Descripción y contextualización de la asignatura

El crecimiento de la demanda energética a nivel mundial y la necesidad de reducir al máximo la producción energética basada en fuentes no renovables han supuesto un cambio en el paradigma de movilidad y un mayor protagonismo de las fuentes de producción renovables. Estos cambios necesitan de una mejora sustancial en la eficiencia a la hora de distribuir la energía, para ello los sistemas de almacenamiento son de capital importancia.



La asignatura de Almacenamiento de energía 2 está centrada en el estudio de las futuras tecnologías para el almacenamiento de energía que actualmente se encuentran en diferentes estados de desarrollo, presentando los conceptos científico-tecnológicos fundamentales involucrados en el almacenamiento así como los métodos de proceso y los campos de aplicación. Desde los supercapacitores, que en la actualidad son una tecnología con un alto grado de desarrollo y en algunos casos alternativa a las baterías de ion-Li, pasando por la siguiente generación de baterías post ion-Li hasta tecnologías basadas en nuevas químicas. Así mismo, la asignatura abordará la aplicación de los métodos computacionales como un paso fundamental en el diseño de baterías, así como el desarrollo de nuevos métodos de procesado procedentes de otros campos de aplicación.

Resultados del aprendizaje de la asignatura

- Identificar las principales tecnologías que formarán la nueva generación de baterías post ion-Li: Li-S, estado sólido y Li-metal. Evaluar las tendencias de la industria en las diferentes tecnologías, grado de avance y retos a superar.



- Comprender las tecnologías emergentes de baterías basadas en ion-Na, ion-K, iones de metales multivalentes como Mg2+ o Ca2+ y metal-aire



: o Similitudes y diferencias fundamentales de estas tecnologías respecto a la actual comercial de ion-Li.

o Principales materiales utilizados para el desarrollo de estas nuevas baterías y sus componentes (electrodo, electrolito¿)

o Evaluación de las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas en diferentes campos de aplicación.

o Grado de avance hacia la comercialización y retos a superar para su introducción en el mercado.



- Profundizar en la comprensión de los fundamentos de los capacitores electroquímicos y sus aplicaciones, ventajas y limitaciones. Esto incluye el aprendizaje de los principios operacionales, electrolitos, materiales, componentes de celda y áreas de aplicación práctica. Los estudiantes adquirirán experiencia práctica ensamblando prototipos de celda a escala laboratorio.



- Comprender las posibilidades que ofrece la simulación atomística de materiales para baterías, en general. Se prestará especial atención a que sean capaces de entender las ventajas y limitaciones que ofrecen las distintas técnicas computacionales más relevantes dentro del campo. En este sentido, se introducirán: (i) Los fundamentos teóricos de las técnicas más comúnmente empleadas en el estado del arte (teoría del funcional de la densidad, campos de fuerzas, herramientas de muestreo y optimización estructural, etc.); (ii) Las propiedades de materiales susceptibles de ser calculadas (voltajes de celda, barreras de difusión iónica en sólidos, estabilidad relativa de fases, etc.) y cómo hacerlo; y (iii) La combinación de simulación atómica y técnicas de cribado de alto rendimiento para acelerar el descubrimiento de nuevos materiales.



- Comprensión de los métodos de procesado convencionales para baterías. Aprendizaje de nuevas técnicas de procesado utilizadas en otras industrias ajenas al campo y evaluación de su potencial para la fabricación de baterías a escala industrial en el medio-largo plazo.

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

Prueba escrita: 50%

Informe: 30%

Prueba oral (presentación del informe): 20%





Se realizará una prueba escrita una vez finalizada la asignatura. La prueba estará dividida en cinco bloques, uno por tema. Cada bloque se puntuará sobre 10 puntos sumando un máximo de 50. Es necesario superar los 5 puntos en cada bloque para que la nota de la prueba escrita se tenga en cuenta para el cálculo de la nota final.

Los alumnos deberán realizar un informe sobre un tema de la asignatura que se evaluará sobre un máximo de 30 puntos, siendo 15 puntos la nota mínima para que se tenga en cuenta en la calificación final. Sobre ese informe se realizará una prueba oral consistente en la presentación del trabajo durante 20 minutos más las preguntas que considere el tribunal evaluador. La prueba oral se evaluará sobre un máximo de 20 puntos, siendo necesario superar los 10 puntos para que se tenga en cuenta para la nota final.

El resultado de cada prueba se sumará para obtener la calificación final sobre un máximo de 100 puntos.

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Se seguirá el procedimiento indicado en la convocatoria ordinaria. Los alumnos que no hayan aprobado o hayan renunciado a realizar las actividades para valorar los resultados de aprendizaje a lo largo del curso (prácticas de laboratorio, ejercicios, etc.) deberán examinarse de las competencias correspondientes mediante una prueba oral adicional en esta convocatoria extraordinaria.

Temario

1- Baterías post ion-Li

Avances en la nueva generación de baterías Li-S, Li-metal y baterías de estado sólido. Estudio de los procesos que gobiernan la operación de estas baterías y sus limitaciones y ventajas de funcionamiento.



2- Nuevas químicas para el almacenamiento de energía electroquímica Introducción a tecnologías emergentes en el campo de baterías como ion-Na, ion-K y metal-aire. Estudio de sus principios de funcionamiento, así como el diseño de celdas metal-aire, catálisis y reacciones de reducción de oxígeno y oxidación.



3- Capacitores electroquímicos

Introducción a los principios operacionales, clasificación y aplicación de los supercapacitores: i) principios básicos; ii) configuraciones de celda; iii) técnicas analíticas y tratamiento de datos; iv) principales aplicaciones.



4- Métodos de química computacional para sólidos.

Introducción a la química cuántica y diseño computacional de materiales de almacenamiento de energía para baterías recargables: teoría del funcional de la densidad y simulaciones de dinámica molecular.



5- Nuevos métodos de procesado

Introducción a los métodos de procesado de baterías. Estudio de tecnología de procesado interdisciplinares aplicables a la producción de sistemas de almacenamiento de energía.

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

Los alumnos deberán utilizar las colecciones de cuestiones y problemas que los profesores publicarán a principio de curso, y para cada tema, en la plataforma eGela.



El alumno dispondrá en la plataforma eGela, del temario de la asignatura y de los guiones de prácticas en formato electrónico para favorecer la comprensión de los temas y el seguimiento ágil de las clases.

Bibliografía básica

- J.M. Tarascon, P. Barboux and R. Palacin. 2007. New Chemistries: Beyond Li-Ion, latest Edition, Wiley.



- V. Neburchilov and J. Zhang. 2016. Metal–Air and Metal–Sulfur Batteries: Fundamentals and Applications, CRC Press.



- B. Conway. 1999. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundametals and Technlogical Applications, Kluwer Academic / Plenum Publishers.



- F. Béguin and E. Frackowiak. 2013. Supercapacitors: Materials, Systems, and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.



- F. Jensen. 2007. Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition, Wiley.



- R. Dronskowski and R. Hoffmann. 2005. Computational Chemistry of Solid State Materials: A Guide for Materials Scientists, Chemists, Physicists and others, Wiley.



- H.A. Kiehne, editor, Battery Technology Handbook, 2nd edition, New York: Marcel Dekker, Inc., 2003.

Bibliografía de profundización

- Multivalent rechargeable batteries, A. Ponrouch, J. Biten, R. Dominko, N. Lindahl, P. Johansson and R. Palacin, Energy Storage Materials (2019). In press, open access (DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.04.012 )







- Towards K‐Ion and Na‐Ion Batteries as “Beyond Li‐Ion”, K. Kubota, M. Dahbi, T. Hosaka, S. Kumakura, S. Komaba, The Chemical Report 18, 459 (2018) (DOI: https://doi.org/10.1002/tcr.201700057 )







- E. Goikolea, R. Mysyk, Chapter 4 “Nanotechnology in Electrochemical Capacitors”, in Emerging Nanotechnologies in Rechargeable Energy Storage System, Editors: Lide M Rodriguez-Martinez, Noshin Omar, Elsevier, 2017, p.131-169.







- N. J. Dudney and B. J. Neudecker, “Solid State Thin-Film Lithium Battery Systems,” Curr. Opin. Solid State Mat. Sci., 4(5) (1999), pp. 479–482.