Funcionamiento fundamental de las baterías
Todas las baterías de los coches eléctricos actuales son de iones de litio.
El litio es el componente fundamental de la batería por su potencial electroquímico, es decir por su tendencia natural a perder electrones con facilidad. Esto significa que podremos separar los electrones de sus átomos con menor aporte de energía de la que necesitaríamos para hacerlo de otros metales.
Cuando los átomos de litio pierden sus electrones se convierten en iones de litio, de ahí el nombre genérico de este tipo de baterías.
Básicamente el proceso que tiene lugar en una batería de iones de litio de un coche eléctrico consiste en «quitar» y «devolver» electrones a los átomos e iones de litio en las fases de carga y descarga. Cuando se carga la batería, se utiliza electricidad para separar los electrones de los átomos de litio. Y cuando se descarga se produce el camino inverso, haciendo que los electrones vuelvan con sus iones de litio, y en ese proceso se genera la electricidad que necesita el coche eléctrico.
El proceso de carga
Los átomos de litio se encuentran, cuando la batería está descargada, en el cátodo de la batería del coche eléctrico. El litio que en estado puro es inestable y tiene facilidad para perder sus electrones, se vuelve estable cuando forma parte de un óxido metálico, que es como se encuentra en el cátodo cuando la batería está descargada.
En el proceso de carga del coche eléctrico, al conectarse al cargador, lo que se hace es provocar la separación de los átomos de litio en electrones e iones de litio:
– Los electrones separados de los ya iones de litio se transportan al ánodo, donde se almacenan en láminas de grafito. Cuando estas láminas de grafito contienen todos los electrones disponibles se dice que la batería está cargada.
– Por otro lado los iones de litio (átomos de litio desprovistos de sus electrones), ya no se encuentran en una situación de estabilidad en el óxido metálico. En esta situación de inestabilidad se desplazarán también desde el cátodo al ánodo. A diferencia de los electrones que son transportados al ánodo a través de un conductor, estos iones se moverán a través del electrolito que separa cátodo y ánodo. Estos iones de litio, ya en el ánodo, quedarán almacenados entre las láminas de grafito donde han quedado almacenados sus electrones.
El proceso de descarga
En el proceso de descarga el recorrido que harán electrones e iones de litio será el inverso al indicado en la carga.
A medida que se requiere energía, se genera el flujo de electrones desde ánodo a cátodo, produciéndose la electricidad que necesita el motor eléctrico. Como los electrones se van desplazando desde el ánodo al cátodo, los iones de litio que se encuentran en el ánodo se ven de nuevo atraídos hacia el cátodo buscando recuperar la estabilidad como átomos dentro del óxido metálico.
Imagen proveniente de la presentación difundida por Tesla a partir del «Tesla Battery Day» en septiembre de 2.020.
Objetivos que se persiguen en una batería
La batería óptima será aquella que consiga el mejor equilibrio entre:
– Densidad energética: Capacidad de almacenamiento eléctrico por kilo de peso. Se mide en Wh/kg.
– Densidad volumétrica: Capacidad de almacenamiento eléctrico por litro de volumen. Se mide en Wh/l.
– Longevidad: Años/kilómetros de vida útil. Se mide en ciclos de carga.
– Resistencia a la degradación: Menor pérdida de capacidad de almacenamiento eléctrico a lo largo de su vida útil. Se mide en el porcentaje de carga disponible.
– Estabilidad y seguridad. Riesgo de cortocircuito o incendio ante cualquier circunstancia de temperatura o ante potenciales accidentes
– Velocidad de carga. Capacidad para recuperar la mayor cantidad de carga en el menor tiempo posible. En este sentido tan importante o más que la velocidad de carga máxima en un momento dado, será fundamental la curva de carga. La curva de carga representa la carga máxima que es capaz de recuperar la batería desde el 0% hasta el 100%.
– Rendimiento. Capacidad de suministrar una elevada cantidad de energía en una unidad de tiempo. Cuanto mayor sea esta capacidad mayor potencia podrá tener el coche eléctrico
Lamentablemente no conseguiremos conocer el detalle de todos estos parámetros de ninguna batería en particular, pero sí sabemos cómo se comportan de forma general por tipología de batería.
Tipos de baterías
El hecho de que una batería sea de iones de litio, no tiene porqué significar que tenga la misma composición.
Los tipos de batería se diferencian en la actualidad, fundamentalmente por el el óxido metálico del cátodo.
La composición exacta de este óxido metálico no es transparente para el gran público, por lo que no podríamos, aunque quisiéramos ser exhaustivos en el detalle. No obstante sí que podemos aportar algunas características fundamentales para cada tipo de óxido metálico del cátodo.
Básicamente hay dos tipologías fundamentales:
– Níquel – Cobalto – Manganeso (NCM) / Níquel – Cobalto – Aluminio (NCA).
– Litio Ferro fosfato (LFP) / Litio Ferro Fosfato Manganeso (LFMP).
Las baterías NCM tienen diferencias respecto de las NCA como las LFP tienen diferencias respecto de las LFMP. No obstante, al compartir gran parte de sus características principales las agruparemos dentro de una misma tipología.
Baterías NCM/NCA
Se trata de las baterías más habituales en la mayoría de coches eléctricos y la que más tiempo lleva en el mercado.
Ventajas de las baterías NCM/NCA
– Mejor densidad energética. Estas baterías tienen capacidad de almacenar más energía en menor peso y volumen. Esto hace que sean las elegidas generalmente para aquellas versiones que necesitan mayor autonomía.
– Mejor comportamiento en temperaturas muy bajas.
– Mayor voltaje y rendimiento. Por esta razón las encontraremos en los coche eléctricos de mayor potencia. Esta es una característica en la que destacan también la baterías NCA respecto de las NCM, aunque con estas últimas también se consiguen potencias más que interesantes.
Inconvenientes de las baterías NCM/NCA
– Precio. Son baterías más caras fundamentalmente por la necesidad de metales como el Níquel y Cobalto.
– Medioambiente y condiciones de extracción. El cobalto que contienen es un material que proviene fundamentalmente de la República Democrática del Congo. Hay cierto consenso en la dificultad de garantizar que su extracción se realice con respeto de unas mínimas condiciones de trabajo y medioambientales.
– Carga hasta el 100%. Estas baterías se recomienda de forma general que se carguen entren el 20 y el 80% por el riesgo de mayor degradación si habitualmente se descargan por debajo del 20% o se cargan por encima del 80%.
Baterías LFP/LFMP
La diferencia entre las LFP y las LFMP radica en la inclusión de manganeso en la composición de las LFMP. Las baterías LFMP se pueden considerar una evolución de las baterías LFP, pero por simplicidad las consideraremos como una única tipología.
Aunque son menos habituales que las baterías NCM/NCA, las baterías LFP/LFMP están experimentando evoluciones muy interesantes y hay vehículos muy reconocidos que las utilizan. Por mencionar solo algunos ejemplos:
– Tesla Model 3 y Model Y en sus versiones de tracción trasera.
– Stellantis las utilizará en su Citröen ë-C3.
– Renault las utilizará en su futuro Renault 5.
Ventajas de las baterías LFP/LFMP
– Precio. Al prescindir de un uso tan elevado de Níquel y no tener Cobalto su coste es menor.
– Seguridad. Su elevada resistencia térmica las hace más seguras ante un posible sobrecalentamiento y el riesgo de incendio es menor ante posibles accidentes.
– Longevidad y degradación. Estas baterías soportan mayores ciclos de carga y se deterioran menos con el paso del tiempo
– Velocidad de carga. El hecho de cargarse a temperaturas más bajas les permiten conseguir mejores velocidades de carga y mejor comportamiento a lo largo de toda la curva de carga.
– Límite de carga. A diferencia de las baterías NCM/NCA, estas baterías no se degradan por ser cargadas hasta el 100%. Incluso se recomienda llegar a estos niveles de carga para el correcto balanceo de carga de las celdas.
Inconvenientes de las baterías LFP/LFMP
– Densidad energética. Tienen peor densidad energética que las baterías NCM/NCA por lo que necesitaremos más peso y volumen para la misma capacidad eléctrica. Esto las hace en principio, menos óptimas para vehículos que requieren grandes autonomías.
– Peor comportamiento en frío extremo, aunque también soportan mejor el calor y son menos propensas al sobrecalentamiento.
El electrolito de la batería de iones de litio
El electrolito es un elemento clave para que se produzcan las reacciones de oxidación (pérdida de electrones) y reducción (ganancia de electrones) del litio y sus iones dentro de la batería.
Las baterías actuales tienen un electrolito «líquido» de consistencia similar a la de un gel. Este electrolito está compuesto de sales de litio y su función es por un lado separar cátodo y ánodo, evitando cortocircuitos y por otro tiene la función de facilitar el paso de iones de cátodo a ánodo y viceversa.
La evolución de este tipo de electrolito líquido es el electrolito de estado semi sólido o sólido. Las expectativas de mejora con esta tecnología son muy altas. Se espera una mejora en la densidad energética, tiempos más rápidos de carga, mayores niveles de seguridad y menor degradación con el paso del tiempo.
Dadas las expectativas, existen inversiones importantes de los principales fabricantes de baterías en el desarrollo de estas nuevas baterías con electrolito sólido. No obstante hay todavía incertidumbre respecto a cuándo los progresos tecnológicos se podrán traducir en una realidad industrial concreta y el coste que tendrán las baterías con esta tecnología.
Conclusión
Hay muchísimas novedades que se anuncian de forma habitual en torno a potenciales mejoras en las baterías de iones de litio. Sería imposible hacerse eco de todas ellas pero por mencionar algunos de los anuncios más relevantes destacaríamos aquellos que han provenido de los principales líderes del mercado de baterías:
– 4680 de Tesla. Septiembre de 2.020
– Qilin de CATL. Junio de 2.022
– Blade de BYD. Enero de 2.023
– Condensadas de CATL. Abril de 2.023
– Estado sólido. En torno a esta tecnología ha habido múltiples anuncios entre 2.022 y 2.023 como ya comentamos en otro post.
Más allá de los anuncios, creemos que es interesante analizar los hechos concretos. En este sentido nos parece relevante analizar lo que ha sucedido en Tesla. Las baterías de los nuevos Tesla Model 3 Highland, de 2.023, no son muy distintas a las que montaba el Model 3 de 2.016. A su vez las baterías del Model 3 de 2.016 tampoco eran radicalmente distintas a las del Tesla Model S de 2.012.
En más de 10 años ha habido evoluciones en las baterías pero no grandes revoluciones, y a pesar de ello Tesla se ha convertido en uno de los grandes referentes del panorama global.
Los anuncios de grandes novedades nos pueden abrumar y podemos tener la sensación de que debemos esperar al gran salto tecnológico. Pero los coches eléctricos actuales, con la tecnología actual de baterías actuales, han demostrado ya ser una alternativa más que interesante para los coches de combustión.
Puede llegar un gran salto tecnológico, pero por un lado nos sorprendería mucho que llegara pronto y por otro nos cuesta pensar que vaya a ser barato.
