presentación

(1)

1 Ciclo: Los avances de la Química y su impacto

en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

NUEVOS MATERIALES PARA

LA ENERGIA (eléctrica)

Emilio Morán

Departamento de Química Inorgánica

Facultad de Ciencias Químicas

Universidad Complutense de Madrid

1

2

Indice

1. Energía: aspectos generales.

2. Baterías.

(2)

3

1. Energía: hitos y fuentes

VIENTO

MUSCULO

SOL

FUEGO

CARBÓN

PETRÓLEO

NÚCLEO

ELECTRICIDAD

4

Fuentes de energia

Sol

Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas

natural.

Energías renovables: hidroeléctrica, eólica,

biomasa,…

Energía nuclear (fisión, fusión)

(3)

5

Energía y sociedad

Consumo:

Fuente:www.Cienciateca.com(PedroGómezRomero)

6

Produccióndepetróleoen:A)USAB)restodelmundo

A

B

(4)

7

EnergiaelectricaenEspaña

8

Energía y sociedad: Problemas

Incremento de la demanda. Países

emergentes

Agotamiento de los recursos fósiles

Irregular distribución geográfica de recursos

Incremento de los precios

(5)

9

Energía y sociedad: soluciones

Economizar el consumo

Mayor eficiencia

Búsqueda de energías alternativas

Energías renovables

Nuevas ideas, nuevos dispositivos,

nuevos

materiales

10

(6)

11

Materiales y Energía eléctrica

Producción

: Generadores electromagnéticos,

Dispositivos fotovoltaicos, Pilas de

combustible…

Almacenamiento

: Baterías,

supercondensadores…

Transporte

: cables superconductores…

EnergíasrenovablesenUSA:NREL

http://www.nrel.gov

12

2. BATERIAS

Conceptos

Historia

Tipos

Baterias de ión litio

(7)

13

Pila Daniell (1836)

Celdagalvánica:Dispositivocapazdeconvertirenergíaquímica

(deunprocesoredox)enenergíaeléctrica.

Estrategia

:Separacióndelosprocesosdeoxidaciónydereducción(puente

salino).Conexiónelectrónicaexterna.

Batería:

celdaoconjuntodeceldasconectadas

(sinpuentesalino)

.Fuentede

energíaeléctricaapotencialconstante.

ANODO()

Oxidación:Zn Zn

2+

(aq)

+2e

E

o

=+0.76V

CÁTODO(+)

Reducción:Cu

2+

(aq)

+2e

CuE

o

=+0.34V

Ecelda

=

1.10V.

14

Pila de Volta (1800)

(8)

15

Baterías primarias y secundarias

16

Baterías primarias: Leclanché (1866)

(Pila Seca)

1870

1,5Voltios

Ánodo:Zn(s)

Æ

Zn

2+

_(aq)+2e

Cátodo:2NH

₄

+

_(aq)+2MnO

(9)

17

Baterías secundarias :

Acumulador de Plomo

Gaston Planté (1859),

(70% de la producción mundial)

Ánodo: Pb(s)+SO

₄

2 _(aq)

Æ

_PbSO

4 (s)+2e

Cátodo:PbO

₂

(s)+4H

+

_(aq)+SO

4

2 (aq)+2e

Æ

PbSO

4 (s)+2H

2 O(l)

Voltaje(porcelda):2Voltios

12Voltios(6celdas)

18

Baterías

: Parámetros característicos :

• Capacidad:

función del nº de electrones intercambiados y del P.M.

Amperios x hora / kg.

• Voltaje

: diferencia de potencial entre los pares redox.

• Energía específica

: Watios x hora / kg

• Densidad de energía

: Watios x hora / litro

• Potencia:

Watios/ kg ó Watios/litro (potencia específica)

(10)

19

Baterías primarias y secundarias

Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

19

M. Rosa Palacín.

_{Chem. Soc. Rev.}

38 (2009) 2565

20

Baterías

: Aplicaciones y Energía

demandada

Relojes y pequeños dipositivos: 0.1 – 0.5 Wh

Teléfonos móviles: 2 – 4 Wh

Ordenadores portátiles: 30 – 100 Wh

Automóviles eléctricos: 5 – 10 KWh

Autobuses: > 100 Kwh

(11)

21

Baterías recargables

Densidad de energía

_elevada

.

Ligeras y de tamaño

_reducido

.

Impacto medioambiental

_bajo

.

22

Baterías recargables: tipos

Acumulador de Plomo

:

Pb + Pb

4+

_{2 Pb}

2+

_2V

Níquel/ Cadmio:

2NiOOH + Cd + 2H

₂

O 2 Ni(OH)

₂

+ 2 Cd(OH)

₂

1.4V

Níquel / MH

NiOOH + LaNi

₅

H

₆

Ni(OH)

₂

+ LaNi

₅

1.2V

Sodio/Azufre

2 Na + x S Na

₂

S

_x

(x: 3 – 5 ) (350ºC !!) 2.6V

Ión Litio:

LiCoO

₂

+ C Li

_1-x-

CoO

₂

+ Li

_x

C 3.2 – 4.2 V

(12)

23

¿Cómo Funciona una Batería recargable?

J. M. Amarillas. ICMM. CSIC

Li

+

Li

+

Etapa Descarga

: Li

+

_-E

neg.

+ E

post.

+

Æ

Li

+

-E

post.

+ E

neg.

E

_post.

E

_neg.

24

¿Cómo Funciona una Batería recargable?

J. M. Amarillas. ICMM. CSIC

Etapa Carga

: Li

+

_-E

post.

+ E

neg.

Æ

E

post.

+ Li

+

-E

neg.

E

_post.

E

_neg.

Li

+

(13)

25

Baterías recargables: comparación

25

26

(14)

27

28

Las baterías de litio dominan el mercado en el campo

de las 3 Cs: Cell phones, Computers, Cameras

(15)

29

Baterías de litio: Ventajas

Li muy ligero (P.A = 6,94) , por tanto

más ligeras.

Muy alta capacidad

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. 3 años)

Amplio rango de temperaturas (de -20 a 60 ºC)

Ausencia de «efecto memoria»

Baja autodescarga

(16)

31

Baterías de litio: Inconvenientes

Total ausencia de humedad.

Riesgos de explosión.

Reservas limitadas de Li (Bolivia, Afganistán..)

Reservas limitadas de Co (guerras del Coltán…)

Dificultad en cambios a nivel industrial

Costes / precio.

etc

32

Baterías de litio: áreas de investigación

NUEVOS

ELECTRODOS (+)cátodo y

(-) ánodo

NUEVOS

ELECTROLITOS

OPTIMIZACIÓN DE

PROCESADO

NUEVOS

DISEÑOS

(17)

33

Nuevos materiales como

electrodos

en baterías de litio.

34 34

(18)

35

Materiales catódicos (inserción): LiCoO

₂

(J. Goodenough, 1990)

Alto potencial redox.

E

_medio

= 3.9 V

Elevada capacidad reversible.

Q=142 AhKg

-1

Elevada ciclabilidad. (

> 1000 ciclos

)

Alto coeficiente de difusión.

D=10

-7

_-10

-8

_cm

2

_s

-1

Pero:

• Elevado coste

• Toxicidad

36

Materiales catódicos alternativos a LiCoO

₂

:

espinelas de Li/Mn

- (

Li

+

, e

-

)

+ (

Li

+

, e

-

)

LiMn

3+

_Mn

4+

_O

4

2 O

Mn

4+

O

2 +Li

+

+e

Síntesissencilla,Altovoltaje(4V);Capacidadmoderadamentealta(120mAhg

1 ₎

,

bajocosto,bajoimpactomedioambiental,….

Pero:

(19)

37

Materiales catódicos alternativos a LiCoO

₂

:

fosfatos de Fe y Li

J. Goodenough. 1997

LiFe

2+

_PO

4 Fe

3+

PO

4 +Li

+

+e

• Bajaconductividadelectrónica

(resueltarecubriendoconC)

• Altacapacidad:160mAg

• Altovoltaje:3.4V

• Heterogeneidaddereacciones

• Altaseguridad

• Nulatoxicidad

• Bajocoste

• Hapropiciadolabúsquedadeotros

materiales:eg.LiFeSiO

₄

Estructuratipoolivino

38

Comparación entre baterías recargables

LiFePO4

LiMn2O4

LiCoO2

PbA

(Lead acid)

)

ENERGY

STORAGE

Good

Very Good

Bad

CYCLELIFE

1500

300-800

300-500

200-300

TOTAL COST

OF

OWNERSHIP

Very Good

Acceptable

SAFETY

Good

Unsafe during

high discharge

Unsafe during

high discharge

Good

SIZE

Acceptable

Good

Very Good

Bad

WEIGHT

Good

Very Good

Bad

OPERATING

TEMPERATURE

Good -45°C to

70°C

Bad > 50°C

Bad < -20°C ad >

50°C Good

Bad under 0°C

(20)

39

Baterías de Litio: Materiales Anódicos (-)

• Litio (10 KWhkg

-1

_{, pero problemas de seguridad…)}

• Grafito

• Materiales carbonosos

• Óxidos mixtos de Litio: i.e. Li

₄

Ti

₅

O

₁₂

(espinela),

baterías «rocking chair»

40

Baterías de Litio: Electrolitos

• LiClO

₄

disuelto en carbonatos de alquilo

• LiPF

₆

disuelto en disolv. orgánicos

• Electrolitos poliméricos

• Electrolitos sólidos: ej. La

_2/3-x

Li

_3x

TiO

₃

(perovskita)

Li

_1+x

M

_2-x

A

_x

(PO

₄

)

₃

(M: Ge, Ti, Zr) (A= Sc, Al)

Li

₇

La

₃

Zr

₂

O

₁₂

(granate)

Requisitos: alta conductividad (>10

-3

_{S cm}

-1

₎

(21)

41

Baterías recargables: no convencionales

• De aleación

• De flujo redox

• Con otros metales (Na

+

_{, Mg}

2+…)

42 Nuevas estrategias para la obtención de materiales

para baterías de litio

UCM – USP (CEU)

Cálculos a partir

de primeros principios

Nuevos Procesados

Nuevas composiciones,

Nuevas estructuras

DRX

”in situ”

Materiales obtenidos bajo

alta presión/ alta temperatura

(22)

43

V

O

Ambientpressure

O

V

Highpressure

6 GPa

800ºC/90 min

V

₂

O

₅

Wellknownelectrodematerial

Electrochemicalresponsevs.Li?

doublelayersofcompositionV

₄

O

₁₀

44

1)Towardsinnovativeelectrodematerialsobtainedbyhighpressure:

ExperimentalandcomputationalstudyofHPV

₂

O

₅

E.Arroyoetal.ElectrochemicalCommunications

2007

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4

E / V

cycles 1-26 C / 7

x in Li

x

HP-V

2 O

5

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 0.4 0.8 1.2 1.6

E /

V

cycles 27 - 52 C / 3.5

x in HP-LixV2O5

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

0

0.5

1

1.5

2 E /

V

x in HP-Li

x

V

2 O

5

1

25

29

77

2

78

30

26 Phase5

(23)

45 2) Structural evolution of ramsdellite-type LixTi2O4 upon electrochemical

lithium insertion-deinsertion (0

d

x

d

1).

J. of Power Sources 2007

Structural evolution during topotactical electrochemical lithium insertion and deinsertion

reactions in ramsdellite-like Li

_x

Ti

₂

O

₄

has been followed by means of

in situ

X-ray

diffraction techniques

(conventional XRD and SYNCHROTRON)

The small changes in cell parameters

well reflect the

remarkable flexibility of the ramsdellite

framework against

lithiation and delithiation reactions

.

1

1.5

2

2.5

3

0

0.5

1

1.5

2 x in Li

x

Ti

2

O

4

E / V vs. Li

+

/Li

x Li in Li

x

Ti

2 O

4 II II+III

III

I+II

I

x in Li

_x

Ti

₂

O

₄

Vo lu me ( Å 3)

x in LixTi2O4

136 138 140 142 144 136 138 140 142 144

0 0.5 1 1.5 2 Phase I Phase II Phase III

45

46 46

Elena C. Gonzalo

LiNO

3

+ (1-x)CoCO

3

+ x Ga(NO

3

)

3

· 2H

2

O

o

LiGa

x

Co

(1-x)

O

2

+ CO

2

n

+ yNO

x

n

0x0.25

1. Homogeneización intensa con acetona.

2. Prensado en pastillas de 0.3 gramos y 12mm de diámetro.

Crisol grande Crisol pequeño Mullita Pastilla Crisol grande Crisol pequeño Mullita Pastilla

Síntesis.

3. Radiación de microondas con potencia 350-650W y tiempo 5-20 minutos.

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

53 1 44 0 33 1 40 0 51 1 22 2 31 1 * * * ***** * * *

x = 0 . 0 0 x = 0 . 0 5 x = 0 . 1 0 x = 0 . 1 5 x = 0 . 2 0 x = 0 . 2 5

2T In te n s id ad ( u .a .) * 11 1

* L iG a O2

SíntesisenminutosdeLiCoO

₂

MICROONDAS

(24)

47 47

MATERIALES PARA COMPONENTES DE BATERÍAS RECARGABLES DE LITIO

Susana García Martín y Miguel Á. Alario Franco

Óxidos tipo LaLiTiO: estructura y microestructura cristalinas; propiedades eléctricas

La

_2/3

Li

_x

Ti

_1-x

Al

_x

O

₃

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 2.0x10-5 4.0x10-5 6.0x10-5 8.0x10-5 1.0x10-4 V (Scm -1)

T = 1300º C

T = 1000º C

Conductividad a 300 K en función de la composición y de

la temperatura de congelación de la muestra

48 48

(Li

_1-x

Na

_x

)

_0.2

La

_0.6

TiO

₃

(Jesús Sanz et al)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 (a) lo g Vdc ( S /c m) a t R T [Li] LLTO LNLTO In te rc al at ed li th iu m 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

x in Li

0.5-xNaxLa0.5TiO3

Los caminos de difusión del Li bloqueados

por el Na.

La substitución de Li por Na reduce drásticamente las

propiedades de transporte (Na > 0.2).

400

200

0

200

400 (Li

1x

Na

x

)

0.2 La

0.6

TiO

₃

x=0.0

x=0.5

x=0.65

x=0.8

ppm

(Li

1-x

Na

x

)

0.2

La

0.6

TiO

3

DN

_EIC

RMN

Insercion

Electroquímica

Conductores I

ó

nicos de Litio

Ref: A

(25)

49

100nm

TiO

₂

Macroporoso

ESTRUCTURASPOROSASORDENADASCOMOMATERIALESDEELECTRODO

MaríaJosé Torralvoetal.

Moldeado por réplica

Þ

25

25 º

º

C

50

50 P

P

A cm

--22

Electrolito comercial LP30

TiO

₂

+ x(Li

+

_+1e

-

_{) Li}

x

TiO

2

50

3. Pilas de combustible

Concepto

Historia

Tipos

Pilas de óxido sólido (SOFC)

(26)

51

Pilas de combustible

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. Combustible ideal : Hidrógeno.

52 Sir Willam Robert

Grove (1811-1896)

(1839)

Ciclo: Los avances de la Química

y su impacto en la

Sociedad Emilio Morán 25 nov

(27)

53 Electrolito

Electrolito

á

nodo

c

á

tod

o

tod

o

dispositivo

Combustible: H

₂2

Comburente (oxidante): O

22

Esquema de una pila de combustible de hidrógeno

e

-

-e

e

-

-H

+

H

₂₂

2H

++

_+2e

2H

++

_{+ 2e +}

_{1/2 O}

2

H

22

O

(sub)

-

producto: H

₂₂

O

½ O

₂

+ 2 e O

2-Sólido

Conductor iónico

de hidrógeno

53

54 Pila de

combustible

H

₂

O (+

i )

H

₂

+ ½ O

₂

H

₂

+ ½ O

₂

H

₂

O (+

i )

H

₂

O H

₂

+ ½ O

₂

54 ELECTROLISIS

(28)

55 Combustible (H

₂

)

Comburente (O

2 )

Cátodo

Anodo

Electrolito

Pila de combustible

Gran superficie de

contacto

Electrolito delgado:

conductor iónico y

aislante electrónico

So

luc

i

So

luc

i

ó

n

e

-

_e

-55

56 Electrolito

Pila de combustible:

¿

Como funciona?

Sólido

Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.

Emilio Morán. 25 nov. 2010

(29)

57 Tipo

Ión

Móvil

Temperatura

de operación

Comentarios

Alcalina

(AFC)

OH

-

_{50-200 ºC}

_{Vehículos espaciales: Apolo,}

Lanzadera,…

Membrana de

intercambio 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

CO

₃2-

|

₆₅₀

_{Adecuados para centrales de ciclo}

combinado (CHP:

combined heat

and power

) de tamaño medio (

|

1 MW)

Óxido sólido (SOFC)

O

2-

_|

_500-1000

_{Válido para ciclo combinado en}

diferentes tamaños

Tipos de pilas de combustible

57

58 Electrolito:

KOH (aq)

embebida en una matriz

90

90 -

-

100

100 º

º

C

Ánodo: H

₂

+ 2 OH

-

_2H

2

O + 2 e

Cátodo: ½ O

₂

+ H

₂

O+2e 2 OH

-Célula: H

₂

+ ½ O

₂

H

₂

O

Pilas Alcalinas: AFC

“Baratas”

(30)

59 Membrana Polimérica

Pila de

Membrana de

intercambio

protónico

30-100 ºC

Ánodo: H

₂

2H

+

_{+ 2 e}

-Cátodo: ½ O

₂

+ 2H

+

_{+ 2 e}

-

_H

2 O

Célula: H

₂

+ ½ O

₂

H

₂

O

59

(31)

61 Airgen, Fuel Cell Generator,

Airgen, Fuel Cell Generator,

BALLARD

Recomended

retail price

EUR 6,495.00

(without tax,

duty and

delivery)

only available

in North

America

61

62 Metanol directo

Metanol directo

Á

nodo: CH

₃

OH + H

₂

O

CO

₂

+ 3H

₂

3H

₂

6H

+

_{+ 6e}

2 H

+

_{+ O}

=

_H

2 O

Facilidad de almacenamiento del combustible

Produce CO

₂

Otros combustibles

:

(32)

63 Á

Á

cido fosf

ó

rico:

PAFC

Electrolito: Ácido fosfórico liq.

embebido en una matriz

175 175-

-200

200 º

ºC

C

Á

Ánodo: H

nodo: H

22

2H

++

+ 2 e

C

Cá

átodo:

todo: ½

½

O

22

+ 2H

++

+2e H

22

O

C

Cé

élula: H

lula: H

22

+

½

O

22

H

22

O

Calefacción y electricidad de

un bloque de apartamentos

Primera comercializada; Más de 200

instaladas en el mundo

COGENERACIÓN únicamente

Hasta 200 kw de potencia eléctrica y

otros 220 kW de potencia térmica

Eflorescencia ácido fosfóri

co

63

64 Carbonato fundido:

Carbonato fundido:

MCFC

Gas “impuro”: Gas natural, gas de síntesis,

biogás,...

No hace falta reformado; Cogeneración

CO no es un problema: alta temperatura. No

catalizador

Electrolito: Solución de carbonatos

de litio, sodio y/o potasio embebida

en una matriz

600 600-

-1000

1000 º

ºC

C

Ánodo: H

2

+ CO

3=

H

2

O+CO

2

+ 2e

Cátodo: ½ O

2

+ CO

2

+2e CO

3=

Célula: H

2

+ ½ O

2

+CO

2

H

2

O +CO

2

(33)

65 Ó

Ó

xido s

ó

lido:

SOFC

Ánodo: H

2

+O

=

H

2

O + 2 e

Cátodo: ½ O

2

+ 2e O

=

Célula: H

2

+ ½ O

2

H

2

O

Electrolito:

Zirconia estabilizada

con Ytria

600

600 -1000

-

1000 º

ºC

C

Hidrógeno y aire; electrolito barato

Alta temperatura, simplifica el reformado

“Electrodos sin platino”: LaMO

₃

( M = Fe, Mn, Cr….) y

derivados

65

66 SOFC:

SOFC:

Ó

xido s

ó

lido

1 kW

100 kW

Ánodo: H

2

+O

=

H

2

O + 2 e

Cátodo: ½ O

2

+ 2e O

=

Célula: H

2

+ ½ O

2

H

2

O

(34)

67 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 m

3 _{; 100 kW}

67

68 Componente

Estructura

Composición

Acrónimo

Ánodo

Fluorita

M’-(Zr

_1-x

Y

_x

O

_2-

)

M’= Co, Cu,Ni,Rh,Ru

M’-YSZ

M’O-(Zr

_1-x

Y

_x

O

_2-

)

M’=Co, Ni

M’O-YSZ

M’O-(Ce

1-x

Gd

x

O

2-

)

M’=Co,Ni

M’O-CGO

Perovskita

La

_1-x

Sr

_x

Cr

_1-y

M’

_y

O

3-M’=Mn,Fe,Co,Ni

LSCM’

Sr

₂

MgMoO

6-Cátodo

Perovskita

Ln

1-x

M’

x

M’’O

3-Ln=La,Pr,Nd,Sm

M’=Ca,Ba,Sr

M’’=Co,Mn,Fe

LM’M’’

M’

_1-x

Sr

_x

Co

_1-y

Fe

_y

O

3-M’=La, Ba

M’SCF

Ruddlesden-Popper (K

₂

NiF

₄

)

M’

_2-x

Sr

_x

M’’O

4-M’=Pr,Sm M’’=Fe,Co

M’SM’’

Electrolito

Fluorita

Zr

_1-x

M’

_x

O

2-M’=Y,Sc,Ca

M’SZ

Ce

1-x

M’

x

O

2-M’=Gd,Sm,Y,La,Nd,Ca,Ba

M-CGO

Perovskita

BaM’

_1-x

M’’

_x

O

3-M’=Zr,Ce

M’’=La,Nd,Y,Gd,Sm,Tb,Yb

BM’M’’

Apatita

La

10

(MO

4

)

6

O

2-M=Si, Ge

Cuspidina

La

4

(Ga

2-x

Ge

x

O

7+1/2x

)O

2

(35)

69 Electrolitos para SOFC

Electrolitos para SOFC

(1-x) ZrO

₂

+ x/2 Y

₂

O

₃

<> Zr

_1-x

Y

_x

O

_2-x/2

_x/2

+

ZrO

₂

<> Zr

₂

O

₄

Y

₂

O

₃

Ciclo: Los avances de la Química

y su impacto en la

Sociedad Emilio Morán 25 nov

69

70 Conductividad el

Conductividad el

é

ctrica a 1000

º

C de las circonas

estabilizadas en funci

ó

n de la concentraci

ó

n de dopante

Electrolitos para SOFC

(36)

71 Electrolitos para SOFC

Electrolitos para SOFC

Conductividad eléctrica de diferentes electrolitos sólidos en función de la temperatura

71

72 Tamaño de las partículas de Rh: 30 Å

Tamaño de las partículas de CeO

₂

: 1000 Å

100nm

20 nm

Impregnación de CeO

₂

con sales de Rodio

Formación de partículas metálicas de Rh.

Materiales para electrodos

Ref: A

-

2

2 -

-

1

1 Diseño de conductores mixtos, iónicos y electrónicos, para

electrodos de pilas de combustible de óxido sólido.

Rh/ Zr

_1-x

Ce

_x

O

₂

de alta superficie S

_BET

C. Force, E. Román, J.M. Guil, J. Sanz, J. Phys. Chem., (2007).

Objetivos:

Analizar la reducción de los óxidos (RTP, OSC).

Adsorción de hidrógeno (técnica RMN).

Determinar la movilidad de hidrógeno.

(37)

73 Configuración tubular

Configuración planar

Materiales para electrodos

Ref: A

-

2

2 -

-

2

2 Procesado de componentes de SOFC

Procesado de componentes de SOFC

Ánodo soportado

Autosoportadas

Paso crítico:

obtener electrolitos densos y de pequeño espesor

T

_op.

: 900-1000 ºC

T

_op.

< 800 ºC

73 Alejandro Várez et al. UC3M.

74 Del microondas…

…a la pila de combustible

LaFeO

₃

SíntesisasistidapormicroondasdecomponentesdepilasdecombustibleSOFCs

(38)

75

• Situación actual y perspectivas:

Autonomía y prestaciones.

Baterías : ¿electrolineras?

Pilas de combustible: ¿hidrogeneras?

Híbridos.

Mercado.

6. El vehículo eléctrico

76

Primer automóvil eléctrico.

Thomas Parker. Inglaterra (1884)

El motor de combustión

ganó la batalla.

(39)

77

El coche eléctrico (EV) o híbrido(HEV)

NEC Battery

Cátodo de LiMn

₂

O

₄

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

Nocontamina,alnoemitirni

GASESniRUIDO

Problemas:Autonomía,recarga,

duración

(40)

79 Internacionalización del Programa

www.hychain.org

Ciclo: Los avances de la Química

y su impacto en la

Sociedad Emilio Morán 25 nov

79

80 Ciclo: Los avances de la Química

y su impacto en la

Sociedad Emilio Morán 25 nov

(41)

81 81

82

La

Agencia Internacional de Energía

afirma

que en 2050 al menos un tercio de los

vehículos será eléctrico, otro tercio será

representado por coches híbridos y los

(42)

83 Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

83

5. Superconductores

Kammerlingh-Onnes 1911

Efecto Meissner

(43)

85

1910

1930

1950

1970

1990

2000

20

0

40

60

80

100

120

140

160 Tc (K)

año

Hg Pb Nb N bONbN

Nb2Sn

V₃Si NbAlGe Balacuo Srlacuo Srlacuo (HP) Ybacuo BiSCO TlBaCaCuO HgBaCaCuO HgBaCaCuO (HP)

C_1/2Cu_1/2Ba₂CaCu₃O_8+x( 117 K)

N2liq.

He liq. H2liq.

Ne liq.

165 K (25 GPa)

Nb₃Ge

?

135 K (1 atm)

125 K (1 atm)

Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales superconductores

C_1/2Cu_1/2Ba₂CaCu₃O_8+x(HP) ???

86

Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio”

superconductores HgBa

₂

Ca

_n-1

Cu

_n

O

_2n+2+_G

Tc = 94

Tc = 127

Tc = 135

150 (25 GPa)

165 (250 GPa)

Tc = 110

(44)

87

88

(45)

89

Nuevos cupratos 1212

P 4/

mmm

90 90

HP / HT synthesis of materials

• Preparationof

_{polymorphs A}

_B

• Reactions driven by pressure and temperature A + B

l

C

Synthesis conditions

Belt type press

(46)

91

6. Otros dispositivos

relacionados con la energía

Supercondensadores

Fotovoltaicos

Termoeléctricos

Magnetocalóricos

Etc…

92 Nuevos materiales de carbono basados en grafeno

Nuevos materiales de carbono basados en grafeno

L. Carlos Otero-Díaz et al. 2010.

Carbones derivados de carburos

Ej.

C derivado de Mo

₂₂

C

Carbones derivados de metalocenos

Ej.

C derivado de Cr(C

₆₆

H

₆₆

)

₂₂

(47)

93 Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

93

7. Conclusión

• El desarrollo sostenible requiere energías

renovables (provenientes del Sol).

• La gestión eficiente de la energía requiere

nuevas ideas, nuevos sistemas y NUEVOS

MATERIALES.

• Esto se aplica especialmente a la energía

eléctrica.

94

Programa Materyener (CAM) 2006-2014

• _{Refs: S-0505/PPQ-0093 y}

• Grupos Participantes:

• UCM: Coordinador: (M. A. Alario y Franco et al.)

• USP-CEU (F. García-Alvarado et al.)

• UC3M (A. Várez et al.)

• ICMM-CSIC (J. Sanz et al.)

www.ucm.es/info/

materyener

(48)

95 95 Ciclo: Los avances de la Química y su impacto

presentación

NUEVOS MATERIALES PARA

LA ENERGIA (eléctrica)

Emilio Morán

Departamento de Química Inorgánica

Facultad de Ciencias Químicas

Universidad Complutense de Madrid

Indice

1.

Energía: aspectos generales.

2.

Baterías.

1. Energía: hitos y fuentes

VIENTO

MUSCULO

SOL

FUEGO

CARBÓN

PETRÓLEO

NÚCLEO

ELECTRICIDAD

Fuentes de energia



Sol



Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas

natural.



Energías renovables: hidroeléctrica, eólica,

biomasa,…



Energía nuclear (fisión, fusión)

Energía y sociedad



Consumo:

Fuente:www.Cienciateca.com(PedroGómezRomero)

Produccióndepetróleoen:A)USAB)restodelmundo

A

B

EnergiaelectricaenEspaña

Energía y sociedad: Problemas



Incremento de la demanda. Países

emergentes



Agotamiento de los recursos fósiles



Irregular distribución geográfica de recursos



Incremento de los precios

Energía y sociedad: soluciones



Economizar el consumo



Mayor eficiencia



Búsqueda de energías alternativas



Energías renovables



Nuevas ideas, nuevos dispositivos,

nuevos

materiales

Materiales y Energía eléctrica



Producción

: Generadores electromagnéticos,

Dispositivos fotovoltaicos, Pilas de

combustible…



Almacenamiento

: Baterías,

supercondensadores…



Transporte

: cables superconductores…

EnergíasrenovablesenUSA:NREL

http://www.nrel.gov

2. BATERIAS



_(aq)+2e

₄

_(aq)+2MnO

₄

_(aq)

_PbSO

₂