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• Emilio Jarjuri

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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE FACULTAD DE TECNOLOGIA INGENIERIA PETROLEO, GAS Y ENERGIAS CAMPUS TIQUIPAYA

Evaluación

FUENTES DE ENERGIAS ALTERNATIVAS

Informe de Practica de Laboratorio Nº 4

PREPARACIÓN DE CATODOS, ANODOS Y ENSAMBLADO DE UNA CELDA ELECTROQUÍMICA DE ION LITIO Grupo “B” Estudiante: Cayzana Marca Milenca Docente: Ing. Hamel Fonseca Jaime Cochabamba 25 de Octubre del 2017 Gestión II – 2017

1. OBJETIVO 1.1.

Objetivo General

Prepara las pastas del cátodo y del ánodo y sigue el procedimiento para el ensamblado de celdas de ion-litio tipo botón, utilizando los materiales y equipos necesarios para esta fabricación. 1.2.    

Objetivo Especifico Identificar el tipo de materiales para realizar las celdas electrolíticas. Crear una celda electroquímica con el fin de producir energía electrolítica a partir de reacciones químicas de oxido-reducción. Analizar las reacciones químicas como fuente principal para producir dichas energías que queremos obtener. Realizar Pruebas de acuerdo al alcance de la energía a base de reacciones químicas.

2. MARCO TEORICO La estructura fundamental de una Celda Electroquímica consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora o electrolito: Electrodo Positivo. La batería de iones de litio, también denominada batería LiIon, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. La batería a base de litio actualmente es la más liviana y la de mayor capacidad energética. Sus principales ventajas son su alta potencia, extenso ciclo de vida y carecer de efecto memoria. Para la construcción de estas baterías recargables y de mayor capacidad, la industria y el transporte requerirán inmensas cantidades de litio. Bolivia tiene la mayor reserva mundial de Litio en el Salar de Uyuni, en el departamento de Potosí.

Celdas electroquímicas: Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas o de producir reacciones químicas mediante la electricidad. Las celdas secundarias pueden ser recargables y se constituyen en fuentes de energía eficaces. Celdas de ion-litio: El funcionamiento de las celdas de ion –litio se basa en el proceso de inserción– desinserción de iones Li+, en los electrodos que cambian durante los procesos de carga y descarga. Constituyentes de la celda Catodo, sin importar el tipo de celda , sin importar el tipo de celda (electrolítica ó voltaica) se define como el (electrolítica ó voltaica) se define como el electrodo en el cual se produce la reducción electrodo en el cual se produce la reducción porque algunas especies ganan electrones. porque algunas especies ganan electrones.

Este posee carga negativa y a el migran los Este posee carga negativa y a el migran los iones o cargas positivas. iones o cargas positivas.

Anodo, sin importar el tipo de celda , sin importar el tipo de celda (electrolítica ó voltaica) se define como el (electrolítica ó voltaica) se define como el electrodo en el cual se produce la oxidación electrodo en el cual se produce la oxidación porque algunas especies pierden electrones. porque algunas especies pierden electrones. Este posee carga positiva y a el migran los Este posee carga positiva y a el migran los iones o cargas negativas. iones o cargas negativas. Funcionamiento de las baterías de litio El funcionamiento de las baterías de ion–litio recargables o secundarias se basan en procesos denominados de inserción- desinserción de iones Litio (Li+). En general, la reacción que ocurre se puede describir de la manera siguiente: xM + ª A === Mx A Las reacciones son en estado sólido entre dos compuestos de inserción como electrodos. Uno de los compuestos es denominado Huésped (M); de naturaleza iónica, reacciona ocupando lugares vacantes (ª) en la estructura de otra especie denominada Anfitrión (A). En las baterías primarias de Litio, el electrodo Negativo está constituido por el litio metálico y el electrodo Positivo, por un compuesto que actúa como anfitrión durante la reacción de inserción. El electrolito puede ser una disolución de una sal de litio en un solvente no acuoso. Durante el proceso de descarga, en el electrodo Negativo se oxida el litio metálico: Li === Li+ + 1 eEl ion-Litio se mueve a través del electrolito hacia el electrodo positivo donde se produce la reducción de la especie anfitrión y la inserción de la especie huésped. xLi + x e- + A === LixA La reacción total durante la descarga será: xLi A === LixA

Batería ion-Li

Batería de litio

Li

3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 3.1.

Equipos y materiales

MATERIALES Y EQUIPOS Ítem

Denominación

Cantidad

1

Balanza analítica

1

2

Agitador magnético

1

3

Vasos de 50 ml

5

4

Vasos de 100 ml

5

5

Espátula de vidrio

1

6 7

1 1

8 9

Espátula de plástico Desecador de laboratorio Aplicador de pastas Cortador de electrodos

10

Horno Secador eléctrico

1

11

Rodillos para calandrado Prensa selladora de celdas Placas de vidrio de 20x20 cm Caja de guantes

2

1

16

Medidor de resistencia y voltaje Medidor de humedad

17

Cajas Petri

5

12 13 14 15

1 1

1 2 1

1

3.2.

Reactivos

INSUMOS Ítem

Denominación

Cantidad

1

Fosfato de hierro litio Grafito

10 gr.

Súper Li (carbón de alta conductividad) N-Metil-2pirrolidona

20 gr.

5

Fluoruro de polivinilideno

5 gr.

6

Pegante de estireno

5 gr.

7

Electrolito ( LiPF6)

20 ml.

8

Agua desionizada

50 ml.

9

Argón en bombona

10 000 ml.

10

Material de limpieza

-

2 3

4

10 gr.

20 gr.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Pasta del cátodo y del ánodo: Las pastas del cátodo y del ánodo se realizará en vasos de precipitados de 100 mL, mezclando con una espátula, los componentes que se indican en las cantidades señalados, siguiendo el orden y el tiempo de mezclado. Para obtener los pesos exactos se utilizará una balanza analítica, para pesar los diferentes componentes. Estas cantidades pueden variar de acuerdo a las indicaciones del docente. Pasta de Ánodo El Super P Li ( 0,1 g) se mezcla en NMP ( 7,9g) usando en nuestro caso un agitar durante 1 min. A continuación, se añade Grafito G5 (4,6g) se mezcla durante 1 minuto. Luego a esta mezcla se añade una suspensión que se realiza y se mezcla con anterioridad durante 1 min, de NMP (2,6g) + PVDF (0,3g). A esta suspensión se añade otra de CMC (0,1g) y SBR (0,1g). Esta suspensión final se mezcla durante 20 min. La pasta se debe utilizar inmediatamente en el siguiente paso, que es el recubrimiento del colector de cobre. Pasta de Cátodo PVDF (0,125g) + NMP (5,0g) se mezcla durante 1 minuto. A continuación, se añade una suspensión que se realiza y se mezcla con anterioridad durante 1 min de Super PLi (0,125g) + NMP (1,0g) y LFP (2,25g). Esta suspensión final se mezcla durante 15 min. La pasta se debe utilizar inmediatamente en el siguiente paso, que es el recubrimiento del colector de aluminio. Cátodos y ánodos: Una vez concluido con el preparado de las pastas, se procederá al recubrimiento y distribución uniforme sobre los colectores, una lámina de aluminio para el cátodo y una de cobre para el ánodo, siguiendo las indicaciones y explicaciones del docente. Estas láminas con las pastas se constituyen en los electrodos catódicos y anódicos. Después de que sea aplicado el revestimiento se somete a un proceso de calandrado para presionar y aumentar la densidad del revestimiento. Electrolito: Como electrolito utilizaremos una solución que contiene como base una sal de LiPF6. Separador: Como separador utilizaremos laminas semiporosas de polímeros Ensamblado de las celdas tipo botón: El ensamblado de las celdas se debe realizar en una caja de guantes. Inicialmente se introduce dentro de la caja de guantes todos los equipos, materiales, reactivos y accesorios necesarios que se requieren para el ensamblado de las celdas. Posteriormente se la caja de guantes se acondiciona de manera que en su interior se tenga una humedad inferior a 0,1 ppm. El ensamblado se debe realizar de acuerdo a las instrucciones del docente, que les mostrara la manera de realizar el ensamblado. Una vez armadas las celdas se mide la conductividad entre el cátodo y el ánodo para ver si no existe un corto circuito entre los electrodos.

Presentación de materiales hechos de Litio

5. MEDICION CALCULOS Y RESULTADOS

6. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES La estructura fundamental de una Celda Electroquímica consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora o electrolito: Electrodo Positivo. La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, junto con el poco efecto memoria que sufren o su capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Se esperaba preparar las pastas del cátodo y del ánodo y sigue el procedimiento para el ensamblado de celdas de ion-litio tipo botón, utilizando los materiales y equipos necesarios para esta fabricación. Para concluir podemos decir que la celda electroquímica nos ayuda a conocer como de una composición de reacciones químicas podremos demostrar o producir energía eléctrica. Existen dos tipos de celdas electroquímicas que una diferencia a otra como la celda voltaica que dicha celda es cuando de un circuito eléctrico actuamos sobre una composición química; y la celda Electrolítica es cuando dependemos de una reacción química para producir energía eléctrica. Estas baterías no tienen efecto memoria, y por ello no hace falta descargarlas por completo. De hecho, no es recomendable, dado que puede acortar mucho su vida útil. Recomendaciones Las recomendaciones para el uso y almacenamiento de las baterías, a pesar de no requerir de un mantenimiento especial, al igual que las otras baterías, necesitan ciertos cuidados:  

Es recomendable que permanezcan en un sitio fresco (15 ºC), y evitar el calor excesivo. Cuando se vayan a almacenar durante mucho tiempo, se recomienda dejarlas con una carga intermedia.



Es preciso cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie.

7. CUESTIONARIO 1. Indicar 3 ventajas de las baterías de ion-litio respecto a otras baterías. Las baterías de litio, también conocidas como baterías li-ion, están diseñadas para almacenar energía en grandes cantidades y ser recargadas. El que estas baterías sean ligeras y con una alta capacidad de carga, las ha convertido en las favoritas para aparatos como teléfonos celulares, computadoras portátiles, cámaras fotográficas, de video, etc. Incluso basados en esta tecnología se ha empezado hace algunos años a construir batería para coches eléctricos que pueden funcionar con una batería de litio recargable. Logrando con esto evitar contaminación en grandes cantidades, claro que lo recomendable es reciclarlas al final de su vida útil en lugar de tirarlas donde sea porque eso si genera contaminantes. 1.- Elevada densidad de energía, acumulan grandes cantidades de energía por tamaño y peso. 2.- Ligeras 3.- Alto voltaje por celda, cada celda tiene un voltaje de 3.7 voltios, que es igual al voltaje de 3 baterías juntas de ni-mh o ni-cd. 4.- No tienen efecto memoria, por lo tanto, la primera carga no tiene nada que ver con su duración. 5.- Se puede dejar la batería conectada al cargador, aunque ya esté completamente cargada, no se va a incendiar. 6.- Descarga lineal, mientras la batería se está descargando su voltaje varía muy poco, es por eso que no necesitan de un regulador de voltaje. 7.- Reducida autodescarga. Al guardar una batería que no estamos usando esta siempre se va descargar lentamente, lo normal en las baterías ni-mh y ni-cd es de 20% mensual y en las de litio es de 6%. 8.- Tamaño reducido, por lo que pueden ser usadas para aparatos pequeños como teléfonos móviles.

2. Escribir las reacciones que ocurren en el ánodo y en el cátodo de una batería de ion-litio, durante la carga y descarga de la batería. Durante los procesos de carga y descarga el litio sale de la estructura del cátodo y se acumula en el ánodo formándose un compuesto de intercalación de grafito; LiC6, LiC12 o LiC18. La formación del compuesto de intercalación es un proceso reversible, que quiere decir que se puede dar en el sentido contrario y liberar el litio. Pero se pueden dar también reacciones no deseadas, en las que el litio se acumula en el ánodo en forma de óxido de litio y por lo tanto hay menos litio disponible en la batería, se pierde capacidad. La formación del óxido de litio es un proceso irreversible, no tiene marcha atrás.

Anodo: LiC6 ↔ Li1−x C6 + xLi+ + xe− Catodo: LiFePO4 ↔ Li1−x FePO4 + xLi+ + xe−

3. Calcular la cantidad de Li2CO3 que se requiere para construir una batería de ionlitio, para un auto eléctrico que requiere 5 KWh. Buscar en internet la cantidad de Li2CO3 que se requiere por KWh.

1 KWh = 1.4 kg. Li2 CO3

4. Calcular la cantidad de celdas tipo botón que se necesitaría para armar una batería para ser utilizada en un auto eléctrico.

8. BIBLIOGRAFIA 

Guía de laboratorio de Fuentes de Energía Alternativas



http://nmeza.over-blog.com/article-bateria-litio-ventajas-desventajas-85929438.html



https://www.arrow.com/es-mx/research-and-events/articles/i-pro-e-i-contro-dellebatterie-al-litio



http://forococheselectricos.com/2013/05/vida-y-muerte-de-una-bateria-de-ion.html



http://celdaelectroquimica.blogspot.com/2011/06/celda-electrolitica.html



http://architecnologia.blogspot.com/2014/04/baterias-de-ion-litio-conceptos.html