La industria automotriz se encuentra en medio de una revolución, posiblemente la segunda después de la primera producción en masa del Modelo T. Los vehículos eléctricos están siendo anunciados y lanzados por prácticamente todos los fabricantes de automóviles del mundo. Y aunque falta bastante tiempo para que la mayoría de los vehículos en circulación sean vehículos eléctricos, se están logrando avances monumentales en la tecnología de baterías para vehículos eléctricos.
Puntos Clave
- Las baterías de estado sólido son el avance más esperado a corto plazo: prometen una mayor densidad de energía, una carga más rápida y una mayor seguridad en comparación con la química convencional de iones de litio.
- Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) están ganando cuota de mercado gracias a su estabilidad térmica y durabilidad, incluso con una menor densidad energética.
- Las baterías de iones de sodio están surgiendo como una alternativa de menor coste para vehículos eléctricos de gama básica y almacenamiento estacionario, donde la densidad energética es menos crítica.
- Los sistemas de gestión de baterías (BMS) están evolucionando a la par de la química de las celdas para optimizar la carga, la regulación térmica y el seguimiento del estado de salud (SoH) en tiempo real.
- Los técnicos de servicio deben realizar un seguimiento de los cambios en la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos, ya que los procedimientos de diagnóstico y los requisitos de seguridad varían según el tipo de batería.
- Las herramientas de diagnóstico Midtronics xEV están diseñadas para adaptarse a las arquitecturas de baterías de vehículos eléctricos en constante evolución, brindando soporte a los talleres de servicio a medida que cambia el panorama tecnológico.
Más de la mitad de los potenciales compradores de automóviles afirman que la ansiedad por la autonomía es un obstáculo para comprar un vehículo eléctrico. Ya sea por las limitaciones de capacidad o por el tiempo que se tarda en recargar una batería, el desarrollo e integración de mejores baterías será absolutamente crucial en la próxima década.
Aquí es donde se encuentra la tecnología actual de baterías para vehículos eléctricos y lo que podríamos ver hacia finales de la década.
Baterías de iones de litio
Una abrumadora mayoría de vehículos eléctricos se construyen con paquetes de baterías de iones de litio. Este tipo de batería se encuentra en los vehículos eléctricos más vendidos del mercado actual y se supone que también estará en los modelos que vendrán en los próximos años. Generalmente, las baterías de iones de litio ofrecen una alta densidad de energía, son livianas en comparación con las tecnologías más antiguas y son seguras de cargar. Tienen una tasa de descarga baja y entregan energía constante durante toda la descarga.
Sin embargo, las baterías de iones de litio no están exentas de fallos. A pesar de pesar menos de la mitad del peso de las baterías de plomo-ácido, son bastante pesadas cuando se consideran las necesidades de largo alcance. La carga también es comparativamente rápida, pero aún lleva mucho más tiempo que repostar combustible en un vehículo ICE.
Quizás la preocupación más frecuente por la tecnología de iones de litio esté en sus materiales. Ya sea que esté mirando los diseños más comunes de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC), óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA), óxido de litio y manganeso (LMO) o fosfato de litio y hierro (LFP), todos utilizan metales de tierras raras. Aunque es difícil decirlo con certeza, el abastecimiento de estos materiales raros y controvertidos parece insostenible.
Para las baterías de iones de litio actuales, cada composición tiene ventajas y desventajas.
- Las baterías NMC tienen comparaciones moderadas de rendimiento, energía y costos, pero su estabilidad térmica no alcanza a otras opciones.
- Las baterías NCA tienden a ser más caras y producen excelentes resultados para energía y potencia específicas, pero son más volátiles.
- Las baterías OVM se encuentran entre las más rentables del mercado actual y tienen una capacidad energética promedio, pero tienen el rendimiento y la vida útil más bajos.
- Las baterías LFP dominan debido a su estabilidad térmica, seguridad, costo y vida útil, pero su energía y potencia específicas están por debajo del promedio.
Baterías de hidruro metálico de níquel
Para los vehículos híbridos eléctricos, la tecnología de níquel-metal hidruro (NiMH) ha sido la solución más elegida. Fabricantes de automóviles como Toyota han utilizado baterías NiMH en híbridos desde finales de la década de 1990, y los avances recientes, como las baterías NiMH bipolares, mantienen esta tecnología vigente. Su precio es aproximadamente la mitad que el de las baterías de iones de litio del mismo tamaño.
Al igual que la tecnología de iones de litio, las baterías de NiMH utilizan materiales de tierras raras como cobalto y lantano, y altos niveles de níquel. Por lo tanto, también abundan las preocupaciones medioambientales para estas baterías.
Las baterías de NiMH se utilizan para aplicaciones con menor demanda, por eso las híbridas las emplean. Además, tienen niveles de autodescarga más altos y pueden perder capacidad si se sobrecargan, pero eso se anula al moderar el nivel y la velocidad de carga. Una carga más lenta es mejor para las baterías de NiMH, y es una de las razones por las que los vehículos eléctricos completos de mayor autonomía no adoptan esta tecnología.
Baterías de estado sólido
Quizás el avance más prometedor para los vehículos eléctricos sean las baterías de estado sólido . Son muy parecidas a las baterías de iones de litio, pero en lugar de un electrolito líquido que transporta la energía de un electrodo a otro, lo hacen mediante un material sólido con una densidad energética mucho mayor. Los fabricantes de automóviles están invirtiendo cientos de millones de dólares en baterías de estado sólido, ya que reducirán considerablemente su tamaño y peso, además de aumentar su estabilidad.
Debido a que las baterías de estado sólido son más densas en energía, pueden recargarse en una fracción del tiempo que una batería de iones de litio con electrolito líquido. Otro gran beneficio es la longevidad; Mientras que una batería de iones de litio se degrada notablemente después de 1,000 ciclos de carga, se dice que las baterías de estado sólido "mantienen el 90% de su capacidad después de 5,000 ciclos".
Queda mucho camino por recorrer hasta que las baterías de estado sólido estén listas para el mercado, particularmente en el área de reducción de costos de producción. Hay promesas de que será posible en los próximos años.
Baterías de ánodo de silicio
El grafito se utiliza abundantemente en las baterías de vehículos eléctricos, pero tiene limitaciones de capacidad. Los desarrolladores están trabajando en diseños que reemplazan el grafito del ánodo con micropartículas de silicio mesoporosas y nanotubos de carbono. El silicio tiene aproximadamente diez veces más capacidad que el grafito, e implementarlo como elemento clave en las celdas de las baterías podría mejorar enormemente tanto el alcance como los tiempos de carga.
Uno de los mayores beneficios de las baterías de ánodo de silicio es una menor dependencia del grafito, reemplazado por un producto refinado a partir de ceniza de cáscara de cebada. Es un paso hacia la reducción de la dependencia de la minería de minerales de tierras raras.
Baterías para vehículos eléctricos sin cobalto
Posiblemente el material más controvertido utilizado en las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos debido a las prácticas mineras en el Congo, donde es más frecuente, el cobalto se utiliza en gran medida en la fabricación de baterías. Los diseños futuros de baterías de iones de litio podrían eliminar el cobalto en el cátodo. Debido a que el cobalto es tan escaso y costoso, eliminarlo ayudará a reducir el precio para obtener mejores tasas de adopción de vehículos eléctricos.
En lugar de cobalto, los desarrolladores han estado trabajando con un 89% de níquel, así como con aluminio y manganeso disponibles para el cátodo. Según se informa, tiene más densidad de energía que una batería de iones de litio típica y también puede alcanzar alcances más largos con una sola carga.
Electrodos de nanotubos de carbono
El carbono cristalizado en un patrón hexagonal se conoce como grafeno y es una sola capa de átomos. Los desarrolladores de baterías de NAWA Technologies han podido crear nanotubos de carbono a partir de grafeno para usarlos como electrodos en baterías de vehículos eléctricos. Los tubos de grafeno están alineados verticalmente para el electrodo y son extremadamente conductores, lo que los convierte en electrodos de carbono ultrarrápidos que podrían usarse en los próximos años.
Los beneficios de los electrodos de nanotubos de carbono son enormes. Además de tener diez veces más capacidad de energía, se pueden recargar extremadamente rápido. NAWA afirma que una batería se puede recargar al 80% en sólo cinco minutos. Y como el grafeno puede producirse en masa a bajo costo, puede reducir sustancialmente los costos de las baterías.
Resumen
Las baterías de iones de litio actuales pueden recorrer cientos de millas con una sola carga y durar años en un vehículo eléctrico. La tecnología del futuro podrá recargar mucho más rápido y almacenar mayores capacidades de energía, todo en una batería más liviana y más pequeña.
Preguntas frecuentes
¿Qué es una batería de estado sólido y cuándo estará disponible?
Las baterías de estado sólido sustituyen el electrolito líquido de las celdas de iones de litio convencionales por un material sólido, lo que mejora la densidad energética y la seguridad. Varios fabricantes de equipos originales (OEM) han anunciado objetivos para vehículos eléctricos con baterías de estado sólido a finales de la década de 2020, aunque la producción a escala comercial sigue siendo un reto. Los protocolos de mantenimiento para las baterías de estado sólido serán diferentes a los de las baterías actuales con electrolito líquido.
¿En qué se diferencia la química de las baterías LFP de la de las baterías NMC?
Las celdas de fosfato de hierro y litio (LFP) son más estables térmicamente, tienen una vida útil más larga y son más económicas de producir, pero ofrecen una menor densidad energética que las celdas de níquel-manganeso-cobalto (NMC). Las celdas LFP son cada vez más comunes en vehículos eléctricos básicos y vehículos comerciales.
¿Qué es una batería de iones de sodio?
Las baterías de iones de sodio utilizan sodio en lugar de litio como portador de carga. Son más económicas de producir y más adecuadas para climas fríos, pero actualmente ofrecen una menor densidad energética que las baterías de litio. Están empezando a aparecer en modelos de vehículos eléctricos de menor costo, principalmente en los mercados asiáticos.
¿Cómo afecta la composición química de la batería al diagnóstico de los vehículos eléctricos?
Las distintas composiciones químicas presentan diferentes curvas de carga, rangos de voltaje y perfiles térmicos. Las herramientas de diagnóstico deben tener en cuenta estas diferencias al evaluar el estado de salud (SoH). Herramientas como la Midtronics xHVS-3000 están diseñadas para funcionar con diversas arquitecturas de baterías para vehículos eléctricos.
¿Las futuras baterías de los vehículos eléctricos requerirán nuevos procedimientos de mantenimiento?
Sí. A medida que la química de estado sólido y otras tecnologías novedosas se incorporan al sector, los técnicos necesitarán capacitación, herramientas y protocolos de seguridad actualizados. Mantenerse al día con las normas SAE y la documentación de servicio del fabricante es la mejor manera de prepararse.
¿Qué deberían hacer ahora los comercios para prepararse para las baterías de vehículos eléctricos de próxima generación?
Invierta en equipos de diagnóstico adaptables, asegúrese de que los técnicos cuenten con la certificación de alto voltaje y consulte los boletines de servicio del fabricante para obtener orientación específica sobre la química del material. El centro de soluciones para vehículos eléctricos de Midtronics es un punto de partida útil para los talleres que desean ampliar su capacidad de servicio para vehículos eléctricos.