Batería de iones de litio

¿Batería de iones de litio o batería de ácido plomo?

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Ventajas de la química de la batería de ácido plomo

Las baterías son dispositivos extraños. Nadie los quiere, pero todos los necesitan. Solo se compran cuando es necesario. ¿Cuántas personas planean un viaje al centro comercial local para comprar baterías en la tienda de escaparates? Son una compra de rencor y sólo se compran cuando es absolutamente necesario. Un buen vendedor puede venderte dos zapatos, dos autos y tal vez dos casas si tienes el dinero, pero no puede venderte dos baterías de automóviles SLI. Cuando usted compra una batería ya sea una batería solar para un panel solar, una bicicleta eléctrica o un UPS y un sistema de respaldo de batería inversor o una batería de tracción para carretillas elevadoras , ¿no desea saber más al respecto?

¿Cómo funcionan las baterías de plomo ácido, cuáles son las diferencias entre tipos y modelos, y qué hay de las diferentes químicas? Pueden ser caros. En una aplicación comercial o doméstica, ¿cuál es la amortización, cuál es la vida útil y el costo de reemplazo de una batería de plomo ácido? ¿El tamaño que necesita, el espacio disponible, la eficiencia energética de la batería de plomo ácido y el tiempo de recarga? Y luego, están los costos ocultos de seguridad, eliminación y la huella de carbono. Este artículo compara las baterías de plomo ácido con la batería de iones de litio y aborda muchos de los conceptos erróneos asociados con ambas químicas.

sobre la batería de iones de litio

La percepción en el dominio público es que las baterías de plomo ácido son tecnología antigua. La batería de iones de litio tiene una percepción diferente, es moderna, más limpia, tiene 3 o 4 veces la densidad de energía y una vida de ciclo más larga. Con todo esto, ¿qué posibles ventajas podría aportar la tecnología de plomo ácido de 150 años a la mesa? Bueno, en realidad, todo no es como parece, mirar detrás de los titulares en los datos utilizados en las afirmaciones de marketing, luego aplicar un poco de sentido común, investigación básica y algo de ciencia rudimentaria. Usted encontrará que la historia real es bastante diferente.

El primer concepto erróneo se refiere a las densidades de energía volumétricas y específicas. Los valores principales de 4 a 5 veces se refieren únicamente a la densidad de energía específica y a un número limitado de productos químicos de baterías de iones de litio, algunas de las cuales todavía no están en uso comercial. higo. 2 compara varios cátodos para células de baterías de iones de litio, estos van desde alrededor de 100Wh/kg para la química Li-FePO4 más segura a más de 200Wh/kg para la variante de óxido de níquel-cobalto-aluminio. El diagrama de la batería de ácido plomo se muestra a continuación:

Densidad de energía de la batería de iones de litio
Figura 2 Densidades de energía de varias químicas de baterías a nivel celular
Comparación de la batería de iones de litio a nivel de celda
Figura 3 Comparación de la batería de iones de litio y la batería de ácido plomo a nivel de celda y sistema

Estos valores solo se aplican al nivel de celda única, no a la condición de paquete o en servicio. higo. 3 muestra las densidades de energía de diferentes productos químicos de baterías a nivel de celda y sistema. Las densidades de energía de las pilas de iones de litio se reducen prácticamente a la mitad cuando se instalan completamente con todas las conexiones, refrigeración, seguridad y equipos de gestión de la batería.

La ventaja de nivel de celda de 3 a 5 veces la densidad de energía específica se reduce a 2 a 3 veces. Dependiendo de la química del cátodo de litio, casi podríamos estar examinando la paridad entre las baterías de iones de litio y la densidad de energía de las baterías de plomo ácido para un sistema de baterías completamente instalado en algunas aplicaciones.
El otro factor, el de la vida del ciclo, es también una fuente de confusión. ¿Cuántos ciclos puede funcionar una batería de iones de litio antes de que la capacidad caiga por debajo del 80% de su clasificación de placa de identificación? ¿Dos, tres mil? La Tabla 1 ofrece un resumen de los diferentes materiales de cátodo de iones de litio para el rendimiento y la vida útil del ciclo.

Cathode material Short name Nominal voltage Specific energy Wh/kg (cell) Cycle life Comments
Lithium Cobalt Oxide
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Portable devices - thermal runaway on overcharge
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Power tools, medical devices - safer than LCO
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, industrial - high cycle life
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - safest of all lithium ion battery chemistries
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industrial, EV powertrain (Tesla) TR at 150C, CL 500
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - very safe

Como se puede ver, todos caen dentro del rango de ciclo 800 a 2000. En comparación, una batería de plomo ácido bien diseñada puede lograr fácilmente más de 1600 ciclos a 80% DOD. Entonces, ¿cómo se suma todo esto al considerar el costo de propiedad? Esto nos lleva al siguiente punto que es el precio de la batería de plomo ácido. ¿Cuánto cuesta una batería de iones de litio en comparación con una batería de plomo ácido? ¿Costo de la planta de fabricación de baterías de iones de litio? Naturalmente, la batería de iones de litio es más cara, pero cuánto más. Una vez más, esto depende del nivel que se está considerando. Los comunicados de prensa nos dirán que los precios de iones de litio están cayendo y ahora están en el rango de 2-3 veces el del ácido plomo.

¿Realmente? Los precios medios en una reciente búsqueda en Internet del Reino Unido para obtener precios en baterías de ocio disponibles comercialmente de 12V y 100 Ah para baterías de iones de litio y baterías de plomo ácido:
batería de iones de litio $960 o $800/kwh
Batería de plomo ácido $215 o $180/kwh
Obviamente, la vida útil de la batería de iones de litio tiene que ser 4 veces la de la batería de plomo ácido equivalente para obtener el mismo valor. Como hemos visto, este no es el caso.

Batería de iones de litio de emisiones de cuna a puerta
Figura 6 Emisiones de CO2 de cuna a puerta para diferentes productos químicos de baterías
Esquema de la cuna a gra
Figura 5 Esquema del principio de la cuna a la puerta para la fabricación de la batería

En todos los casos, la construcción de la batería de plomo ácido fue la más rentable incluso cuando se instaló una batería de plomo ácido más grande para dar una mejor aceptación de la carga y una vida útil de ciclo más larga. En este ejemplo, la aplicación era una torre de telecomunicaciones en la India. El mismo principio se aplica en la mayoría de las aplicaciones y geografías, más aún en climas más fríos. El otro concepto erróneo es que Li-ion es una tecnología más limpia y menos contaminante que el ácido plomo. Las emisiones de la cuna a la puerta para diferentes productos químicos de la batería se dan en Higos. 5 y 6.

Esta figura muestra el límite de operaciones para la fabricación de baterías. Desde la extracción y el transporte de materias primas hasta todos los pasos de procesamiento hasta el punto donde las baterías están listas para enviarse.

La Tabla 2 es una situación real que compara la economía del uso de la batería de iones de litio y la batería de plomo ácido que funciona durante diferentes períodos de vida.

Cost item Daily running costs USD Daily running costs USD
3 Years Lead Acid Battery Lithium ion battery
Amortisation 8.30 16.90
Diesel (delivered) 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.65 0.50
Total day/month 28.38/851 36.83/1105
6 Year
Amortisation 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.54 0.50
Total day/month 25.83/775 28.39/852

Estos datos de Argonne National Laboratories, muestran que el proceso total de fabricación incluyendo la extracción y el transporte de materias primas para baterías de iones de litio son más de 4 veces el valor del ácido principal. En cuanto a la extracción de materiales, el suministro de materiales básicos de cátodo como el cobalto y el manganeso y el litio no son completamente seguros. Los procesos de extracción y recuperación existen, pero el número de minas y sitios de fabricación puede limitar la oferta si las demandas aumentan significativamente. El mapa geopolítico también predice la incertidumbre para algunas fuentes de estos materiales.

La reciclabilidad y la seguridad de estas sustancias químicas son factores importantes. Se sabe que casi todos los componentes de las baterías de plomo ácido son 100% reciclados, mientras que no hay procesos comerciales para el reciclaje de baterías de iones de litio. Esta situación es comprensible si se tiene en cuenta que los componentes más caros de Li, Co, Mn, etc. son sólo una pequeña fracción de la batería total de iones de litio. Por ejemplo, el litio es alrededor del 4% del peso total de la célula. A esto se añade el hecho obvio de que el litio es altamente reactivo (la base de su alta densidad de energía), lo que es comprensible que hace que sea caro extraer de los residuos.

El factor adicional de complejidad con muchos materiales diferentes en su construcción hace que el reciclaje sea difícil, tanto técnica como económicamente. ¿El resultado? Simplemente no hay ningún incentivo comercial para reciclar estas baterías. Por esta razón, las instalaciones de reciclaje todavía están en la etapa piloto y, en su mayoría, financiadas por el gobierno.
En la actualidad, la gran mayoría de las baterías de iones de litio desechadas se almacenan a la espera de un avance tecnológico o una legislación para forzar su reciclaje. Si esto último se implementara, entonces habría un costo, en última instancia, para el consumo. Esto aumentaría aún más el precio de la célula de iones de litio en comparación con los tipos de baterías de ácido plomo.

Finalmente, tenemos seguridad. Ninguna aplicación de batería de plomo ácido a nuestro conocimiento ha tenido nunca un retiro de seguridad como sabemos es el caso con la batería de iones de litio en dispositivos electrónicos portátiles e incluso vehículos eléctricos. higo. 7 muestra lo que pasó con un nuevo Volvo híbrido en el Reino Unido hace apenas un par de semanas, en el momento de escribir este artículo. En este caso, sus baterías de iones de litio se incendiaron cuando estaban en carga.

Figura 7 Incendio causado por una batería de iones de litio en un vehículo eléctrico híbrido Volvo: abril 2018-Residencia en el Reino Unido

batería de iones de litio causa de un incendio en un nuevo coche Volvo EV
Incendio de coche Volvo quemado causado por batería de litio
Incendio causado por la batería de iones de litio
Bomberos que dousing el fuego causado por una batería de litio

Incluso cuando las baterías de iones de litio almacenadas o transportadas han sido la causa de incendios muy peligrosos. Si bien estas ocasiones son raras, hay que reconocerlas, y se deben instalar equipos de seguridad adecuados y software de gestión de baterías. El departamento de bomberos de Nueva York, por ejemplo, todavía está en el proceso de decidir cómo hacer frente a los incendios de baterías de iones de litio. Esto sugeriría encarecidamente que las medidas de seguridad existentes para las baterías de iones de litio en todo el mundo deben revisarse.

A continuación se muestra la vista del Departamento de Bomberos de Nueva York:

Cita de artículo de noticias: Unidad de utilidades de AWS 15 de noviembre de 2016 «El fuego no es el mayor problema», dijo Rogers. Los bomberos están entrenados para hacer frente a los incendios, pero necesitan saber con qué están tratando. Las baterías de iones de litio pueden liberar ácidos tóxicos y vapores inflamables. Algunos de esos vapores son consumidos por el fuego, pero si no lo son, podrían encenderse o ser un problema para los bomberos. El mayor problema es lo que sucede «postoperatorio», es decir, después de que se extinga el fuego. Incluso si una batería está apagada podría reavivarse hasta por 72 horas, dijo Rogers. -Lt. Paul Rogers Bomberos de la división de operaciones de materiales peligrosos de Nueva York»

Resumen de la batería de iones de litio

La batería de iones de litio sin duda tiene mejores características de rendimiento que el ácido de plomo. Sin embargo, estas ventajas se reducen severamente por el hardware adicional asociado con los requisitos de seguridad y administración. El resultado neto es que las baterías de plomo ácido tienen ventajas distintas, especialmente cuando se consideran aplicaciones que no están restringidas por peso o aceptación de carga. El menor costo inicial del costo de la planta de fabricación de baterías de plomo ácido; el bajo precio de compra y el bajo costo de amortización del ácido plomo combinado con su bajo impacto ambiental y seguridad inherente, proporcionan las siguientes ventajas:

  • Precio de compra más bajo. El precio es alrededor de una cuarta parte de un equivalente de iones de litio. Los costos operativos más bajos para dar un menor costo total de propiedad en la mayoría de las aplicaciones.
  • Reciclabilidad. Casi el 100% de todos los materiales de baterías de plomo ácido se reciclan. El valor residual puede proporcionar ingresos adicionales de hasta el 20% del costo del material de la batería. Las baterías de litio no tienen infraestructura ni proceso comercial para reciclar
  • Seguridad. La química del ácido plomo es inherentemente más segura que la de la batería de iones de litio
  • Sostenibilidad. Hay muchas fuentes de suministro bien establecidas para el plomo, particularmente de las instalaciones de reciclaje. El litio y otros materiales cátodos pueden suministrarse desde áreas políticamente sensibles. Tanto la capacidad global actual de extracción de materiales como la capacidad de fabricación no soportarían un rápido aumento en la producción de baterías de iones de litio.
  • Huella de carbono. La fabricación de baterías de ácido plomo tiene una huella de carbono de la cuna a la puerta un tercio de la de las baterías de iones de litio.

Ahí lo tenemos todo. Una imagen diferente a la pintada por las compañías de baterías de iones de litio. Aunque no se puede argumentar que el ácido plomo tiene una desventaja en la densidad de energía, se puede señalar que sigue siendo una tecnología altamente competitiva y sigue siendo la mejor opción en muchas aplicaciones.

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