Híbridos y Eléctricos

INVERSIÓN EN I+D

¿Son las baterías de litio la respuesta a las necesidades del vehículo eléctrico?

Siendo el vehículo eléctrico la única alternativa viable a largo plazo, es necesario impulsar la investigación y desarrollar nuevas baterías, ya que la tecnología actual no es suficiente para sustituir a los combustibles fósiles.

Se necesitan nuevas tecnologías para las baterías de vehículos eléctricos.
Se necesitan nuevas tecnologías para las baterías de vehículos eléctricos.

Actualmente, las baterías de litio son las preferidas por la industria para montar en sus vehículos eléctricos. Su composición química supone un complicado equilibrio entre diversas variables como la densidad de energía, la potencia, el coste económico y la durabilidad. Las baterías de ion litio cumplen, mejor o peor con cada una de ellas, y hoy son económicamente rentables, pero no posibilitarán que se cumpla con el objetivo de recorrer largas distancias a bordo de un vehículo eléctrico grande. La inversión hoy en investigación para el desarrollo de nuevas baterías es imprescindible, porque a largo plazo no hay alternativa al vehículo eléctrico.

Desde su invención en la década de los 70 y su comercialización en la de los 90, las baterías de litio han ido creando una ventaja competitiva muy grande respecto a las tecnologías alternativas sobre todo en sus procesos de fabricación y costes de producción. Ninguna de las químicas que se utilizan en las baterías de los vehículos eléctricos tiene las propiedades ideales para ellos, por esa razón el litio sigue siendo la mejor opción.

Actualmente, hay cinco composiciones químicas que pueden ser empleadas en vehículos eléctricos: níquel-cobalto-aluminio (NCA), níquel-cobalto-manganeso (NCM), óxido de manganeso de litio (LMO), litio-titanato (LTO) y litio ferro-fosfato (LFP). De ellas, las NCM, LFP y LMO, destacan por ofrecer características superiores al resto.

En la tabla que se muestra a continuación, se establece una comparación entre las cinco composiciones químicas teniendo en cuenta los criterios de energía específica (densidad o capacidad de energía), potencia específica (capacidad de funcionar a altas intensidades de corriente cuando sea solicitada), el rendimiento o la capacidad de funcionar a temperaturas extremas (tanto altas como bajas), la ciclabilidad o degradación (el número de ciclos de carga y descarga que pueden soportar sin degradación), el tiempo de vida útil y, por último, el coste económico.

Propiedades de las diferentes composiciones químicas de las baterías de los vehículos eléctricos.

Comparativa entre la energía específica, la potencia específica, la seguridad, el rendimiento, la vida útil y el coste de las diferentes composiciones de las baterías para vehículos eléctricos. Nota: Cuanto más se extiende hacia fuera sobre el eje el gráfico de araña mejor es la batería. Fuente Boston Consulting Group .

No se han comparado los tiempos de carga ya que todas las baterías pueden cargarse razonablemente rápido si hay disponible una toma de corriente eléctrica adecuada. En la mayoría de los casos, hablando de recarga vinculada, un tiempo de carga de algunas horas es aceptable para la mayoría de los usuarios. Tampoco se muestran los consumos fantasma de las baterías, aquellos que se producen en reposo, cuando no están funcionando. En general, las baterías de ion-litio tienen una baja autodescarga, por lo que este parámetro puede ignorarse cuando la batería es nueva, pero sí es importante cuando la batería es vieja y se expone a altas temperaturas. En este caso, las baterías LFP son las que mayor autodescarga sufren.

Representando cada una de los criterios en un gráfico de araña, ninguna de las cinco tipologías de batería muestra una ventaja significativa sobre las otras. Sin embargo, el análisis del promedio de cada uno de ellos ofrece un área similar aunque orientado en diferentes direcciones. Así, por ejemplo, las baterías NCA tienen una gran capacidad energética, pero presentan algunos desafíos en cuestiones de seguridad. Mientras, el LFP es mucho más seguro, pero tiene menor capacidad energética.

En ausencia de un claro ganador, los fabricantes de automóviles incluyen sistemas periféricos para compensar las deficiencias, mientras que los fabricantes de baterías ayudan a diseñar las celdas a medida en función de las necesidades de cada aplicación.

Criterios para seleccionar la batería más adecuada para un vehículo eléctrico

Seguridad. Es uno de los aspectos más importantes al elegir una batería para un vehículo eléctrico. Actualmente, tras un accidente, mucha de la información que se ofrece en la prensa, en muchos casos poco contrastada, podría hacer que el público se vuelva en contra de esta tecnología. Preocupaciones similares a las que surgieron hace 100 años, cuando los motores de vapor explotaban y los tanques de gasolina se incendiaron.

Aunque los circuitos de seguridad están cuidadosamente diseñados, creando recintos robustos que deberían eliminar la posibilidad de que se produzca una fuga térmica, existe el riesgo de que se produzca un accidente grave. Además, una batería también debe ser segura cuando se expone a un mal uso y tienen que envejecer manteniendo los mismos estándares de seguridad.

La degradación refleja los ciclos de carga y descarga que puede una soportar una batería sin una excesiva degradación. La mayoría de las baterías están garantizadas por ocho o diez años o 160.000 kilómetros. La pérdida de capacidad es un desafío especialmente en climas cálidos. Por ahora, los fabricantes de automóviles carecen de información sobre la durabilidad de las baterías en diferentes condiciones y climas. Para compensar las pérdidas, las baterías cuentan con una capacidad bruta y una capacidad útil. De esta forma es posible una cierta degradación que permite cumplir con las condiciones de la batería.

El rendimiento refleja el funcionamiento de la batería en temperaturas extremas. A diferencia del motor eléctrico, que funciona en un amplio rango de temperaturas, las baterías son sensibles al frío y al calor y requieren un sistema de control térmico. En los vehículos 100% eléctricos, la energía necesaria para climatizar la batería, calentando o enfriando su habitáculo, proviene también de la batería.

baterias

La energía específica es un parámetro que muestra la energía que retiene la batería por cada kilogramo de peso, lo que tiene una gran repercusión en la autonomía. En términos de energía suministrada por peso, una batería genera solo el 1% de la energía que generan los combustibles fósiles. Un kilogramo de gasolina produce aproximadamente 12 kW de energía, mientras que una batería de un kilogramo proporciona aproximadamente 120 W. En el sentido contrario, el motor eléctrico cuenta con un 90% de eficiencia energética, mientras que el motor de combustión solo llega al 30%. A pesar de así se compensa parte de la desventaja energética, la capacidad de almacenamiento de energía de una batería debería duplicarse y cuadruplicarse para que pueda competir cara a cara con un motor de combustión interna.

La potencia específica muestra la capacidad de la batería para ofrecer potencia cuando esta es requerida, es decir, está directamente relacionada con la aceleración. En esta magnitud, la mayoría de las baterías son capaces de ofrecer potencia suficiente para desarrollar el máximo par motor desde cero revoluciones y mantenerlo constante, lo que supera con creces lo que es capaz de hacer un motor de combustión.

El coste representa uno de los máximos inconvenientes de las baterías. La industria aspira a alcanzar un precio de 100 dólares por kWh de batería, ya empaquetada, que los expertos consideran el límite para que un vehículo eléctrico pueda competir en precio de venta con uno de combustión. Los circuitos de protección obligatorios para la seguridad, la gestión electrónica del estado de la batería (BSM) y el sistema de control térmico activo necesarios para poder ofrecer una garantía de 8 a 10 años suman sus costes a lo de la fabricación de las celdas y el empaquetado posterior. Con el precio del kWh de hoy en día, los coches eléctricos son más costosos que los de combustión (comparando vehículos del mismo segmento, con la misma potencia y caja de cambios y con idéntico equipamiento).

Se necesitan nuevas baterías

El éxito del automóvil de combustión fue posible gracias a un precio del combustible muy bajo en términos de poder calorífico neto, es decir, la cantidad de energía por unidad de masa o unidad de volumen de materia que se puede desprender. Como se muestra en el gráfico, con la tecnología actual, puede que no sea posible transferir a la electrificación el hábito actual de recorrer largas distancias a bordo de un vehículo grande. A pesar de una gran eficiencia en la conversión energética, las baterías de iones de litio de hoy en día están muy por debajo del diésel y la gasolina en términos de poder calorífico neto.

Valores caloríficos netos (NCV) de los combustibles y eficiencias de la conversión energética

Valores caloríficos netos (NCV) de los combustibles y eficiencias de la conversión energética.

Como se puede comprobar, el hidrógeno también está muy lejos de los combustibles fósiles, siendo marginal la ventaja que obtiene la celda de combustible en la eficiencia de la conversión de energía (50% frente al 43 y el 34%). Además, el hidrógeno no puede ser bombeado como el petróleo y necesita energía para ser generado. En este sentido, el hidrógeno es similar a las baterías: es un medio portátil para almacenar energía.

El CEO de Daimler, Dieter Zetsche, declaró, en una reunión celebrada en Stuttgart, que ahora es necesario un avance notable en la investigación y en los nuevos desarrollos porque "a largo plazo no hay alternativa al vehículo eléctrico".

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