Batería de iones de litio, 2020, Porsche AG.
Las baterías de iones de litio ya ofrecen buenas cifras de autonomía y tiempos de carga cortos para los vehículos eléctricos. Pero el desarrollo continúa y aún tienen posibilidades de mejora, como el tiempo de carga. Porsche ha dado a conocer la opinión de diferentes investigadores sobre su tecnología.
Desde la marca, reconocen que, para el usuario de un Taycan, el alto rendimiento de carga juega un papel clave. Stefanie Edelberg, ingeniero de Porsche Engineering, lo explica así:
“La conducción deportiva agota la batería más rápido y el cliente no quiere estar una hora delante del enchufe para tener su coche preparado para seguir haciendo kilómetros”.
Según Dirk Uwe Sauer, profesor de Tecnología de Sistemas de Almacenamiento y Conversión de Energía Electroquímica (Universidad RWTH de Aachen), ya no es necesario:
Sin embargo, varias propiedades extremas no se pueden combinar. No puedes tener todo a la vez”.
¿Carga ultrarrápida combinada con una alta densidad de energía? Eso no es posible porque la vida útil se vería afectada por esta combinación. Sauer se muestra escéptico sobre informes de los medios acerca de supuestas baterías milagrosa. Generalmente se suele optimizar un solo parámetro en detrimento de otros. Y al respecto señala:
“No puede existir una batería universal para todo tipo de uso”.
Las baterías de iones de litio
Aunque los sistemas de almacenamiento de energía mejoran constantemente, las celdas de iones de litio seguirán siendo las elegidas en el futuro, previsiblemente. Entre las causas:
- La alta reactividad del litio y la elevada densidad energética de las celdas; permiten almacenar una gran cantidad de energía en un espacio pequeño.
- Las baterías de iones de litio son, además, muy robustas; pueden soportar alrededor de 2.000 ciclos de carga en un vehículo totalmente eléctrico a una gran profundidad de descarga antes de perder su utilidad.
- Otra ventaja de una batería de ion-litio es que no tiene el efecto memoria de las baterías de níquel-cadmio; en el caso de descargas parciales frecuentes, “recuerdan” el requerimiento energético típico y ajustan su capacidad a él.
- Además, la tecnología aún no ha tocado techo. Según los científicos del Instituto Fraunhofer de Investigación de Sistemas e Innovación (ISI), la densidad de energía casi se ha duplicado durante la última década en las celdas de baterías para VE, hasta alcanzar una energía específica media de 250 Wh/kg (o 500 Wh/l de densidad energética). Al ritmo actual, explican, es probable que en el año 2030 estas cifras se hayan duplicado.
Carga rápida
El tiempo de carga rápida también mejorará, aunque requiere su tiempo por la exigencia de seguridad. Pero hay que tener en cuenta, según Sauer que:
“La capacidad y el rendimiento de la batería disminuyen con cada carga excesivamente rápida”.
La carga rápida es un desafío porque los átomos de litio migran a los cristales de carbono del electrodo durante la carga. Al descargar, se recuperan de allí. Sin embargo, añade:
“Cuanto más rápido se carga la batería, mayor es el riesgo de que los portadores de carga se peguen a la superficie de los cristales, formando una capa metálica y dañando así la celda”.
En consecuencia, la capacidad y la potencia disminuyen con cada carga rápida.
El desarrollo de una carga rápida requiere tiempo, pero no es el único obstáculo de los investigadores. Otros puntos importantes son los enchufes de carga, los cables y la infraestructura del vehículo, que también deben diseñarse para las corrientes altas. Esto implica que haya cables gruesos y, por tanto, que aumente el peso.
Carga y descarga de una batería de iones de litio.
Para comparar los tiempos de carga de vehículos eléctricos con diferentes capacidades de batería, la variable o tasa “C” (C significa “capacidad”) es muy útil. Indica la relación entre corriente de carga o descarga de una celda electroquímica en amperios (A) y la capacidad de la celda en amperios-hora (Ah). Un valor de 1 significa que la carga completa tarda una hora. Los valores 2 y 3 representan, respectivamente, media hora y 20 minutos de carga.
Los desarrolladores aspiran a alcanzar un “C” de 10, lo que significaría unos seis minutos de tiempo de carga. Pero aún están lejos de conseguirlo.
Proyecto FastCharge
En el proyecto de investigación “FastCharge”, fabricantes como Siemens, Phoenix Contact E-Mobility y Porsche, entre otros, trabajan para acortar el tiempo de la carga rápida. Y el avance es considerable.
Durante unos tests realizados, un vehículo de pruebas de Porsche con una batería de 90 kWh logró una capacidad de carga de 400 kW. Eso permitió obtener los primeros 100 kilómetros de autonomía en menos de tres minutos. Un proceso de carga completo del 10 al 80 por ciento en estación de carga ultrarrápida requirió 15 minutos.
Se espera que la batería de estado sólido traiga avances en términos de carga rápida y seguridad. En este caso, se utiliza un polímero o cerámica en lugar del electrolito líquido. Dado que no se utiliza líquido, las baterías se vuelven más compactas, lo que permite aumentar significativamente su densidad de energía. Al mismo tiempo, las células son menos inflamables. Pero su viabilidad no está aún demostrada en la práctica.
Otras tecnologías
También el litio será siendo la base de otra posible batería, la de litio-azufre.
En este caso, el cátodo consiste en una malla de azufre que reemplaza completamente la estructura de rejilla convencional de cobalto, manganeso y níquel. Esto hace que las baterías sean significativamente más livianas que otras convencionales. Pero por el momento también son bastante más caras, por lo que pueden ser más adecuadas para otro tipo de vehículos como, por ejemplo, los taxis aéreos del futuro. Su fiabilidad aún no está probada.
Otras tecnologías para aumentar la densidad de energía que se están investigando actualmente y que podrían llegar a corto o medio plazo incluyen: materiales de electrodos hechos de compuestos de carbono y silicio; diversos materiales de cátodos ricos en níquel; o materiales de alto voltaje que permiten alcanzar los 5 voltios por celda.
Sin embargo, muchas otras investigaciones todavía se encuentran en fases de inicio, como los iones de sodio en lugar de los iones de litio o las combinaciones de metal y oxígeno.
Previsión de fabricación de baterías, por países, para 2029.
Cuestión de precio
Los investigadores ven un posible freno en el coste. Sauer lo explica:
“Al final, la autonomía de un vehículo no está limitada por el peso de una batería, sino por su precio”.
Según los consultores de Horváth & Partners, el precio por kWh de las baterías de iones de litio ha disminuido de 400 euros en 2013 a 107 euros en 2019. Sin embargo, la bajada de precios no continuará a este ritmo debido al aumento de la demanda. Esto, según Sauer, se debe principalmente a que:
“Las materias primas representan hasta el 75 por ciento del coste de una batería”.
Una cosa está clara: en la próxima década, las baterías de iones de litio, con todas sus mejoras adicionales, seguirán siendo la tecnología dominante. Termina el investigador añadiendo:
“Las características de esta tecnología son demasiado buenas para ser reemplazadas por cualquier otra cosa. La movilidad eléctrica ya está funcionando muy bien con lo que las baterías pueden ofrecer hoy y existe potencial para un mayor desarrollo en los próximos años”
