A pesar de tener inicialmente un precio más elevado, los vehículos eléctricos (EV) suelen ofrecer importantes ahorros con el tiempo. Dejando de lado los beneficios medioambientales, que son dignos de mención, los vehículos eléctricos suelen costar la mitad del precio de mantenimiento y reparación que los vehículos propulsados por gasolina, y su popularidad está creciendo.
A diferencia de los vehículos convencionales, los vehículos eléctricos no tienen motores de combustión interna (IC). En lugar de gasolina, funcionan exclusivamente con baterías. Para algunos conductores, la preocupación era que esto significara una falta de par decente. Sin embargo, este ya no es el caso y muchos vehículos eléctricos cuentan con una potencia y un par similares a los de un motor IC promedio.
Es más, la duración de la batería está ganando longevidad. Se espera que la mayoría dure de cinco a ocho años. La batería es el corazón de los vehículos eléctricos.
Baterías
La tecnología de baterías para vehículos eléctricos se ha desarrollado desde las primeras baterías de plomo-ácido utilizadas a finales del siglo XIX, hasta aproximadamente 2010, hasta las baterías de iones de litio. Las baterías de litio (Li-on), la misma tecnología que alimenta nuestros teléfonos inteligentes y tabletas, se encuentran actualmente en la mayoría de los vehículos eléctricos.
Las baterías de Li-on han sido revolucionarias desde su creación a principios de los años 90, ofreciendo altos niveles de carga en comparación con otras tecnologías. También son livianos, tolerantes a la temperatura, se cargan rápidamente y ofrecen una vida útil y una vida útil decentes.
En términos de vehículos eléctricos, seis tecnologías de baterías de iones de litio son populares entre los fabricantes. Exploremos todos estos productos químicos de las baterías.
¿Por qué baterías de iones de litio?
Las baterías de iones de litio ofrecen una alta densidad energética que les permite almacenar una gran cantidad de energía en un espacio pequeño, lo que las convierte en la opción más popular para la mayoría de los vehículos eléctricos. Estas baterías también proporcionan una alta relación potencia-peso, lo que significa que son más ligeras y, por lo general, más eficientes que otros tipos.
Quizás lo más importante es que las baterías de iones de litio son más seguras que las alternativas y ofrecen un buen rendimiento a altas temperaturas. Ofrecen alta eficiencia con baja autodescarga.
Una batería de iones de litio se compone de varias celdas de litio. Las celdas se disponen en serie y en paralelo al voltaje y la capacidad de corriente deseados. Por ejemplo, si una batería de 12,8 V 125 AH incluye celdas de iones de litio de 3,2 V 25 AH, la configuración requerida es 4S5P. Esto significa que cinco celdas están conectadas en paralelo para una salida de 125 AH en cada paquete maestro, y cuatro paquetes maestros están conectados en serie para 12,8 V.
En un coche eléctrico, se utilizan cientos de celdas de iones de litio para construir la batería. En el Tesla Model S 444 Panasonic, las celdas NCR18650B están conectadas en una configuración 6S74P.
El león La celda es el componente básico de una batería. Estas celdas vienen en formatos cilíndricos, prismáticos y de bolsa que Tesla y Panasonic utilizan para fabricar baterías para vehículos eléctricos. La mayoría de los demás fabricantes utilizan bolsas o celdas planas. También se utilizan células prismáticas, pero pocos fabricantes. Los componentes principales de una celda de iones de litio son el cátodo, el ánodo, el electrolito y el separador.
• El cátodo es el caballo de batalla de una batería de litio y el material activo de un óxido metálico de litio. El litio es altamente reactivo, por lo que se mezcla con oxígeno y metal para lograr estabilidad. El metal utilizado determina la salida de voltaje de la batería. La capacidad actual de la batería está determinada por el tamaño del cátodo. Una batería con un cátodo más grande tiene mayor almacenamiento de carga. Las baterías de Li-on reciben su nombre del óxido metálico de litio utilizado como cátodo.
• El ánodo es el segundo electrodo de la batería, responsable de almacenar los iones de litio que cargan la batería. La capacidad actual de la batería está determinada por la superficie del ánodo, que debe tener alta porosidad y conductividad para funcionar eficazmente. El voltaje del ánodo debe coincidir con el del cátodo y la superficie del ánodo se maximiza para crear una corriente más alta.
Normalmente, las láminas de cobre recubiertas de grafito se utilizan como ánodos en las baterías de litio porque el grafito coincide con el voltaje. Normalmente, se utilizan carbono amorfo, grafito sintético y grafito natural como materiales anódicos a base de carbono. A veces los fabricantes añaden silicio al carbono para aumentar la densidad de energía de la batería. Otro material que se utiliza a veces es el óxido de litio y titanio, conocido por su durabilidad y estabilidad térmica.
• El electrolito es una solución eléctricamente neutra en la que ambos electrodos están sumergidos. Aunque el electrolito no es reactivo, actúa como un catalizador que hace que la batería sea conductora durante la carga o descarga. Facilita el movimiento de iones en ambos procesos.
Cuando se carga una batería de iones de litio, los iones fluyen del cátodo al ánodo a través de un electrolito. Cuando la batería se descarga, este flujo de iones pasa nuevamente del ánodo al cátodo a través de un electrolito. Los aniones y cationes se mueven en direcciones opuestas durante la carga y la descarga, pero sólo cuando hay una diferencia entre el cátodo y el ánodo. La sal de litio se utiliza como electrolito en baterías de iones de litio, como el LiPF6 en un disolvente orgánico.
• El separador se utiliza para aislar el cátodo y el ánodo. Cuando hay una diferencia aplicada entre los dos, los iones fluyen a través del electrolito entre ellos. Esta diferencia de potencial también obliga a los electrones a pasar del ánodo al cátodo. El separador se encarga de bloquear los electrones, permitiendo únicamente que los iones se muevan a través del electrolito. El separador está cubierto con electrolito para permitir el movimiento de iones.
El separador también actúa como fusible para la batería. Pero puede obstruirse debido al derretimiento debido al sobrecalentamiento. Si esto sucede, el flujo de corriente entre el cátodo y el ánodo se detendrá antes de que la batería se incendie. Las baterías de iones de litio utilizan poliolefina como separador. En baterías grandes se utiliza un separador de tres capas.
Las placas conductoras recogen la corriente entre el cátodo y el ánodo de la batería. Se utiliza una placa de cobre como colector de corriente en el ánodo. Se utiliza una placa de aluminio como colector de corriente en el cátodo.
Tipos de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio se clasifican por su cátodo y utilizan un ánodo de grafito. La única excepción es el titanato de litio (LTO). El uso o consideración de diferentes materiales catódicos representa un esfuerzo por maximizar la densidad de energía. Por ejemplo, los investigadores están evaluando actualmente el uso de litio metálico como material anódico y reemplazando el uso de sal de litio como electrolito por un electrolito de estado sólido.
Pero por ahora, las baterías de iones de litio sólo se diferencian en el material del cátodo y utilizan los mismos materiales de ánodo y electrolito. Estas son las seis principales químicas de baterías de iones de litio utilizadas en la industria de los vehículos eléctricos.
1. Óxido de litio-cobalto (LCO)
2. Óxido de litio y manganeso (OML)
3. Fosfato de hierro y litio (LFP)
4. Óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM)
5. Óxido de aluminio, cobalto, níquel, litio (NCA)
6. Titanato de litio (LTO)
Las baterías de óxido de litio-cobalto o LCO fueron las primeras baterías de Li-on en producción comercial. Inventadas en 1991, las baterías de Li-on basadas en CO rápidamente ganaron popularidad en la electrónica de consumo debido a su alta densidad de energía (150~200 Wh/Kg). Sin embargo, la desventaja de estas baterías es que tienen una baja estabilidad térmica y son propensas a sobrecalentarse. Esto significa que presentan riesgo de incendio a altas temperaturas o si están sobrecargados.
Las baterías basadas en óxido de litio y manganeso o OVM se introdujeron por primera vez a mediados de la década de 1990 como una alternativa a las LCO y ofrecían una menor resistencia interna. Las baterías de litio basadas en OVM eran importantes porque ofrecían una mayor estabilidad térmica y un menor riesgo de sobrecalentamiento. Es más: entregaban corrientes más altas, que oscilaban entre 20 y 30 amperios. Los niveles de corriente más altos también significan una carga y descarga más rápida.
Estas baterías se convirtieron rápidamente en la mejor opción para herramientas eléctricas, bancos de energía y, finalmente, vehículos eléctricos. La tasa de C para los OVM es 2/5 en comparación con 2/3 para las baterías LCO. Esto significa que si una batería basada en OVM tarda dos horas en cargarse por completo, tardará cinco horas en descargarse. Pero hay una desventaja que tienen en común con las baterías basadas en LCO: el ciclo de vida bajo (500 a 700). Por lo tanto, ninguna de las opciones es ideal para aplicaciones a largo plazo.
Se han lanzado baterías basadas en fosfato de hierro y litio o LFP como una forma de resolver el ciclo de vida bajo de las opciones basadas en LCO y OVM. Los químicos estaban decididos a encontrar una solución mejor y la encontraron en 1996. Los LFP ofrecen una densidad de energía más baja (90~160 Wh/Kg), pero un ciclo de vida de 4000. Las tasas de C pueden ser 2/5, lo mismo que las baterías. basado en OVM – o superior y 2/30. Las baterías basadas en LFP tienen una alta estabilidad térmica y pueden soportar fácilmente perturbaciones mecánicas. La única desventaja es que su tensión nominal está limitada a 3,2V. Pero debido a su alto ciclo de vida, bajo costo, confiabilidad y estabilidad térmica, las LFP fueron rápidamente adoptadas como las baterías de Li-on preferidas por la industria automotriz. Todavía se utilizan en rickshaws eléctricos, bicicletas eléctricas y diversas herramientas eléctricas.
Las baterías a base de óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso o NCM contienen 60% de níquel, 20% de cobalto y 20% de manganeso como materiales activos en el cátodo. Esta química de batería se inventó en 2001 y ofrece una de las densidades de energía más altas disponibles para las de iones de litio (150~220 Wh/Kg). Estas baterías ofrecen buena estabilidad térmica, alto voltaje nominal (3,7 V) y un ciclo de vida decente (2000 a 1/3 C).
Además, la densidad de energía y el suministro de energía de estas baterías se pueden ajustar cambiando la proporción de níquel, cobalto y manganeso en el material activo permitido. Los iones de litio basados en NCM se han convertido rápidamente en la opción preferida para los automóviles eléctricos y se utilizan ampliamente en equipos médicos y herramientas eléctricas.
Baterías basadas en titanato de litio o LTO hizo su debut en 2012, presentado por YABO Power Technology. Basados en nanotecnología, los LTO tienen un ánodo de titanato de litio en lugar de grafito. El titanato de litio ofrece una mayor superficie, lo que permite una alta tasa de carga y descarga. La clasificación C de estas baterías es 10/30, por lo que una vez completamente cargada, la batería puede durar hasta 30 horas. Las baterías basadas en LTO ofrecen el ciclo de vida más largo (30.000) de todas las baterías de Li-on. Su desventaja incluye la baja densidad de energía (50~80 Wh/Kg) y el bajo voltaje nominal (2,4 V). A pesar de los hechos, varios fabricantes de automóviles han considerado los LTO debido a su alto ciclo de vida y su lenta tasa de descarga. Estas baterías ya se utilizan para almacenar energía renovable.
Química de iones de litio en automóviles
Las baterías de Li-on basadas en NCA, NCM, LCO y LMO tienen un voltaje nominal de 3,6/3,7 V, mientras que las LTO ofrecen el voltaje nominal más bajo de 2,4 V. Las LTO también tienen la densidad de energía más baja de 50~80 Wh/Kg. Pero las baterías LTO ofrecen el ciclo de vida más alto de 30.000 con una tasa de descarga de 30 horas.
Las baterías basadas en LTO se utilizan ampliamente para almacenar energía renovable. Sin embargo, debido al tiempo de carga de hasta 10 horas, el alto costo y la baja densidad de energía y voltaje nominal, su aplicación en vehículos eléctricos es cuestionable. La química de las baterías basada en LCO está bastante desactualizada. Incluso los OVM tienen solo un 1% de uso en la industria automotriz.
Los NCA ofrecen la mayor densidad de energía, pero debido a su baja vida útil de 1000 ciclos, no se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos. Los LFP representan casi una cuarta parte del uso en la industria de los vehículos eléctricos debido a su alto ciclo de vida de 4000 y una tasa C de 2/30. Esto significa que un vehículo eléctrico con una batería de Li-on basada en LFP que sólo se carga durante dos horas puede funcionar durante unas 30 horas. Con un ciclo de vida de 4.000, incluso si el vehículo eléctrico se carga diariamente, la batería puede tener una garantía de al menos cinco a ocho años.
Actualmente, las NCM son las baterías Li-on más utilizadas en vehículos eléctricos, con un 60% del mercado. Estas baterías tienen la mitad del ciclo de vida de las LFP, pero casi el doble de densidad de energía a 220 Wh/Kg (en comparación con solo 120 Wh/Kg). Una mayor densidad de energía respalda una mayor relación potencia-peso en los vehículos eléctricos. Además, la tasa C de los NCM es 1/3. La química de las baterías de NCM también presenta una alta estabilidad térmica y mecánica, por lo que tienen sentido como la mejor opción para los vehículos eléctricos en el mercado actual.