Tecnología de batería
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Tecnología de batería
La creación de la batería de iones de litio comenzó con Stanley Whittingham y fue mejorada de forma sucesiva por Goodenough y después por Yoshino, que cerró el círculo de las bases de este descubrimiento. La base de la batería de iones de litio se sentó durante la crisis del petróleo en la década de 1970 y aquí es donde debemos remontarnos; fue entonces cuando el estadounidense Whittingham comenzó a explorar tecnologías que no precisaran de esta fuente de energía primaria, explica la Real Academia de las Ciencias de Suecia comenzó a investigar superconductores y descubrió un material muy rico en energía, que utilizó para crear un cátodo que nunca antes se había introducido en una batería de litio: estaba hecho de disulfuro de titanio que, a nivel molecular, tiene espacios que pueden albergar iones de litio. Uno de los mayores avances en tecnologías de baterías es el litio-aire. El litio-aire tiene un potencial energético específico teórico de 13.000 Wh/kg. El litio-aire es una de las pocas tecnologías prometedoras que potencialmente pueden acercarse a la densidad energética del combustible de hidrocarburos. En comparación con la tecnología de batería actual disponible a 105±5 Wh/kg, este es un gran salto en el rendimiento del almacenamiento. La capacidad del campo de prácticas es el punto crucial en cuestión de si algún día los vehículos eléctricos podrán penetrar por completo en los mercados de automóviles del mundo. Tras revisar mi investigación sobre sistemas de almacenamiento de energía, la más apropiada para mi vehículo será la tecnología de litio-aire. Aunque se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, creo que el enorme potencial que posee esta tecnología atraerá más fondos, lo que reducirá el tiempo de desarrollo y, en última instancia, reducirá el costo de implementación dentro de los vehículos eléctricos.
La tecnología de las baterías ha evolucionado de una manera casi vertiginosa en las últimas décadas con el desarrollo, impulsado por la demanda y el aumento de prestaciones, de ordenadores portátiles, “smartphones” y “tablets”. Las baterías de los vehículos híbridos y eléctricos se beneficiaron inicialmente de las innovaciones llegadas del campo de la electrónica de consumo, pero ahora son el motor del progreso y del perfeccionamiento. En ambos mundos se persigue aumentar la capacidad y la velocidad de carga de estos acumuladores energéticos con el menor tamaño y peso posibles. Por el momento, la técnica empleada es muy similar en ambos casos: celdas recargables de iones de litio, con un ánodo de grafito y un cátodo de litio, cobalto, manganeso y níquel. Se introdujeron al mercado en 1991. ¡Llevan 30 años con nosotros! En el caso de los teléfonos, las baterías suelen tener entre 3,7 V y 3,9 V. En un coche eléctrico, esa tensión nominal puede ser de hasta 800 V. Debido al mayor voltaje del coche eléctrico, también es distinta la potencia de recarga: alrededor de 100 kW en los vehículos eléctricos modernos (y hasta 350 kW) y sólo 25 W en los móviles de nueva generación. El amperaje, por su parte, es de 180 A o más en los automóviles y de 4 A o menos en los dispositivos de telecomunicación. El único aspecto donde la batería de un smartphone es superior a la de un coche es en la densidad energética de las celdas, pero esto se debe a que en los vehículos son necesarios más equipos auxiliares.
Las actuales baterías de ion-litio
Por una parte, la batería de ion-litio está formada por dos electrodos; el cátodo y el ánodo, que están divididos por un separador, integrados en una celda e inmersos en el electrolito, un líquido conductor que hace reaccionar de forma química los iones necesarios entre los electrodos. Y la combinación de múltiples celdas forma la batería. Pues bien, cuando arrancamos nuestro vehículo se activan estas reacciones químicas que ponen en marcha la circulación de iones entre electrodos, produciendo así electrones, traspasándose a los bornes de la batería y generando energía. Y cuando recargamos la batería, las partículas circulan en la dirección opuesta y se produce el proceso inverso. Como ya sabemos, estas baterías tienen una vida útil limitada de entre 8 y 10 años, lo que equivale a unos 3.000 ciclos de recarga completos. Eso se debe al hecho que el litio líquido, con el tiempo, se va solidificando y creando pequeñas cavidades llamadas dendritas, culpables de debilitar la batería, provocar sobrecalentamientos y cortocircuitos. Y no sólo eso, sino que otro de los problemas que presenta el electrolito líquido es que es inflamable, lo que requiere sistemas de seguridad y de refrigeración para evitar acumulaciones de calor y pérdidas de capacidad. Y todo esto se traduce en mayor coste, peso y volumen para la batería.
Batería de estado sólido
Por otra parte, la principal diferencia en la batería de estado sólido recae en el electrolito que, en este caso, en lugar de ser líquido es sólido. En otras palabras, las celdas de almacenamiento de energía de estas baterías no contienen un líquido conductor, sino que están formadas por un compuesto sólido que hace la misma función que el electrolito líquido: transmite los iones entre los electrodos para generar energía. El funcionamiento general viene a ser el mismo, pero el hecho de usar un electrolito sólido inorgánico facilita múltiples aspectos. Y, para ser más concretos, el equipo de John B. Goodenough, en colaboración con la ingeniera María Helena Braga, ha presentado ya, en abril de 2020, su patente de electrolito de vidrio sólido. Su versión cuenta con un ánodo de metal alcalino que permite aumentar la densidad energética y la vida útil de la batería. Las baterías de electrolito sólido, al calentarse mucho menos, no necesitan sistemas de seguridad ni de refrigeración que eviten las acumulaciones de calor. Tampoco necesitan separadores entre electrodos, ni la cubierta impermeable protectora que, al fin y al cabo, suman costes, peso y más de la mitad del volumen de las baterías de ion-litio.
Azufre en las baterías de los coches eléctricos: reduce el peso y aumenta su capacidad de carga y autonomía
Las células de litio-azufre tienen tres ventajas principales: solo se ha alcanzado el 10% de la densidad de energía teórica del azufre, las células de litio-azufre son dos veces más ligeras que las células de ion litio y están libres de materias primas críticas. Los investigadores ya saben que el azufre presenta propiedades químicas tan importantes como su peso, más ligero que el de otros materiales, pero también su capacidad para alcanzar una de las densidades de energía más elevadas, llegando a los 0,6 kWh/kg cuando las «mejores» de iones de litio ofrecen 0,25 kWh/kg. Las principales ventajas de las células que combinan litio y azufre son su densidad de energía teórica de 2,6 kWh/kg, abunda en el medio y es un material económico. Pero el azufre también tiene una desventaja muy importante: debido a su baja masa celular, se disuelve en el electrolito con una rapidez que supera lo deseable. Por lo tanto, mejorar las baterías de litio-azufre podría ser un factor clave para la adopción a gran escala de vehículos electrificados ya que la baja masa del material permite disminuir el peso total de una batería de un eléctrico actual hasta quedar en una cifra más real de, aproximadamente, unos 200 kilogramos.
Baterías de estado sólido impresas en 3D
¿Qué? Se trata de baterías completas de estado sólido impresas en 3D con una sola máquina. Prometen el doble de energía que las baterías de iones de litio actuales pero a la mitad de precio y mucho más seguras. ¿Cómo? El método de fabricación mediante una impresora 3D, se basa en una tecnología a base de polvo (puede ser yeso, metal o arena) desarrollada por el MIT, y que la compañía está en proceso de patentar.
Baterías de litio-hierro-fosfato
Son una variante de las de ion-litio. Resultan más seguras y estables, al tiempo que ofrecen un periodo de vida útil bastante más largo, con mayores potencias. Sin embargo, su densidad es menor, con lo que baja la cantidad de energía que pueden acumular por kilogramo de peso. A cambio, su coste de producción es bastante inferior, lo cual las hace ideales para los vehículos eléctricos.
Baterías de litio-manganeso
Es otra opción interesante que tiene la ventaja de ser poco contaminante y, además, aguanta mayor voltaje y tolera mejor el calor. ¿Quieres saber cuál es su inconveniente? Su densidad energética, que implica una baja capacidad de almacenaje por kilogramo de peso.
Baterias de litio-niquel-cobalto-manganeso
Son una combinación de las anteriores. Es un tipo de batería que equilibra muy bien el rendimiento con el coste, lo que la vuelve atractiva para la industria. Tiene una de las mejores densidades energéticas, se adapta a voltajes elevados y garantiza una vida útil larga. Todas estas características hacen de esta categoría de baterías una de las opciones más empleadas, hoy en día, en la fabricación de automóviles eléctricos.
Baterías de litio-polímero
Es otra modalidad en pruebas. El polímero es un tipo de plástico cuyo uso da a la batería un aspecto blando que la diferencia claramente del resto, además de hacerla muy ligera. Estas baterías son una variante de las de ion-litio, pero con más densidad energética y mayor potencia, además de que no tienen efecto memoria. Sin embargo, su coste de producción es muy elevado, por lo que su uso es marginal..
Baterías de litio-titanio
Por último, dentro de la categoría de las que utilizan el lito, se encuentra esta variantes que es la que ofrece mayor durabilidad: se considera que este tipo de acumulador puede soportar, incluso, 12 000 recargas, lo que supera de largo a otros modelos de baterías. Además, su densidad energética muestra una relación energía acumulada-peso muy conveniente. Sin embargo, la introducción del titanio en el proceso de producción dispara los precios, por lo que su uso en la fabricación real es muy limitado.
Otras baterías: del siglo XIX a la tecnología del futuro
Ten en cuenta que las baterías de ion-litio y sus variantes no son las únicas baterías disponibles. En la historia de la tecnología encontramos muchos tipos, algunos de los cuales llevan en uso más de un siglo. Otros todavía están en fase de investigación y son solo prometedoras soluciones de futuro.
Baterías de plomo-ácido
Constituyen una de las formas más antiguas de almacenar electricidad que se conocen. De hecho, se emplean desde el siglo XIX y son baratas. Todavía resultan eficaces en vehículos pequeños y son muy útiles para alimentar, por ejemplo, el sistema eléctrico básico de un coche, o para la iluminación del vehículo, si bien tienen muchos inconvenientes. El más importante, su elevado peso: demasiados kilos para la poca potencia ofrecida. Además, tardan mucho en recargarse. Por si fuera poco, el plomo es muy contaminante, lo que supone un sobrecoste al tratar los residuos.
Batería de níquel-hierro
Es otro tipo de batería muy veterano, tan antigua que es una de las patentes de Thomas Alba Edison, quien la ideó a principios del siglo XX. Hoy en día están en desuso por su baja eficiencia: demasiado peso para tan poca energía acumulada.
Otras baterías de níquel
Con níquel también se producen otros tipos de baterías. Por ejemplo, la de níquel-cadmio y la de níquel-hidruro metálico. La primera de ellas destaca por su rendimiento a bajas temperaturas. Se han empleado mucho en automoción, pero donde se han adaptado mejor es en la aeronáutica, como baterías para helicópteros o aviones. Esto se debe a que sus componentes son demasiado caros para que resulten rentables en la producción de automóviles. Tienen, además, una pega importante: estas baterías poseen efecto memoria, con lo que los procesos de recarga deben hacerse con mucho cuidado para no afectar a su capacidad. Este efecto memoria se corrige en el segundo tipo: las de níquel-hidruro metálico. Sin embargo, tampoco son perfectas, puesto que sufren mucho con el calor y resultan demasiado sensibles a las sobrecargas y las descargas.
Baterías zebra
Poseen un enfoque químico que se condiera una rareza. Utilizan sal fundida a gran temperatura, lo que las hace muy sofisticadas y delicadas. A cambio, su rendimiento es muy alto y su ciclo de vida, el más largo de todos. Pero su volumen y su baja potencia, además de lo complejo de su funcionamiento, hacen que se utilicen muy poco.
Batería de aluminios-aire
Todavía se encuentra en fase de investigación. Es otro tipo de batería bastante raro y muy poco empleado, que almacena hasta diez veces más energía que una de ion-litio gracias a su alta densidad energética. Como contrapartida, hay que señalar que acaba saliendo cara: es necesario cambiar periódicamente los electrodos gastados y eso eleva mucho el coste del mantenimiento.
Baterías de zinc-aire
Es otro tipo de baterías que se está investigando, las cuales necesitan el oxígeno de la atmósfera para funcionar. Son complejas, pero su capacidad de almacenamiento triplica a las de ion-litio en el mismo volumen. Por si fuera poco, su coste es bastante más bajo. Todas estas ventajas hacen que este tipo de acumulador sea uno de los que más futuro tiene en el sector automovilístico.