miércoles, 22 de noviembre de 2017

Cobalto y baterias 3D



Estimado profesor y compañeros
Tengo claro que la tecnología de baterías de litio será clave en los próximos años

Tendencias

·         Vehículo eléctrico
·         Generación distribuida de la electricidad
·         Generación a partir de fuentes renovables



La generación distribuida, es la generación eléctrica en el lugar de su consumo. A pesar que  la legislación española, pone trabas al autoconsumo, es una solución lógica que se está desarrollando en el mundo.
La electrificación de la automoción, es otra tendencia como nos lo demuestra Tesla. Tesla ha normalizado el vehículo eléctrico, haciendo que el resto de fabricantes empiecen y apuesten seriamente por este tipo de motorización. Como ejemplo, Volvo solo lanzará vehículos eléctricos a partir del 2019.
La generación eléctrica a partir de fuentes renovables, se produce en el momento independientemente de las necesidades de consumo, por lo que conlleva a la necesidad de un almacenaje del mismo.
Todas estas tendencias obligan al desarrollo de baterías de gran capacidad, longevas y seguras.
En baterías las soluciones basadas en ion Litio son las que más perspectivas de futuro tienen solventadas las siguientes limitaciones.

Baterías 2D y 3D

En las baterías de Litio actuales, tanto el ánodo como el cátodo, son láminas delgadas, que al enrollarlas generan la geometría cilíndrica conocida. Esto hace que la cantidad de aislante sea superior al 20% del volumen final. Este aislante a su vez, tiene otras tres desventajas.
1)      Propaga llama en caso de incendio
2)      Su deterioro, causa cortocircuitos internos, disminuyendo la capacidad de la batería.
3)      Limita el tamaño final, resultando en baterías pequeñas. Las baterías de 1KWh 12 V requieren de múltiples celdas.
El tamaño óptimo de una batería de ion Litio es 3.7V, 3.4Ah, algo mayor a una pila AA.
Actualmente existen varios proyectos de baterías 3D, alguno de ellos en fase de pre serie, que resuelven los problemas de Tamaño, capacidad, vida y seguridad. Convirtiendo la tecnología de baterías 3D de Litio, la solución más prometedora para el coche eléctrico o y el acumulador doméstico.
Tenemos distintas configuraciones de baterías, de ion Litio. Los datos de relación capacidad peso, son para diseño de batería 2d, para diseños 3D la relación se aumenta un 100%
·         LCO Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2)
o   150-200Wh/Kg
·         LMO Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)
o   100-150 Wh/Kg
·         NMC Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 or NMC)
o   150-220 Wh/Kg
·         LFP Lithium Iron Phosphate(LiFePO4)
o   90-120 Wh/Kg
·         NCA Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2)
o   200-260 Wh/Kg
·         LTO Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
o   50-80 Wh/Kg
Las moléculas que permite mayor relación capacidad peso, son las basadas en el Cobalto, siendo la cuarta opción la LMO, basada en el magnesio.  El precio y la dificultad de acceso al cobalto, hace que los laboratorios busquen sustitutos al mismo.

En resumen:

·         Baterías no Litio 75 Wh/Kg
·         Baterías 2D de Litio sin cobalto densidad 150Wh/Kg
·         Baterías 2D de Litio con Cobalto 260Wh/Kg
·         Baterías 3D de litio en fase pre serie duplican la capacidad de las 2D

Conclusión

El Cobalto es el elemento ideal para la configuración de baterías de Litio. Pero no es imprescindible, tiene alternativas intermedias, y estudios iniciados. Por lo que si el acceso al cobalto resulta complicado, bien por su escasez o por su precio, la solución será la de batería 3D ion litio LMO, basada en Magnesio, con una relación capacidad peso de 300Wh/Kg. Esta es una relación 4 veces superior a la solución normal actual.

 Batería 2D, ejemplo
Batería 3D
·         https://www.he3da.cz/
·         https://www.prietobattery.com/
·         http://3dnanobatteries.com/about/
·         https://www.seattletimes.com/business/czechs-open-production-of-batteries-based-on-nanotechnology/
Cobalto en baterías de Litio:

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