Baterías de coches eléctricos
Baterías son la parte más cara, más importante y, sobre todo, la más controvertida de todo el automóvil eléctrico. Los que se oponen a los coches eléctricos generalmente mencionan los principales problema como su alto precio, la corta vida, la necesidad de un reemplazo temprano, un rango insuficiente y la carga sobre el medio ambiente al desecharlas.
Mucho de lo anterior fue una vez cierto, pero está lejos de ser válido hoy. En este artículo nos centraremos en todas las áreas mencionadas. Primero presentaremos cómo se diseñan las baterías, cuáles son sus parámetros más importantes, nos enfocaremos en detalle en su capacidad, rango y vida útil, pero también cómo cuidar la batería del coche eléctrico y lo que sucede después de los 15 años cuándo deja de cumplir su propósito original. Finalmente, para los curiosos, daremos una breve descripción del desarrollo de baterías para automóviles eléctricos.
Coche eléctrico y su batería. Autor: FirstEnergy Corp. (Licencia CC BY-ND 2.0)
Diseño de la batería
Las baterías para automóviles eléctricos varían de un fabricante a otro. Cada fabricante de automóviles produce baterías ligeramente diferentes en las que la reacción química tiene lugar de manera un poco diferente, pero básicamente todas están construidas de la misma manera por celdas y módulos.
Evaluation of a Remanufacturing for Lithium Ion Batteries from Electric Cars. Fuente: https://www.semanticscholar.org/
Las baterías contienen cientos (a veces miles) de pequeñas celdas de batería (en el dibujo 'battery cell'), que están conectadas en conexión en serie o en paralelo para lograr el voltaje y la corriente requeridos. Cada celda de batería tiene un voltaje de 3-4V. Actualmente, se utilizan tres tipos: cilíndrico, prismático y "tipo bolsa", cada uno de los cuales tiene sus ventajas y desventajas.
Tesla utiliza celdas cilíndricas. Su principal ventaja es la madurez y la alta optimización en la producción. También es la opción más barata, que tiene la mayor eficiencia. BMW y Volkswagen usan celdas prismáticas que son más compactas, fáciles de enfriar y no son caras para fabricar, pero tienen baja densidad de energía y problemas con la cantidad de ciclos de carga y descarga. Nissan, Renault y Chevrolet usan baterías "tipo bolsa" que son las más flexibles en términos de diseño y capacidad de módulos individuales, pero tanto la temperatura como la presión deben ser controladas cuidadosamente.
Las celdas de la batería forman módulos de batería que son los bloques de construcción de cada batería. La razón de este arreglo es una producción, instalación, administración y mantenimiento más fáciles. Si es necesario, los módulos individuales se pueden reemplazar, y en caso de incendio, esta disposición ayuda a reducir la tasa de expansión del fuego.
Módulos de baterías. Autor: Kevin Krejci (Lincencia CC BY 2.0)
Los módulos de la batería contienen una unidad de enfriamiento, un monitor de temperatura y, por lo general, un monitor de voltaje, que envían información al Sistema de administrción de la batería (Battery Management System - BMS), lo que luego se encarga de mantener el entorno óptimo. Los módulos también contienen relés y otros componentes que aseguran la distribución correcta de electricidad y voltaje. Gracias este sistema es posible garantizar que todas las celdas se carguen y descarguen de manera uniforme, lo que tiene un efecto muy positivo en la vida útil de la batería del coche eléctrico.
Parámetros importantes de la batería
Los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos tienen que equilibrar muchos requisitos importantes. Como se trata de un automóvil móvil, el peso y el tamaño de la batería del coche eléctrico son absolutamente esenciales. Por esta razón, los fabricantes y científicos se interesan en la energía específica o densidad de energía de la batería: esta es la energía por unidad de peso, o por unidad de volumen (Wh/kg, resp. Wh/l).
Reporte del instituto Strom sobre la batería de Tesla. Autor: Strom- Report (Licencia CC BY-ND 2.0)
Siempre se busca la batería con la mayor densidad de energía posible. Mientras que algunos fabricantes se centran en la densidad de energía de las celdas individuales, otros se interesan más por la densidad de todo el módulo, donde la forma de las unidades de batería y su disposición también entran en juego.
También es importante la cantidad de ciclos de carga y descarga durante los cuales la batería del coche eléctrico puede mantener sus propiedades, lo que en general indica la vida útil de la batería. Por lo general, las baterías duran entre 1000 y 1500 ciclos, pero ya aparecen baterías que pueden soportar incluso 7000 cargas.
Y por último, pero no menos importante, el precio también es crucial. Hasta ahora representa aproximadamente el 30% del precio total de un automóvil eléctrico. Por lo general, encontramos el precio por unidad de energía, generalmente USD/kWh. En 2010 todavía era de 1100 USD/kWh, en 2019 era de solo 156 USD/kWh. Se espera que vamos a superar el límite de USD 100/kWh en 2024. Esto es el resultado de una mayor eficiencia de la batería misma, una mayor densidad de energía y una mejor automatización de los procesos de producción.
Es a partir de la reducción en el precio que se espera que la adquisición en un automóvil eléctrico y un automóvil con un motor de combustión interna se iguale.
Capacidad y rango
Lo más importante depende de todas las características mencionadas anteriormente: la capacidad de la batería del coche eléctrico y, por lo tanto, su rango.
Basado en la tecnología disponible que indica la energía específica máxima de la batería, se hace un esfuerzo enorme por equilibrar el peso, el precio y el rango de la mejor manera posible. Hoy existen las baterías de 16 kWh (Mitsubishi y MiEV) a 90 kWh (Tesla S) en el mercado.
En general, las baterías de plomo tienen un rango de 30-80 km, las baterías de níquel de hasta 200 km y las baterías de litio de 320-480 km. El frenado regenerativo, que puede transferir la energía del frenado otra vez a la batería, puede extender el rango en un 10-15% en el tráfico normal de la ciudad y hasta un 50% en condiciones extremas.
El monitor de un coche eléctrico. Autor: Motor Verso. (Licencia CC BY 2.0)
El rango de las baterías además depende de factores como el clima. Mientras que en los automóviles con motor de combustión interna, en el invierno el automóvil se calienta debido al calor generado por el motor, en los automóviles eléctricos es necesario sacrificar parte de la capacidad de la batería del coche eléctrico para calentarse. Al probar el Tesla S, el aire acondicionado encendido pudo reducir el rango hasta en 96 kilómetros.
Además, el rango depende del terreno, las habilidades de conducción, el peso y el tipo de vehículo, exactamente de la misma manera de cómo es para los automóviles con motores de combustión interna. Si les interesa comparación del costo de operación de un coche eléctrico y 'tradicional', lo encontrarán aquí.
Duración de la batería
Una de las preocupaciones más comunes de las personas es la pérdida de la capacidad de la batería demasiado pronto y la necesidad de reemplazarla. Sin embargo, la experiencia de la mayoría de los dueňos de coches eléctricos ha demostrado que para las baterías con sistemas avanzados de carga y control de baterías (BMS), este temor es irrelevante. Además del BMS, el cargador de a bordo y las estaciones de carga se comunican constantemente entre sí para que la carga no ponga la batería en peligro.
Nissan LEAF, que vendió más de 250,000 coches entre 2010 y 2016, y sólo tuvo que reemplazar el 0.01% de las baterías debido a defectos internos, y muchos autos cubrieron más de 200,000 kilómetros y retuvieron el 90% de la capacidad de su batería. Incluso después de más de 160,000 kilómetros, el Tesla Roadster ha retenido entre 80-85% de su capacidad, independientemente de la zona climática en la que se utilizaron.
Nissan LEAF. Autor: Jakob Härter. (Licencia CC BY-SA 2.0)
En general, sólo unas pocas celdas en la batería del coche eléctrico son defectuosas, lo que se puede reemplazar fácilmente gracias a la disposición modular, y la batería puede continuar funcionando sin problemas. El Model S Tesla ofrece una garantía de 8 años. Además, se estima que las baterías de litio junto con los paneles solares tienen una vida útil de más de 20 años.
Cuidado de la batería, segunda vida y reciclaje
La capacidad y la vida útil de la batería dependen no solo del tipo de batería y la reacción química que tiene lugar en ella, sino también del comportamiento del conductor y el cuidado de la batería. Las baterías de litio de ciclo profundo nunca deben descargar por debajo del 20% de su capacidad total. En el caso de las nuevas generaciones, es posible descargarlas un poco más, pero bajo ninguna circunstancia deberían descargarse por completo.
Actualmente, algunos fabricantes "bloquean" una parte de la capacidad de la batería, asegurando así que la batería nunca se descargue demasiado. Por ejemplo, Ford ha comenzado a indicar la capacidad útil de batería del coche eléctrico para que los clientes tengan en cuenta este hecho.
Es igualmente importante que la batería se recargue utilizando "lentas" estaciones de recarga en CA siempre que sea posible. Las estaciones de recarga en CC de más de 20 kW están diseñadas para viajes de larga distancia, pero su uso no debe exagerarse.
Tan pronto como la batería ya no es suficiente para el funcionamiento del automóvil eléctrico, entran en juego dos opciones más, la segunda vida y el reciclaje.
La segunda vida. Autor: Daniel Lerps (Licencia CC BY-ND 2.0)
Si la batería ya no es adecuada para la operación del vehículo eléctrico, es posible darle una segunda vida que no requiera una capacidad tan alta. Las baterías se utilizan como almacenamiento estacionario de energía . Cuando se utiliza energía de fuentes renovables, el principal problema es la diferencia entre el tiempo cuándo se produce la electricidad y cuándo se consume y el problema recurrente es el almacenamiento insuficientes. Esto es exactamente con lo que pueden ayudar las baterías. En lugar de convertirse en una carga para el medio ambiente, ayudan aumentar la proporción de energía procedente de fuentes renovables.
El reciclaje es el último paso, donde el objetivo es recuperar la máxima cantidad posible de material usando la menor cantidad de energía posible. Las directivas de la UE obligan a los fabricantes a recolectar activamente las baterías y reciclarlas a su propio costo. La parte más difícil es el reciclaje directo de las celdas de la batería y la separación de los metales utilizados para la reacción química. Sin embargo, incluso con cobalto, se puede lograr hasta un 85% de eficiencia.
¿Cuál fue el desarrollo de las baterías? ¿Y cuál será su futuro?
Y finalmente para los curiosos, ¿cuál fue el desarrollo de las baterías y a dónde se dirige la ciencia actual?
Los primeros autos eléctricos, que aparecieron ya a principios del siglo XX, usaban baterías de plomo para su propulsión. Estaban fácilmente disponibles y, sobre todo, son baterías baratas, cuya investigación ya estaba muy avanzada en ese momento. Las principales desventajas de las baterías de plomo son que nunca deben descargarse por debajo del 50% y que se requiere un monitoreo regular del electrolito. Al mismo tiempo, son relativamente pesadas y representaban el 25-50% del peso total del automóvil eléctrico. La vida útil de las baterías de plomo fue de aproximadamente tres años.
Al igual que otras baterías, la batería de plomo tiene una energía específica baja en comparación con la gasolina u otros combustibles fósiles. En este caso 30-50 Wh / kg. Su eficiencia normal es del 70-75% y en caso de clima frío disminuye aún más hasta en un 40%.
Henney Kilowatt. 1962-1964. Autor: Alden Jewell (Licencia CC BY 2.0)
Más tarde, aparecieron las baterías de hidruro de níquel-metal, que tienen una energía específica mejor que las baterías de plomo y, además, se ha demostrado que tienen una vida útil muy larga. La batería colocada en los primeros automóviles híbridos Toyota RAV4 sigue funcionando después de más de 160,000 kilómetros y más de 10 años.
Los temores que algunos oponentes de los autos eléctricos citan, que la batería no durará mucho y deberá cambiarse pronto, ya no eran ciertos para la última generación de baterías. Sin embargo, las desventajas fueron la baja eficiencia, las altas tasas de autodescarga y las malas propiedades en clima frío.
Entonces aparecieron las baterías llamadas Zebra. Para usarlas, fue necesario calentar el electrolito a 270 ° C y, por lo tanto, el clima frío dejó de ser un problema para ellas. Solo aumentaron los costos iniciales de calefacción. Además, no eran tóxicas y tenían una energía específica más alta, hasta 120 Wh / kg. Pero para eso, su potencia era muy baja <300 W / kg y la necesidad misma de calentamiento inicial era arriesgado y, sobre todo, el problema más grave era de cómo mantener la batería cargada.
Coche eléctrico Volta 1963. Autor: Alden Jewell (Licencia CC BY 2.0)
En 1979, se introdujo por primera vez la batería de litio, que sigue siendo una de las más populares y se usa prácticamente en todos dispositivos. Los problemas del primer prototipo fueron principalmente la sensibilidad a la temperatura, su deformación a alta temperatura, bajo rendimiento a bajas temperaturas y degradación temprana.
La nueva generación de baterías de litio ha sacrificado parte de su energía específica y potencia específica en favor de una vida útil más larga, protección del medio ambiente, menor riesgo de incendio y mayor velocidad de carga. Gracias a esto, es posible cargarlas en unos pocos minutos. Las baterías de fosfato de litio duran más de 10 años y más de 7,000 ciclos de carga.
Actualmente se están considerando dos opciones principales para el futuro. El primero es preservar las baterías de litio, pero reemplazar el grafito de la anoda por silicio. Esto aumentaría significativamente la energía específica y la densidad de energía. El problema es un gran cambio entre el volumen en el estado cargado y descargado.
La segunda opción que es de gran interés son las baterías de estado sólido, que no usan electrolitos, y por lo tanto, la división entre las partes individuales del cátodo y el ánodo nunca volverá a causar un problema. Esto hará que sean baterías más seguras, que también tendrán una vida útil mucho más larga. El tiempo estimado de introducción de esta tecnología es de hasta cinco años y la producción comercial podría empezar en diez años.