A medida que la industria automotriz avanza, se espera que la adopción de vehículos eléctricos (VE) se acelere en la próxima década. Las principales preocupaciones de la industria de los VE son: la mejora de la fabricación, la reducción de precios y la concienciación pública. Los vehículos eléctricos (VE) imponen nuevas exigencias a sus baterías, y con estas nuevas responsabilidades, la fuente de energía moderna funciona de manera excelente. Quizás te preguntes por qué la batería de un teléfono tiene una vida útil de tres años, mientras que la de un VE dura 10 años o más. Nadie conoce la respuesta, pero se han logrado avances en la industria al respecto. El tema del almacenamiento económico de la energía eléctrica sigue siendo un desafío sin resolver en la era moderna. Ya sabes que la batería es el componente principal de un VE. En este artículo, comprenderás algunos conceptos básicos sobre la batería, incluyendo los factores que influyen en su envejecimiento y algunos desarrollos que se están realizando para mejorar las baterías de los VE.

Los vehículos eléctricos (VE) utilizan motores de tracción para generar la fuerza motriz. Estos vehículos pueden alimentarse mediante baterías externas o contener una batería eléctrica, pilas de combustible o paneles solares para convertir el combustible en electricidad. Esta tecnología se introdujo en el siglo XIX.^el Desde hace siglos, se ha utilizado para impulsar trenes. En la actualidad, con el creciente interés en las energías renovables y la reducción de la huella de carbono, los coches eléctricos han cobrado gran protagonismo. Tesla, Nissan y Chevrolet son empresas líderes en esta nueva tendencia. Estas tres compañías venden 601.000 vehículos totalmente eléctricos en EE. UU., cifra que se prevé que aumente a medida que el cambio climático y el calentamiento global se conviertan en temas prioritarios. Otra gran ventaja de los coches eléctricos es su bajo mantenimiento, lo que garantiza una mayor eficiencia y rendimiento.

Los distintos tipos de baterías eléctricas ofrecen diferentes autonomías y eficiencias. La batería de plomo-ácido es la más accesible y económica, con una autonomía de hasta 130 km por carga. Por su parte, las baterías de níquel tienen una mayor densidad energética que las de plomo-ácido y pueden alcanzar más de 200 km de autonomía. Encontrar el equilibrio económico entre autonomía, rendimiento, capacidad de la batería y peso supone un reto para cualquier fabricante de vehículos eléctricos.

Una batería de coche de gasolina consta de seis celdas y pesa, en promedio, 18,6 kg (41 libras). En el Tesla Model S, la batería de iones de litio de 85 kWh tiene 7104 celdas y pesa aproximadamente 544 kg (1200 libras). Con una autonomía increíble de 426 km (265 millas), la batería tarda 3,5 horas en recargarse a 220 V cuando está completamente descargada. Para un vehículo con motor de combustión interna, esto supone un tiempo mucho mayor que el de una parada para repostar.

Las baterías de los vehículos eléctricos son complejas y varían considerablemente según el fabricante. Combinan numerosas celdas individuales conectadas en serie y en paralelo para lograr el voltaje óptimo. Pueden contener cientos de celdas agrupadas en módulos, y varios de estos módulos se colocan en un solo paquete. Además, incluyen contactores/relés de CC que conectan las celdas a los terminales de salida positivo y negativo. También cuentan con diversos sensores de temperatura, voltaje y corriente para regular el entorno.

La recarga se puede realizar mediante conexión directa al vehículo. Esto significa que la energía eléctrica se transfiere mediante contacto físico a través de un medio conductor. La segunda forma de recarga es la carga inductiva, que utiliza la inducción electromagnética para suministrar electricidad al vehículo.

Cuando tienes mucha hambre, engulles la comida rápidamente; así funciona el cuerpo humano. El mecanismo de carga del vehículo eléctrico funciona de la misma manera. El proceso de carga es más beneficioso para el vehículo eléctrico cuando su batería tiene poca carga. La capacidad de carga de la batería disminuye con la saturación. El proceso de carga consiste en extraer e introducir litio del cátodo al ánodo.

La mayoría de las personas también optan por la carga rápida. La carga rápida requiere condiciones adecuadas para el proceso. La eficiencia de la carga depende de la temperatura de la batería y del estado de carga (SoC). La velocidad de carga disminuye con el tiempo debido al envejecimiento de la batería, un desequilibrio en las celdas y la resistencia interna.

Cuando uno envejece, puede correr una maratón, pero dependiendo de la resistencia y el esfuerzo controlado, lo mismo ocurre con la batería. Es difícil estimar el nivel óptimo de corriente de carga, y las técnicas de diagnóstico de baterías aún están en desarrollo. En conclusión, un cargador inteligente debería ser capaz de comprender el estado de salud (SoH) de la batería y aplicar la corriente adecuada para el proceso de carga, permitiendo así que la batería absorba una carga razonable. Disponemos de tarifas específicas para el nivel de carga, definidas según la corriente suministrada por hora.

       La razón de la larga duración de las baterías de los vehículos eléctricos radica en su dimensionamiento y funcionamiento en el rango medio, mientras que la capacidad de reserva (la que no se utiliza) se conserva en gran medida en los rangos inferior y superior. El uso parcial reduce la tensión sobre la batería, pero la valiosa energía se desperdicia o se pierde. El problema del sobredimensionamiento es que aumenta el peso y el coste, pero la capacidad no utilizada se aprovecha cuando la capacidad real disminuye.

En la nueva celda de EV, cargar y descargar la batería a solo 80% y 20% respectivamente, utiliza únicamente 60% de la energía. La capacidad de carga disminuye con el uso y el tiempo; para alcanzar la autonomía, el sistema de gestión de batería (BMS) integrado requiere una carga mayor y una descarga menor. El conductor no se da cuenta de este cambio hasta que detecta una disminución en la autonomía. Esto ocurre al utilizar la capacidad de reserva.“

En teoría, para satisfacer las necesidades energéticas, el agotamiento de la batería requiere una carga y descarga máximas. En este punto, la tensión de la batería aumenta y la potencia comienza a disminuir, lo que reduce la autonomía. Esta transición es predecible y tarda algunos años en desarrollarse. El vehículo eléctrico también se utilizará para trayectos cortos y recados hasta que la potencia de la batería haya descendido a 70%. La disminución de la capacidad solo reduce la autonomía en la mayoría de los casos cuando la potencia se mantiene estable.

Para un límite de 160 000 km de conducción, se garantiza una vida útil de la batería de 8 años. Los fabricantes de automóviles están intentando extender la garantía total a casi 10 años. Para 2020, el Consorcio de Baterías Avanzadas de Estados Unidos (USABC) se ha fijado como objetivo alcanzar 1000 ciclos durante 15 años. Para un recorrido diario de 250 km, 2000 ciclos, con una vida útil total de 500 000 km, se considera un buen enfoque para una batería de vehículo eléctrico. Se han realizado numerosos experimentos en este sentido y se han observado resultados satisfactorios. 

       El envejecimiento de las baterías es dinámico y no necesariamente predecible. El uso de la batería depende de la antigüedad, el número de ciclos, la velocidad de carga, los niveles de carga y la temperatura. La Universidad Técnica de Múnich (TUM) realizó extensos experimentos simulando baterías en un vehículo eléctrico. En una caja 18650, la batería prototipo es una NCA de iones de litio, la misma celda que se usa en un vehículo eléctrico de Tesla. El cátodo de esta celda está compuesto de níquel, aluminio y cobalto, y el ánodo es de grafito. La denominación 18640 determina las dimensiones de la celda, que son 64 mm de longitud y 16 mm de diámetro.

Hoy en día, el tiempo es tan valioso que nadie quiere esperar más de lo que le permite un tiempo excesivo. En el caso de los vehículos eléctricos, también es conveniente optar por la carga rápida para ahorrar tiempo. Sin embargo, todo tiene sus ventajas y desventajas. Si se elige la carga ultrarrápida con mayor frecuencia, el sistema de gestión de la batería (BMS) reducirá la corriente en unos pocos kW. En un Supercargador, en lugar de 120 kW, la carga puede disminuir a 90 kW, aumentando el tiempo de carga de la batería en 5 minutos. Este ajuste lo realizan los fabricantes de vehículos eléctricos no para desincentivar la opción de carga rápida, sino para garantizar la seguridad y la larga vida útil de la batería, ajustando las condiciones según sus necesidades.

Todo a tu alrededor se ve afectado por la temperatura, y lo mismo ocurre con la carga y descarga de la batería. La temperatura de la batería influye en la velocidad de carga y descarga. Las baterías de iones de litio siempre funcionan mejor a bajas temperaturas de almacenamiento, pero la carga y descarga se realizan a temperatura ambiente elevada. Una batería se carga a 40 °C (104 °F) en una hora, en comparación con una hora y treinta minutos a 5 °C; sin embargo, las baterías se degradan más rápidamente. A temperaturas muy altas, como 50 °C, el cargador reduce la potencia a la mitad por motivos de seguridad. Al cargar a temperaturas bajo cero, también se debe limitar la potencia de carga, ya que el uso a bajas temperaturas contribuye a la degradación del ánodo.

Cuando se trabaja a una temperatura moderada, la vida útil de una batería de iones de litio se prolonga. Para la carga y la conducción, la batería del vehículo eléctrico debe calentarse a una temperatura adecuada de aproximadamente 25 °C (77 °F). Esto contrasta con los 10 °C (50 °F) necesarios para el almacenamiento o el estacionamiento. La carga y el funcionamiento de las baterías de iones de litio a bajas temperaturas provocan estrés, un concepto que no se aplica a otros fenómenos químicos.

Por lo tanto, las características del envejecimiento de las baterías de iones de litio son complejas e incluyen los niveles de carga, la profundidad de carga, la temperatura y la velocidad de carga. La vida útil total de la batería depende de la combinación de múltiples factores que ocurren durante su uso, incluidas las condiciones ambientales.

La tasa C indica la velocidad de carga y descarga de las baterías. La capacidad de carga de la batería se clasifica como 1C, lo que equivale a 1 Ah para una batería completamente cargada; es decir, durante una hora proporcionará 1 A de corriente. Tras la descarga, la misma batería tendrá una tasa de C/2, proporcionando 500 mA durante dos horas. De forma similar, una tasa de 2C proporcionará 2 A durante media hora. La descarga rápida reduce el tiempo de descarga, y estas pérdidas también influyen en los tiempos de carga. 

 En resumen, en cuanto a las tasas de descarga y los tiempos de descarga, 1C corresponde a una descarga de una hora; C/2, a dos horas; y C/5, a cinco horas. Con una carga de trabajo razonable, algunas baterías de alta gama pueden descargarse incluso por encima de 1C.

La carga de la celda de energía debe realizarse a una tasa inferior a 1C. A 1C, equivalente a la capacidad nominal en Ah de la batería, la batería de iones de litio se carga aproximadamente 901 TP3T en una hora. A 1C, la carga de una batería de 85 kWh consume 85 kW, lo que equivale al consumo de cinco hogares típicos. La energía eléctrica que consumen entre 3 y 5 hogares al día está incluida en una batería de 85 kWh.

Existen consejos sencillos que puedes seguir para prolongar la vida útil de la batería de tu vehículo eléctrico. Limitar la opción de carga rápida, especialmente cuando hace frío, puede ayudar a aumentar la vida útil de la batería; en su lugar, utiliza la carga de nivel 2. Es mejor cargar la batería hasta el nivel requerido para el uso diario. Cargar y descargar la batería en paralelo no la descarga por completo. Intenta usar y cargar la batería a temperatura ambiente. El funcionamiento de la batería en frío reduce su capacidad.

Necesitamos superar algunos obstáculos para que esta tecnología sea más accesible para el ciudadano común. Esto significa que se deben incluir nuevas características para mitigar los efectos de los problemas. Una de las mayores desventajas de las baterías eléctricas es que muchas requieren protección contra la carga y descarga excesivas, y actualmente se mantienen dentro de límites seguros. Otra desventaja es su envejecimiento. Necesitan ser reemplazadas constantemente, lo cual se complica aún más cuando la batería está integrada en el sistema del vehículo. Además, muchas baterías eléctricas, incluidas las más conocidas, como las de iones de litio, envejecen, estén o no en uso, lo que afecta aún más su eficiencia.

Los costos de transporte son otro gran inconveniente de las baterías eléctricas. No se pueden transportar en paquetes en los aviones, por lo que su transporte se limita a los barcos. En el avión, cualquier batería de litio necesita protección contra cortocircuitos, lo cual es especialmente importante para las baterías de gran capacidad. Otro inconveniente que impide que las baterías eléctricas sean accesibles para el ciudadano común es su elevado costo. Si a esto se le suma el costo de otros componentes del automóvil, la mayoría de la gente prefiere seguir usando autos de gasolina en lugar de pasarse a los vehículos eléctricos.

Estas son algunas de las limitaciones de los coches eléctricos que podrían impedirle comprar uno. Pero le tenemos buenas noticias: como ya se mencionó, estas limitaciones deben reconocerse y solucionarse, y dado que muchas empresas importantes están interesadas en invertir en esta tecnología, podemos tener la esperanza de que en un futuro próximo se eliminen estos obstáculos. Así que veamos qué novedades hay en este sector.

El LiFePO4 es el miembro más conocido de la familia del litio metálico tipo olivino y uno de los candidatos emergentes para el cátodo de las baterías de iones de litio. Tiene una densidad energética menor que el óxido de cobalto y litio convencional y también un voltaje de operación menor. Se creó como cátodo en la batería eléctrica en 1996 debido a la extracción e inserción reversible de litio de la base. Debido a su baja toxicidad, bajo costo, abundancia natural de hierro, características de seguridad y mayor estabilidad térmica, se ha vuelto más popular en el mercado. No contiene níquel ni cobalto, ambos asociados con condiciones de minería de alto riesgo e inmorales y con altos costos de producción y transporte. Uno de los obstáculos era la baja conductividad eléctrica y muchos científicos están tratando de superar este problema utilizando materiales conductores más eficientes, como los nanotubos de carbono. La densidad energética de la batería LFP es mucho menor que la de las baterías de plomo. Esto la hace adecuada para montacargas, motocicletas y automóviles eléctricos debido a las mayores tasas de descarga, menor peso y mayor vida útil.

Un equipo de científicos liderado por el premio Nobel John Goodenough presentó una patente para una nueva batería que utiliza vidrio como componente clave. Esta funciona mediante la incorporación de sodio o litio al vidrio para formar un electrodo, lo que le proporciona una capacidad de almacenamiento de energía tres veces mayor que la de una batería de iones de litio. La mayor ventaja de esta batería es que no es explosiva ni inestable y no presenta problemas de crecimiento de dendritas de litio, que provocan cortocircuitos. Lo mejor de este invento es que puede romper la barrera del precio que dificulta la adopción de los coches eléctricos. Además, puede utilizarse para almacenar energía solar y eólica intermitente en las redes eléctricas. La noticia más prometedora es que puede tener más de 1000 ciclos de descarga que las baterías de litio. Si bien esta nueva tecnología parece demasiado buena para ser verdad, un científico como John Goodenough goza de gran prestigio en el campo de las baterías eléctricas, por lo que es razonable suponer y esperar que las baterías de vidrio se conviertan en una realidad revolucionaria en el futuro.

Además de las baterías de fosfato de litio, las baterías de litio-azufre (LS) están ganando popularidad porque reemplazan los metales pesados considerados peligrosos para el medio ambiente. El bajo peso atómico tanto del litio como del azufre las hace relativamente ligeras. Se utilizaron en el vuelo aéreo más largo propulsado por energía solar. Estas baterías podrían reemplazar a las de iones de litio debido a su mayor densidad energética y menor costo. Además, ofrecen energías específicas significativamente mejores que las de iones de litio. Sin embargo, las baterías LS presentan varios problemas que dificultan su adopción generalizada en el mercado. El principal problema es la fuga progresiva de material activo del cátodo, lo que reduce la vida útil de la batería.

Una firma de inteligencia empresarial de propiedad estadounidense afirma que, en el escenario base para la adopción de vehículos eléctricos, estos representarían 141 TP3T de ventas en 2030. Otro analista indicó que esta cifra podría aumentar a 70-801 TP3T si se resuelve el problema de la carga en movimiento en la próxima década. Se espera que la densidad de las baterías de litio aumente hasta 301 TP3T gracias al avance de las tecnologías mencionadas, lo que a su vez impulsará nuevos avances. Además, está surgiendo un nuevo componente: la carga dinámica de vehículos eléctricos. Esto significa que el vehículo funciona con baterías solares, obteniendo energía directamente del sol para alimentar la batería. Esta tecnología, desarrollada por una empresa emergente en los Países Bajos, se espera que avance en los próximos años. Esta tecnología garantizaría que el automóvil funcione con 1001 TP3T de energía limpia.

Numerosas empresas tecnológicas de renombre, como Volkswagen, BMW Group, Tesla y Daimler, han invertido en investigación y financiación para la tecnología de estado sólido. Estas inversiones ponen de manifiesto la importancia de estas tecnologías. Además de las tecnologías mencionadas, las baterías de silicio también están ganando terreno en este campo debido a su potencial para reducir la ansiedad por la autonomía.

El futuro del mercado de los coches eléctricos y la velocidad con la que los consumidores están cambiando los vehículos de gasolina y diésel por alternativas más limpias dependerán del coste, la seguridad, el rendimiento de la conducción y el tiempo necesario para recargar la batería.

Aún quedan muchos pasos por dar. Se necesitan muchos avances, y existen aspectos del éxito de esta tecnología que todavía no se han puesto en práctica. Pero viendo el entusiasmo y la energía con que los científicos trabajan en ella y la gran inversión que los inversores realizan, podemos afirmar con seguridad que el potencial de futuros avances es ilimitado.