El futuro de las baterías para vehículos eléctricos: más autonomía eléctrica, carga más rápida
Baterías de coches eléctricos tienen muchas demandas contradictorias. Necesitan almacenar mucha energía, ofrecer un alto rendimiento, tener una larga vida útil y estar a salvo en caso de accidente. Todo ello al menor coste posible. Hasta ahora, las baterías de iones de litio han sido la tecnología dominante en los vehículos eléctricos (VE) porque cubren bastante bien todas esas bases. Sin embargo, las baterías de iones de litio también tienen sus limitaciones, y los ingenieros de baterías trabajan constantemente para mejorar las baterías a fin de ofrecer un mejor rendimiento y un menor costo a partir de las celdas de iones de litio. Al mismo tiempo, ya se están desarrollando una serie de posibles sucesoras de las baterías de iones de litio para automóviles eléctricos. Únase a nosotros para ver cómo evolucionan las baterías de iones de litio y la próxima generación de paquetes de energía para vehículos eléctricos.
Optimización de iones de litio
En términos de densidad de energía, el litio puro es el material ideal para el ánodo: la mitad de la composición química de una batería. Pero el litio también es altamente inflamable, por lo que, por motivos de seguridad, los grafitos se mezclan en ánodos activos para que puedan absorber los iones de litio. La combinación de litio y grafito ayuda a aumentar la capacidad de carga de las baterías y mantiene su precio relativamente bajo en comparación con el litio puro, cuya extracción es cara y consume mucha energía. El litio y el grafito también proporcionan una vida útil relativamente larga a las baterías de los vehículos eléctricos: incluso después de 3000 ciclos de carga, las baterías pueden conservar una capacidad residual del 80 por ciento o incluso más. Los datos del Centro de Investigación de Baterías de la Universidad de Münster (Alemania) sugieren que las baterías de los coches eléctricos actuales podrían tener un vida útil de más de 600.000 millas.
Debido a que las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos contienen muchos componentes, cada uno de ellos ofrece un potencial de optimización. Los ánodos, que actualmente consumen mucho grafito, podrían cambiar a silicio en el futuro. El silicio, que presenta la segunda mayor capacidad de almacenamiento por peso después del litio, ofrece un potencial de almacenamiento de energía diez veces mayor que el del grafito. Esto podría ayudar a que la próxima generación de baterías de iones de litio tenga una capacidad mucho mayor. Aún mejor, a diferencia del litio, el silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre: es mucho más fácil de acceder y es más económico que el litio. Porsche, que es el único fabricante que trabaja en ánodos de silicio, afirma que, en el futuro, las baterías de sus vehículos eléctricos podrían cargarse entre un 5 y un 80 por ciento en menos de 15 minutos, lo que mejoraría considerablemente la comodidad de los conductores de vehículos eléctricos.
Ánodos de silicio y cátodos de níquel
El desafío del silicio es que se expande físicamente cuando los iones de litio se absorben durante la reacción química que genera electricidad. De hecho, cuando se absorbe el litio, las partículas de silicio puro pueden expandirse hasta tres veces su tamaño original, lo que puede estresar físicamente el material y la carcasa de la batería. Esta tensión física podría dañar las superficies de los electrodos y reducir la vida útil de la batería. Los ingenieros de Porsche han empezado a mezclar otros materiales con silicio, reduciendo su proporción al 80 por ciento, lo que podría ayudar a mitigar ese estrés.
También se está trabajando para optimizar los materiales utilizados para el cátodo, la otra mitad de la batería de un vehículo eléctrico. En el caso del cátodo, la característica más importante es la capacidad de retener una gran cantidad de carga, impulsada por el potencial electroquímico del material. La mayoría de las baterías de los automóviles eléctricos utilizan actualmente litio, níquel y óxido de cobalto-manganeso en una proporción de 6:2:2, con níquel y óxido de cobalto-manganeso en igual proporción. En el futuro, la participación del níquel en la mezcla podría aumentar, lo que reduciría el uso de óxido de cobalto y manganeso. Una mayor cantidad de níquel en una batería para vehículos eléctricos ofrecería mayores capacidades de carga.
Las baterías de iones de litio también se pueden mejorar optimizando el separador, que está formado por tiras muy delgadas (de 10 a 20 micrómetros) hechas de polietileno o polipropileno. Los separadores añaden espacio y peso al paquete de baterías, pero la nueva tecnología debería permitir la producción de versiones mucho más delgadas. Cuanto más delgados sean los separadores, más capas o bobinas habrá en los electrodos que cabrán en una celda de batería. En última instancia, los separadores más delgados permitirían que una batería del mismo tamaño tuviera una capacidad de celda y un contenido de energía mucho mayores.
Baterías de estado sólido para vehículos eléctricos: la próxima generación
Actualmente se está investigando intensamente sobre las baterías de estado sólido, lo que podría representar el próximo gran salto para la tecnología de los automóviles eléctricos. En lugar de utilizar una solución electrolítica, baterías de estado sólido utilizan un material sólido para el electrolito; también combinan el electrolito y el separador en una sola pieza. Esto significa que las baterías de estado sólido requieren mucho menos espacio de instalación que las baterías de iones de litio o, alternativamente, pueden tener mucho más alcance y capacidad en un espacio del mismo tamaño.
Los investigadores esperan que, al eliminar las soluciones electrolíticas, las baterías de estado sólido tengan una densidad de energía hasta un 50 por ciento mayor que las baterías de iones de litio. El electrolito sólido es mucho menos inflamable, lo que mejora la seguridad. Las baterías de estado sólido también deberían permitir tiempos de carga significativamente más rápidos.
Diseño de sensores y celdas
No es solo la química de las baterías lo que está dando pasos agigantados. Los sensores mejorados ayudarán a monitorear con mayor precisión los niveles de carga de la batería, lo que permitirá acortar aún más los tiempos de carga al permitir una carga más rápida ciertos rangos de voltaje. Los sistemas de refrigeración de las baterías también podrían controlarse con mayor precisión, aumentando la velocidad de carga pero también ayudando a que las baterías duren más.
Los nuevos e innovadores paquetes ayudarán a que las baterías sean más potentes y permitan una mayor autonomía. La tecnología Cell-to-Pack integraría las celdas directamente en la carcasa de la batería, en lugar de empaquetar miles de celdas más pequeñas. Eliminar las piezas pequeñas (y las paredes y los espacios entre ellas) permitiría que la batería de un vehículo eléctrico acumule más energía en la misma cantidad de espacio.
Qué esperar del futuro de las baterías para vehículos eléctricos
La combinación de la evolución de la tecnología de iones de litio, la investigación sobre diferentes productos químicos y las innovaciones en los sensores y el embalaje podrían ayudar a los vehículos eléctricos a alcanzar una carga significativamente mayor. Porsche afirma que la combinación de una nueva química anódica y un empaquetado denso podría alcanzar una autonomía de más de 800 millas, lo que supone un aumento del 30 al 50 por ciento con respecto a las baterías para vehículos eléctricos de mayor alcance actuales. Y lo que es más importante, esas mismas innovaciones generarán mejoras carga rápida capacidad que algún día significaría cargar al 80 por ciento de un rango del vehículo solo tomaría el tiempo de parar para echar gasolina.
