Las baterías son el elemento fundamental de híbridos y eléctricos. En ellas está la clave de su viabilidad técnica y económica, el principal problema y, por tanto, también el mayor desafío tecnológico dentro de este tipo de planta motriz que parece condenada a conquistar el mundo a cámara lenta.
Para impulsar un vehículo mediante electricidad es necesario poder generar o transportar enormes cantidades de energía eléctrica dentro del propio vehículo. La generación de energía eléctrica a través de una pila de combustible de hidrógeno, ya tratada en esta misma serie de artículos, se presenta como una posible solución a bastante largo plazo. Mientras tanto, las baterías constituyen ya el presente y tal vez el futuro del coche eléctrico por lo que es fundamental comprender su funcionamiento, sus limitaciones, su situación tecnológica actual y sus perspectivas de futuro.
Fundamentos básicos de una batería
Empezamos con lo básico.
Una batería es un conjunto de células, en cada una de las cuales tiene lugar una reacción química reversible en la que se produce un intercambio de iones y electrones entre sus dos polos. En la «dirección de descarga», se produce una corriente eléctrica que es capaz de mover el motor eléctrico que impulsa el coche, mientras que en la «dirección de recarga» iones y electrones vuelven a su situación original a partir de un aporte de energía externo.
Las dos características fundamentales, que determinan el comportamiento, rendimiento y duración de una batería son, por un lado, los elementos químicos escogidos para dar lugar a la reacción dentro de cada célula y, por otro, la electrónica que controla todo el proceso de descarga y recarga. Este artículo se centra exclusivamente en la parte química.
Las células de la batería son su parte esencial, determinando su coste y rendimiento, de forma que la mayoría de los esfuerzos investigadores se encuentran actualmente dirigidos a mejorar este elemento clave. Cada célula consta de un cátodo (electrodo positivo) un ánodo (electrodo negativo) y un electrolito, que separa ambos electrodos y constituye el medio neutral para la transferencia de carga dentro de la célula.
Antes de entrar en las diferentes químicas posibles, cabe decir que las células pueden adoptar forma prismática, cilíndrica o de plancha, aportando diferentes ventajas e inconvenientes en cuanto a densidad energética, disipación del calor y aprovechamiento del espacio, que las convierten en más o menos adecuadas para los diferentes usos.
Químicas posibles para baterías de coches eléctricos
Últimamente, parece darse por sentado que las baterías de Ion-Litio son las más adecuadas para el uso automovilístico, y posiblemente sea así. No obstante, no es esta la única posibilidad que existe y, de hecho, las propias baterías de Ion-Litio constituyen una amplia familia de opciones químicas diversas que sólo comparten entre sí el Litio como elemento fundamental, pero no el resto de elementos implicados.
Existen tres tipologías de baterías, atendiendo a su química, cuyo desarrollo actual las hace adecuadas para alimentar el motor de un coche eléctrico: las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y, finalmente, las baterías de Ion-Litio. Escoger entre los diferentes tipos de baterías es siempre una decisión de compromiso entre densidad energética, potencia específica, costes, seguridad y durabilidad.
Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y se han utilizado durante décadas para arrancar nuestros motores de combustión. Entre sus ventajas, además del bajo coste y estandarización universal, se encuentran su buena potencia específica (W/kg), buen comportamiento en un amplio rango de temperaturas, buena retención de la carga en el tiempo y son relativamente fáciles de reciclar. Sólo pueden almacenar unos 40 Wh/kg, una densidad energética muy pobre como veremos más adelante.
Las baterías de Níquel-Metal han sido las preferidas por el archiconocido Toyota Prius durante sus más de 10 años de historia, por lo que han demostrado sobradamente su capacidad para responder con solidez en las entrañas de un híbrido no enchufable. Su potencia específica es correcta, su ciclo de vida largo y no presentan problemas medioambientales, mientras que tienen un alto índice de descarga en periodos de inactividad (pierden el 30% de la carga en un mes paradas) y su coste de producción es algo elevado por incorporar tierras raras en el electrodo positivo. Sus 60 Wh/kg las hace superiores a las de Plomo-Ácido, pero las mantiene todavía cierta distancia del Litio, que, no en vano, es el más ligero de los elementos de la tabla periódica que no es un gas a temperatura ambiente.
Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades, parecen estar llamadas a prevalecer, pues sus características técnicas más importantes mejoran sustancialmente a las dos opciones anteriores, si bien introducen también algún que otro problema en la ecuación. Su voltaje, densidad energética, potencia específica, carga utilizable, eficiencia de recarga y ciclo de vida son muy superiores a las de sus dos rivales, al tiempo que su índice de descarga es mucho menor.
Como inconveniente, cabe señalar su menor robustez ante variaciones de voltaje, que obliga a incorporar costosos sistemas de gestión de las baterías para su protección y correcto funcionamiento. De ello y de su propia composición química se deriva un coste de producción también mayor que sus rivales, tema a tener muy en cuenta dada su extrema relevancia en la competitividad del coche eléctrico.
Las baterías de Ion-Litio: una colección de posibilidades
Las diferentes baterías de Ion-Litio tienen en común entre sí la utilización, en general, de un ánodo de Litio-Carbono y difieren entre sí en el óxido de litio que utilizan en el cátodo. Cada química da lugar a un diferente conjunto de características técnicas y, por tanto, aunque hablamos constantemente de baterías de Ion-Litio como si fueran una única cosa, estamos utilizando probablemente una denominación demasiado genérica y que abarca muchas posibilidades, entre las que se encontrarían las siguientes ya desarrolladas con la tecnología actual:
Baterías de Litio-Cobalto (Li Co O2) – Densidad energética 170-185 Wh/kg
Estas son las más extendidas para dispositivos móviles como teléfonos u ordenadores portátiles, pero son difícilmente utilizables en coches porque sólo aguantan unos 500 ciclos de recarga y en caso de accidente y rotura pueden generar reacciones exotérmicas que desemboquen incluso en incendio, lo que sería demoledor para su imagen, por improbable que sea el suceso.
Baterías de Litio-Hierro-Fosfato (Li Fe P O2) – Densidad energética 90 – 125 Wh/kg
Son las más seguras, por tener la mayor estabilidad térmica y química. Su densidad energética está en la zona baja, pero se pueden considerar un salto adelante en seguridad y también en durabilidad, con hasta 2.000 ciclos de recarga. Son también las más baratas, junto con las de cobalto, pero estas sí se pueden emplear en automoción para mover híbridos y eléctricos puros sin riesgos.
Baterías de Litio-Manganeso (Li Mn2 O2) – Densidad energética 90 – 110 Wh/kg
También son más estables térmicamente que las de cobalto y soportan un mayor voltaje, pero se encuentran de nuevo con una inferior densidad energética. El manganeso no es contaminante.
Baterías de Litio-Níquel-Cobalto-Manganeso (Li Nix Coy Mnz O2) – Densidad energética 155 – 190 Wh/kg
Excelente compromiso entre muy buen rendimiento y coste razonable, se empiezan a utilizar en coches eléctricos masivamente. Soportan 1.500 ciclos y voltajes de los más altos.
Baterías de Litio-Titanio (Li4 Ti5 O12) Densidad energética 65 – 100 Wh/kg
Son las más duraderas, pues aguantan hasta 12.000 ciclos de recarga (unas 10 veces más que cualquiera de las otras) pero su densidad energética actual es baja y su coste, muy elevado.
Conclusiones
Las baterías necesarias para mover un coche están sometidas a un nivel de exigencia brutal. Por un lado, deben ser capaces de contener una elevada carga con la menor masa posible (densidad energética) para poder competir con la gasolina en la medida de lo posible y salvando las enormes distancias que existen entre ambas formas de almacenamiento energético. Por otro lado, deben soportar rangos de temperatura muy amplios, posibles accidentes y miles de ciclos de recarga.
Existen en el mercado numerosas variantes químicas de las que aquí sólo hemos recogido las más utilizadas. La lista está abierta a nuevas incorporaciones, fruto de la investigación, pero parece claro que cada una de las opciones representa siempre una relación de compromiso entre sus diferentes prestaciones, sin existir una opción claramente vencedora en todos los aspectos.
El camino que han de recorrer estos depósitos de energía química es aún muy largo y tortuoso, pero conviene ir conociendo las diferentes variantes que existen, a las que se irán sumando otras combinaciones, para poder seguir la evolución en este importante terreno de innovación tecnológica.
Fuente: «Global autos: don’t believe the hype – analyzing the costs & potential of fuel-efficient technology» – Bernstein Research & Ricardo – Informe impreso
En Tecmovia: Litio, ¿el nuevo oro? | Gran paso en la evolución de las baterías de la mano de Envia Systems
