPERATURE. Good -45°C to 70°C 70 C. Bad > 50°C. Bad < -20°C ad > Bad under 0°C 50 C Good 50°C 48. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 48.

(25) BATERIAS. LITIO / AIRE current density of 600 mAh/g!!!. Li + O2↔ Li2O2. http://www.physorg.com/news/2011-02-lithium-airbatteries-high-energy-density.html. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 49. Baterías de Litio: Materiales Anódicos (-) • Litio (10 KWhkg-1, pero problemas de seguridad…) • Grafito • Materiales carbonosos • Óxidos mixtos de Litio: i.e. Li4Ti5O12 (espinela), baterías «rocking chair». 50. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 50.

(26) Baterías de Litio: Electrolitos • LiClO4 disuelto di lt en carbonatos b t de d alquilo l il • LiPF6 disuelto en disolv disolv. orgánicos • Electrolitos poliméricos • Electrolitos sólidos: ej. La2/3-xLi3xTiO3 (perovskita) Li1+xM2-xAx(PO4)3 (M: Ge, Ti, Zr) (A= Sc, Al) L 3Zr Z 2O12 (granate) ( t ) Li7La q Requisitos: alta conductividad ((>10-3S cm-1) alta estabilidad (térmica y redox) baja viscosidad 51. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 51. Estrategias para la obtención de materiales b t í de d litio liti para baterías UCM – USP (CEU). Nuevas composiciones, Nuevas estructuras Cálculos a partir de primeros principios. DRX. ”in situ”. Materiales obtenidos bajo presión/ alta temperatura alta p p. Nuevos Procesados: NANOMATERIALES 52 Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 52.

(27) Ambient pressure. High pressure. O. O V. V. 6 GPa. 800ºC/90 min. double layers of composition V4O10. Well‐known electrode material. Electrochemical response vs. Li?. Chem. Mater., 2007, 19 (22), pp 5262– 5271. 53. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 53. Síntesis en minutos de LiCoO2 MICROONDAS Sí t i Síntesis.. LiNO3 + (1-x)CoCO3 + x Ga(NO3)3 · 2H2O  LiGaxCo(1-x) ( )O2 + CO2  + yNOx  0≤x≤0.25 1. Homogeneización intensa con acetona. 2 Prensado 2. P d en pastillas ill d de 0 0.3 3 gramos y 12 12mm d de diá diámetro. * L iG a O. * **. Crisol pequeño Intensidad (u.a.). *. x = 0 .1 0. 10. 20. 30. 50. 60. 440. 531. 511. 400. 40. 331. 222. x = 0 .0 0. 311. x = 0 .0 5. Pastilla. Crisol grande. x = 0 .2 0 x = 0 .1 5. 111. Mullita. ** *. 2. x = 0 .2 5 ***. 70. 2. 3. Radiación de microondas con potencia 350-650W y tiempo 5-20 minutos. Elena C. Gonzalo. E Gonzalo E. G l ett all . Mat. M t Chem. Ch Ph Phys. 121 (2010) (2010), 484 54. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 54.

(28) Lithium insertion/deinsertion of H2V3O8 nanowires produced by microwave microwave-hydrothermal hydrothermal method. Jesús Prado Gonjal et al. J. Power Sources (2013) http://dx.doi.org/10.1016/jpowsour.2012.12.125. Ceramic synthesis. 2000 W x 120 h = 240 kW.h. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Microwave synthesis. 200 W x 5 minutes = 0.016 kW.h. 240 kW.h / 0.016 kW.h = 15000 (reducing energy). 7200 min/ 5 min = 1440 ( d i time) (reducing ti ). 55. Fast reaction Low energy Low cost.

(29) MATERIALES PARA COMPONENTES DE BATERÍAS RECARGABLES DE LITIO Susana García Martín y Miguel Á. Alario Franco. (Scm-1). Óxid s tip Óxidos tipo L LaLiTiO: LiTiO: estructura structur y micr microestructura structur crist cristalinas; lin s; pr propiedades pi d d s eléctricas léctric s. La2/3LixTi1-xAlxO3. 1.0x10. -4. 8 0 10 8.0x10. -5 5. 6.0x10. -5. 4.0x10. -5. 2.0x10. -5. T = 1300º C T = 1000º C. 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35. Conductividad a 300 K en función de la composición y de la temperatura de congelación de la muestra. 57. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 57. ESTRUCTURAS POROSAS ORDENADAS COMO MATERIALES DE ELECTRODO María José Torralvo et al.. Moldeado por réplica TiO2 Macroporoso. . 25 ºC 50 A cm-2 Electrolito comercial LP30. TiO2 + x(Li+ +1e-) → LixTiO2. 100 nm. 100 nm. 100 nm. 100 nm. 58. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 58.

(30) Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 59. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 59. 5 Pilas de combustible 5. Dispositivos capaces de convertir eficientemente en energía eléctrica la energía asociada a un proceso de combustión (sin pérdidas térmicas). Son un tipo de batería primaria primaria. Combustible ideal : Hidrógeno Hidrógeno.. 60. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 60.

(31) (1839). El precursor, W. Grove : otra vez ideas del XIX para el siglo XXI. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Pila de combustible e-. e-. Gran superficie de contacto Electrolito delgado: conductor iónico y aislante electrónico. Comburente (O2). Combustible (H2). Anodo. Cátodo Electrolito. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 62. 61.

(32) Pila de combustible: ¿Como funciona?. Electrolito Sólido. A Avances d de lla Q Química í i y su iimpacto t en lla sociedad. i d d CSIC CSIC. M Madrid d id 24/01/2013. 63. Tipos de pilas de combustible. Tipo. Ión Móvil. Temperatura de operación. Comentarios. Alcalina (AFC). OH-. 50-200 ºC. Vehículos espaciales: p Apolo, p , Lanzadera,…. Membrana de intercambio p protónico (PEMFC). H+. 30-100. Vehículos y aplicaciones móviles. Metanol Directo ((DMFC)). H+. 20-90. Sistemas portátiles de baja potencia: ordenadores, teléfonos (larga duración). Ácido Fosfórico (PAFC). H+. 220. Existen muchos de hasta 200 kW en funcionamiento. Carbonato fundido. CO32-.  650. Adecuados para centrales de ciclo combinado (CHP: combined heat and power) de tamaño medio ( 1 MW). Óxido sólido (SOFC). O2-.  500-1000. Válido para ciclo combinado en diferentes tamaños 64. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013.

(33) Alcalinas AFC. Membrana Polimérica. Automoción. Dispositivos. Ácido fosfórico: PAFC Calefacción y electricidad de q de apartamentos p un bloque. 100 kW Metanol directo. Óxido sólido: SOFC Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Carbonato fundido: 65 MCFC. Óxido sólido: SOFC Ánodo: H2 +O=. H2O + 2 e. Cátodo: ½ O2 + 2e Célula: H2+ ½ O2. O= H2O. Electrolito: YSZ Zirconia estabilizada con Ytria. 600--1000 ºC 600. Hidrógeno g y aire;; electrolito barato Alta temperatura, simplifica el reformado platino”: LaMO3 ( M = Fe, Mn, Cr….)) y derivados “Electrodos sin p Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 66.

(34) Conjunto de 24 pilas SOFC 2.2 cm x 150 cm (Siemens Westinghouse). Batería de SOFC: 1152 células y 200 kW. Unidad de ciclo combinado: Calor y electricidad 8.5 x 3.0 x 3.0 m3; 100 kW. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 67. Materiales empleados como componentes de pilas de combustible SOFCs. Perovskita. Cátodo RuddlesdenPopper ((K2NiF4). Ln1-xM’xM’’O3-δ Ln=La,Pr,Nd,Sm , , , M’=Ca,Ba,Sr M’’=Co,Mn,Fe. LM’M’’. M’1-xSrxCo1-yFeyO3-δ M’=La, Ba. M’SCF. M’2-xSrxM M M’’O O4-δ M’=Pr,Sm M’’=Fe,Co. M’SM’’. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 68.

(35) Materiales empleados como componentes de pilas de combustible SOFCs. Componente. Estructura. Fluorita. Ánodo. Composición. Acrónimo. M’-(Zr1-xYxO2-δ) M’= Co, Cu,Ni,Rh,Ru. M’-YSZ. M’O-(Zr1-xYxO2-δ) M’=Co, Ni. M’O-YSZ. M’O-(Ce1-xGdxO2-δ) M’=Co,Ni. M’O-CGO. La1-xSrxCr1-yM’yO3-δ M’=Mn,Fe,Co,Ni. LSCM’. P Perovskita kit Sr2MgMoO6-δ. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 69. Materiales empleados como componentes de pilas de combustible SOFCs. Zr1-xM’xO2-δ M’=Y,Sc,Ca. M’SZ. Ce1-xM M’xO2-δ M’=Gd,Sm,Y,La,Nd,Ca,Ba. M CGO M-CGO. Perovskita. BaM’1-xM’’xO3-δ M’=Zr,Ce M’’=La,Nd,Y,Gd,Sm,Tb,Yb. BM’M’’. Apatita. La10(MO4)6O2-δ M=Si, Ge. Cuspidina. La4(Ga2-xGexO7+1/2x)O2. Fluorita. Electrolito. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 70.

(36) Ref: AA-2-2. Materiales para electrodos. Procesado de componentes de SOFC. Configuración g tubular. Configuración planar. Top.: 900-1000 ºC. Autosoportadas. Top.< 800 ºC. Ánodo soportado. Paso crítico: obtener electrolitos densos y de pequeño espesor Alejandro Várez et al. UC3M.. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 71. Síntesis asistida por microondas de componentes de pilas de combustible SOFCs Del microondas…. …a la pila de combustible. LaFeO3 J Prado‐Gonjal et al. J.Prado‐Gonjal al Mat.Res.Bull Mat Res Bull 46 (2011), (2011) 222 J Prado-Gonjal et al J Eur Ceram Soc 32 (2012), 611 72 Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013.

(37) Increased ionic conductivity in microwave hydrothermally synthesized rare–earth rare earth (RE) doped ceria Ce1-xRExO2-x/2 Jesús Prado-Gonjal et al, J. Power Sources (2012) 0.00175. 0.00200. 0.00225. Temperature [K] 10. 615. 9. GB. 10. 571. 533. 500. 471. CeO2- EA = 0.93 eV. 8. 10. 444. 1 1. Ce0.85Gd0.15O1.925 EA = 0.94 eV. 1. 7. 10. 1 0. 250000. 10. 5. 10. 4. 10. Ce0.8Gd0.1Sm0.1O1.9 EA = 1.00 eV Ce0.85 Sm0.15 O1 925 0 85 0 15 1.925 EA = 0.96 eV. 10. 0.00175. 1. 560 K. 5. 2.5x10. 250000. 1. GB bulk 0.0 0.0. 3. 500000. Ce0.8Gd0.1Sm0.1O1.9. 6. -Z ''. GB resistivity (R G R2) [cm]. 10. 0.00200. 1. IF 0. Z'. 5. 2.5x10. 5. 5.0x10. 1. 0.00225. 1/T [1/K]. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013 73. Indice 1. 2. 3. 4. 5 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible combustible. Vehículo eléctrico S Superconductores. d t Almacenamiento de hidrógeno. Conclusión. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 74 74.

(38) 6 El vehículo 6. hí l eléctrico: lé t i •A considerar: •Autonomía , prestaciones y precio. precio • Baterías : ¿electrolineras? EV, PEV • Pilas de combustible: ¿hidrogeneras? FCEV • Híbridos HEV • Mercado potencial inmenso. •La Agencia Internacional de Energía afirmaba que en 2050 al menos un tercio de los vehículos será eléctrico, otro tercio será representado por coches híbridos y los demás serán coches eléctricos que q utilizan combustible de hidrógeno (la realidad es que las marcas más importantes se han lanzado al mercado). Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Primer automóvil eléctrico. Thomas Parker. Inglaterra (1884) El motor de d combustión b ió ganó la batalla.. Modelo 100% eléctrico (2009) Velocidad Máxima 100 Km/h Autonomía 180 km Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 76. 75.

(39) El coche eléctrico (EV) o híbrido(HEV) No contamina, al no emitir ni GASES ni RUIDO g Problemas: Autonomía, recarga, duración NEC Battery Cátodo de LiMn2O4 Voltaje= 3.8V Energía específica= 87 WhKg-1. Prototipo FTO-EV’s Mitsubishi Motor’s & Japan Storage Battery Record Mundial de distancia recorrida en 1dia: 2142 Km. 77. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 77. tandem with a lithium battery and a h d hydrogen ffuell cell. ll. (C ti (Continuará…) á ) Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 78.

(40) Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 79. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 79. 7. Superconductores: resistencia cero. Kammerlingh-Onnes 1911. Efecto Meissner 80. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 80.

(41) SUPERCONDUCTORES: la revolución de los SCAT*. YBCO: Tc : 90 ºK *SCAT: superconductores de alta temperatura crítica. SUPERCONDUCTORES. No sólo la temperatura Tc es crítica: también existen campos magnéticos y corrientes críticas, Bc y Jc. En el Superconductor ideal los tres parámetros deben ser altos..

(42) Xavier Obradors ICMAB-CSIC. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 83. Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C l ó Conclusión. 84. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 84.

(43) Fuente: Victor Orera. Orera ICMA-CSIC ICMA CSIC Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 85. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 86. Fuente: Victor Orera. ICMA-CSIC.

(44) Almacenamiento de hidrógeno: hidruros metálicos. MgH2. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Nuevos materiales de carbono basados en grafeno L Carlos L. C l Otero-Díaz Ot Dí ett al. l 2010. 2010 Carbones derivados de carburos Ej. C derivado de Mo2C Carbones derivados de metalocenos Ej C derivado de Cr(C6H6)2 Ej.. Materiales multifuncionales: baterías (ánodo); supercondensadores, etc…. 88. 87.

(45) Indice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7 7. 8. 9.. Energía: retos y oportunidades. Semiconductores: fotovoltaicos y LED’s Termoeléctricos Baterías. Pilas de combustible. Vehículo eléctrico Superconductores Superconductores. Almacenamiento de hidrógeno. C Conclusión. l ió 89. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 89. 9. Conclusión • El desarrollo sostenible requiere energías renovables (provenientes del Sol). Sol) • La gestión eficiente de la energía requiere nuevas eas, nuevos uevos ssistemas ste as y ….. ideas, !! NUEVOS MATERIALES !! • Esto se aplica especialmente a la energía eléctrica. • La Energía es un tema de trabajo prioritario y … !!con todo el futuro por delante!!. 90. 90 Avances de la Química y su impacto en la sociedad CSIC Madrid 24/01/2013.

(46) Fuentes bibliográficas: algunos ejemplos de revistas apropiadas. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 91.

(47) En pie: Lucía Lázaro, Verónica Blanco, Miguel Angel Alario y Franco, Carmen Parada, Sourav Marik, Jesús Prado-Gonjal, María José Torralvo , Susana García-Martín, Soubatki, Javier Fernández-Sanjulián, Iván Pirrotta, Carlos Otero-Díaz Agachados: Daniiel Muñoz, Antonio DosSantos, Regino Sáez-Puche, Juan Peña, Emilio Morán, D id Á David Ávila. il Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. Programa Materyener (CAM) • Refs:. • • • • •. 93. 2006-2014. S-0505/PPQ-0093 y P2009/PPQ-1626. Grupos Participantes: UCM: Coordinador: (M. A. Alario y Franco et al.) USP-CEU ((F. García-Alvarado et al.)) UC3M (A. Várez, B. Levenfeld et al.) ICMM-CSIC (J. Sanz et al.). ICMM. www.ucm.es/info/materyener. 94. Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 94.

(48) Avances de la Química y su impacto en la sociedad. CSIC. Madrid 24/01/2013. 95.

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