Análisis de ciclo de vida de sistemas innovadores de almacenamiento eléctrico en litio-azufre (Li-S) para vehículos

Abstract

The continuous and expected increase of electrification in the transport sector, the so-called "electromobility" revolution, is one of the main drivers of progress in energy storage for vehicle propulsion. Today's electric vehicles (EVs) use lithium-ion (Li-ion) batteries due to their high energy density compared to other types of batteries. Current rechargeable lithium-ion (Li-ion) batteries for EVs are capable of storing around 180 Wh/kg of energy density at cell level and 120 Wh/kg at battery level, while the typical consumption of one kg of petrol produces 3350 Wh of useful work. There is still a factor of 19 between the energy delivered by a kilo of petrol and 1 kg of battery (for example, the autonomy of a car with a similar weight that is powered by batteries is 5-10 times less than with petrol). Therefore, if we want to reach, or even approach, the goal of a 500 km autonomy with battery powered vehicles in the short term, it is necessary to research new materials and battery configurations. In this respect, lithium-Sulphur (Li-S) batteries are the closest battery technology capable of meeting these expectations. Despite the fact that solutions exist at a technical level, or are in the process of being implemented, to overcome the technological barriers which electric energy storage presents for EVs, their implementation on our roads remains a challenge and is below the expectations set out. One of the reasons why this implementation is not satisfactory is the high cost of electric vehicles, mainly due to the high cost of batteries. New electric storage technologies such as Li-S batteries must therefore take into account not only the technical factor for their design, but also strategies to be able to reuse them in a second life in order to reduce their potential cost and thus help reduce the price of the EV paid by the end user. Furthermore, in addition to offering a suitable technological solution and presenting itself as an economically viable alternative, it is necessary to study the impact on the environment produced throughout the life cycle of Li-S batteries. For this reason, this doctoral thesis focuses on the environmental analysis of all the stages of the life cycle of these batteries, from the scaling of Li-S button cells produced in the laboratory to a 50 kWh battery. The methodology used to calculate the environmental impacts of the batteries is the Life Cycle Assessment (LCA) according to ISO 14040 and 14044:2006, which allows a quantitative evaluation of the environmental profile of the batteries for all the stages of their life cycle, emphasizing the most critical aspects that can be improved. In addition, the thesis has also dealt with issues related to the suitability of the batteries for use in second life, based on current experience with Li-ion batteries. To this end, on the one hand, ageing tests have been carried out on the cells to determine their behaviour and longevity. On the other hand, an economic evaluation has been made of the actions taken to dismantle a battery once its first life in the vehicle has ended, this being the first stage to prepare the battery for its second life in a secondary energy storage system. The results obtained from these analyses have served as a basis for establishing a framework for adding more information on the environmental performance of these batteries in Li-S. In addition, information has been provided in order to determine the feasibility of using this type of battery, not only in a first life in the electric vehicle, but also in its second life in a stationary application, and in this way to be able to follow the principles of the Circular Economy.

El crecimiento continuo y previsto de la electrificación en el sector del transporte, la así llamada revolución de la "electromobilidad", es uno de los principales motores de los avances en el almacenamiento de energía destinado para la propulsión de vehículos. Los vehículos eléctricos (VE) actuales utilizan baterías de ion de litio (Li-ion) debido a su alta densidad energética respecto a otros tipos de baterías. Las actuales baterías de Li-ion recargables para VE son capaces de almacenar alrededor de 180 Wh / kg de densidad de energía a nivel de la celda y 120 Wh / kg a nivel de batería, mientras que el consumo típico de un kg de gasolina produce 3350 Wh de trabajo útil. Todavía hay un factor de 19 entre la energía entregada por un kilo de gasolina y 1 kg de batería (por ejemplo, una autonomía del automóvil con un peso similar que es impulsado por batería es 5-10 veces menor que con gasolina). Por lo tanto, si se quiere alcanzar, o incluso acercar, el objetivo de autonomía de 500 kilómetros con vehículos de baterías en el corto plazo es necesario investigar sobre nuevos materiales y configuraciones de baterías. A tal propósito, las baterías de litio-azufre (Li-S) son la tecnología de batería candidata a satisfacer estas expectativas. A pesar de que a nivel técnico existan soluciones, o estén en vías de implantación para superar las barreras tecnológicas que el almacenamiento de energía eléctrica presenta para VE, la implantación del VE en nuestras carreteras sigue siendo un reto y está por debajo a las expectativas previstas. Uno de los motivos por los cuales dicha implantación no está siendo satisfactoria es el alto coste de los vehículos eléctricos debido principalmente al alto coste de las baterías. Las nuevas tecnologías de almacenamiento eléctrico como las baterías de Li-S deben pues tener en cuenta no sólo el factor técnico para su diseño, sino también estrategias para poder ser reutilizadas en una segunda vida con el objetivo de reducir su coste potencial y de esta manera ayudar a la reducción del precio del VE que paga el usuario final. Por otro lado, además de ofrecer una solución tecnológica adecuada y de presentarse como una alternativa económicamente viable, debido al gran volumen de producción que se espera asociado a este sector en los próximos años, es necesario estudiar el impacto sobre el medio ambiente producido a lo largo del ciclo de vida de las baterías de Li-S. Por este motivo, esta tesis doctoral se centra en el análisis ambiental de todas las etapas del ciclo de vida de dichas baterías, a partir del escalado de celdas botón en Li-S producidas en laboratorio hasta una batería de 50 kWh. La metodología que se ha utilizado para calcular los impactos ambientales de las baterías es el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) según las ISO 14040 y 14044:2006, que permite evaluar cuantitativamente el perfil ambiental de las baterías para todas las etapas de su ciclo de vida, haciendo hincapié en aquellos aspectos más críticos y que pueden ser sujetos a mejora. Además, la tesis también aborda los temas relativos a la adecuación de las baterías para su uso en segunda vida, partiendo de la experiencia actual con baterías de Li-ion. Para ello, por un lado, se han llevado a cabo ensayos de envejecimiento sobre las celdas para determinar su comportamiento y su longevidad. Por otro lado, se ha evaluado económicamente las acciones de desmontaje de una batería una vez que termina su primera vida en el vehículo, siendo esta la primera etapa para poder preparar la batería para su segunda vida en un sistema de almacenamiento energético secundario.